礦用變頻器在乳化泵負(fù)載突變狀態(tài)的應(yīng)用分析

孫磊

（山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司設(shè)備租賃站 山西省長(zhǎng)治市 046204）

隨著科技的進(jìn)步，煤炭開采技術(shù)逐漸豐富起來。可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求背景下，傳統(tǒng)的單純以提升產(chǎn)能為目的的產(chǎn)業(yè)改革已經(jīng)不適應(yīng)當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的需要，隨著安全發(fā)展理念和綠色發(fā)展理念逐漸深入人心，節(jié)能減排成為發(fā)展主流。近年來，國(guó)家根據(jù)“上大關(guān)小、產(chǎn)能置換、優(yōu)化結(jié)構(gòu)”的原則，逐步加快大型煤炭礦區(qū)的總體規(guī)劃，持續(xù)優(yōu)化煤炭開發(fā)布局。國(guó)內(nèi)各個(gè)煤企在做好資源綜合利用、促進(jìn)煤炭加工轉(zhuǎn)化項(xiàng)目、提高節(jié)能減排水平等方面做了許多積極的嘗試。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)煤企普遍存在先進(jìn)與落后生產(chǎn)能力并存、安全基礎(chǔ)薄弱、資源綜合利用程度不夠等問題。出于安全成產(chǎn)、綠色發(fā)展的的需要，國(guó)家對(duì)防爆行業(yè)的技術(shù)升級(jí)改造越來越重視，防爆技術(shù)在資金、項(xiàng)目等大力支持下發(fā)展迅速。變頻器作為綜采工作非常重要的自動(dòng)化設(shè)備，由于它具有性能穩(wěn)定，節(jié)電性好的特點(diǎn)開始快速應(yīng)用到煤炭行業(yè)。

1 變頻技術(shù)應(yīng)用在乳化泵設(shè)備的必要性

乳化泵是整個(gè)采煤工作面的核心設(shè)備，他的正常運(yùn)行對(duì)于保障煤企效益和安全生產(chǎn)具有十分重要的作用。作為一種高效的在線分散設(shè)備，它一般以電能作為動(dòng)力來源，通過帶動(dòng)轉(zhuǎn)定子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生強(qiáng)大的剪切力將電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，使物料狹窄的空間內(nèi)離心擠壓、碰撞、摩擦等作用下相互均勻分布，將本來互不相溶的兩種物質(zhì)瞬間均勻乳化，實(shí)現(xiàn)對(duì)物料連續(xù)性處理，最大化消除批次間的品質(zhì)差異。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，受制于工業(yè)現(xiàn)代化水平，過去改變供液流量，主要依靠人為控制閥門大小或擋板閉合程度等方法來增減阻力達(dá)到調(diào)解壓力的目的。一般來說，企業(yè)選擇乳化泵都是按照最不利條件下、最大時(shí)流量及相應(yīng)壓力來確定型號(hào),當(dāng)工作面需要注小流量時(shí),大量能量就會(huì)損失在閥門上。一方面，設(shè)備長(zhǎng)期處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，無法及時(shí)根據(jù)工作面開采條件來實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)乳化液的流量與壓力，極大的加快了機(jī)械