變頻調(diào)速系統(tǒng)在礦山提升機中的應(yīng)用

楊 濤

0 引言

變頻調(diào)速技術(shù)是一種以改變交流電動機的供電頻率來達到交流的電動機調(diào)速目的的技術(shù)。從大范圍來分，電動機有直流電動機和交流電動機。由于直流電動機調(diào)速容易實現(xiàn)，性能好，因此，過去生產(chǎn)機械的調(diào)速多用直流電動機。但直流電動機固有的缺點是，由于采用直流電源，它的滑環(huán)和碳刷要經(jīng)常拆換，故費時費工，成本高，給人們帶來不少的麻煩。因此人們希望，讓簡單可靠廉價的籠式交流電動機也能像直流電動機那樣調(diào)速。這樣就出現(xiàn)了定子調(diào)速、變極調(diào)速、滑差調(diào)速、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速和串級調(diào)速方式:由此出現(xiàn)了滑差電機、繞線式電機、同步式交流電機。但其調(diào)速性能都無法和直流電動機相比。直到20世紀80年代，由于電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，才出現(xiàn)了變頻調(diào)速技術(shù)。它的出現(xiàn)就以其優(yōu)異的性能逐步取代其他交流電動機調(diào)速方式，乃至直流電動機調(diào)速系統(tǒng)，而成為電氣傳動的中樞。

交—直—交變頻調(diào)速系統(tǒng)已在泵類、風機類負載上得到廣泛應(yīng)用，并且正在大面積推廣。但大多數(shù)礦用提升機還在沿用傳統(tǒng)的線繞式異步電動機，用轉(zhuǎn)子串電阻的方法調(diào)速。這種系統(tǒng)屬于有級調(diào)速，低速轉(zhuǎn)矩小，轉(zhuǎn)差功率大，啟動電流和換擋電流沖擊大，中高速運行振動大，制動不安全不可靠，對再生能量處理不力，斜井提升機運行中調(diào)速不連續(xù)，容易掉道，故障率高。礦用生產(chǎn)是24 h連續(xù)作業(yè)，即使短時間的停機維修也會給生產(chǎn)帶來很大損失。礦用提升機的技術(shù)改造要求迫在眉睫。但是，不可能把風機、水泵用的變頻器直接應(yīng)用到提升機上，因為提升類負載對變頻器有著不少特殊的要求:1)起動和制動性能好——快速、平穩(wěn)和準確的起動和制動。2)全速范圍內(nèi)都有很好的恒轉(zhuǎn)矩性能。3)重物下降時(除空載或輕載外)，都依靠自重下降。為了克服重力加速度的不斷加速，電動機必須產(chǎn)生足夠的制動轉(zhuǎn)矩，使重物在所需的轉(zhuǎn)速下平穩(wěn)下降。4)停車距離不得超過吊鉤1 min上升或下降距離的5%，且重物在空中停頓的前后不得有“溜鉤”現(xiàn)象。

1 使用變頻調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點

1)故障率低，控制靈活。原系統(tǒng)速度和上下方向的變化是由許多接觸器、繼電器系統(tǒng)控制才能實現(xiàn):其控制復(fù)雜，故障率高，維修也很麻煩。采用變頻調(diào)速后:控制靈活，系統(tǒng)也大大簡化了;檢測保護性能好、可靠性提高，還可以節(jié)約很大一部分電能，節(jié)電率都在30%以上。實現(xiàn)了軟啟動、軟停車，減少了機械沖擊，使運行更加平穩(wěn)可靠。2)調(diào)速質(zhì)量提高原三速電機系統(tǒng)只有三個變化不均勻的速度，對機械和電源有很大的沖擊。變頻器可以用電位器靈活的控制速度，且是無級調(diào)速，調(diào)速比可達 1∶50。精確度可達1%。3)起動及加速換擋時沖擊電流很小，減輕了對電網(wǎng)的沖擊，簡化了操作、降低了工人的勞動強度。運行速度曲線呈S形，使加減速平滑、無撞擊感。4)安全保護功能齊全，除一般的過壓、欠壓、過載、短路、溫升等保護外，還設(shè)有連鎖保護、自動限速保護功能等。5)設(shè)有直流制動、能耗制動及回饋制動等多種制動方式，使安全性更加可靠。6)該系統(tǒng)四象限運行，回饋能量直接回電網(wǎng)，且不受回饋能量大小的限制，適應(yīng)范圍廣，節(jié)能效果更加明顯。7)同時變頻改造后絞車運行的穩(wěn)定性和安全性都大大增加，因此大大減少了運行故障和維修時間。8)延長了電磁抱閘系統(tǒng)的壽命。

2 礦用提升機變頻調(diào)速系統(tǒng)的工作原理

變頻器是通過改變電機定子供電頻率來改變電機的轉(zhuǎn)速，以實現(xiàn)絞車的調(diào)速。交流異步電動機的轉(zhuǎn)速公式為:

其中，n為電極轉(zhuǎn)速;f1為定子供電頻率;p為極對數(shù);s為轉(zhuǎn)差率。

調(diào)節(jié)了三相交流電的頻率，也就調(diào)節(jié)了電機轉(zhuǎn)速。只要平滑地調(diào)節(jié)三相交流電的頻率，就能實現(xiàn)異步電動機的無級調(diào)速，就能使三相異步電動機的調(diào)速性能趕超直流電動機。

如圖1所示為交—直—交電壓型變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖。

該系統(tǒng)的運行過程主要分為兩個過程:1)絞車電機作為電動機的過程，即正常的逆變過程。該過程主要由整流、濾波和正常逆變?nèi)蟛糠纸M成，如圖1所示。其中正常逆變過程是其核心部分，它改變電機定子的供電頻率，從而改變輸出電壓，起到調(diào)速作用。2)絞車電機作為發(fā)電機的過程，即能量回饋過程。該過程主要由整流、回饋逆變和輸出濾波三部分組成，如圖1所示。其中該部分的整流是由正常逆變部分中 IGBT的續(xù)流二極管完成。二極管D1和D2為隔離二極管，其主要作用是隔離正常逆變部分和回饋逆變部分。電解電容E2的主要作用是為回饋逆變部分提供一個穩(wěn)定的電壓源，保證逆變部分運行更可靠。回饋逆變部分是整個回饋過程的核心部分，該部分實現(xiàn)回饋逆變輸出電壓相位與電網(wǎng)電壓相位的一致。因為回饋逆變輸出的是調(diào)制波，為保證逆變的正常工作以及減少對電網(wǎng)的污染，增加了一個輸出濾波部分，使該系統(tǒng)的可靠性更加穩(wěn)定。

鑒于礦區(qū)電壓的波動性可能比較大的事實，由于變頻器的回饋條件是要和電網(wǎng)電壓有一個固定電壓差值，假若某時刻電網(wǎng)電壓比較高，再加上回饋時的固定。

電壓差值，此時變頻器的母線電壓就會達到一個比較高的電壓值，如果再有重車下滑，則母線電壓會更高，此時的高電壓就有可能威脅到變頻器的大功率器件的安全，為此，該系統(tǒng)又加了一個剎車部分(如圖1所示)，以保證變頻器的安全。

3 變頻器改造后的經(jīng)濟效益分析

1)變頻器在低速段運行時節(jié)能顯著，由于提升機在井口及井底時都處于低速運行，根據(jù)現(xiàn)場情況，一般設(shè)置升速點及減速點分別在70 m～100 m，因此其低速運行段大約在140 m～200 m，根據(jù)坡長的不同，其低速段約占30%，其綜合節(jié)電率約占20%。2)采用變頻控制后，由于設(shè)置直流制動，在運行時油閘全敞開，減輕了原工頻控制下的磨損，油閘只是作為一種輔助設(shè)施，在電機停穩(wěn)后或在急停時快速抱閘，根據(jù)測算，該項損耗大大降低，每年也可節(jié)省2萬元～3萬元。3)原工頻控制采用交流接觸器進行速度段切換，用調(diào)速電阻調(diào)速，而變頻控制則將其全部甩掉，不但節(jié)省了投資，也增加了可靠性，原用接觸器及調(diào)速電阻，每2個～5個月即可更換一次，維修費用大，且耽誤生產(chǎn)。4)采用回饋制動，其再生能量回收利用，這也節(jié)約了一部分電能。

綜上所述，其綜合經(jīng)濟效益是十分明顯的。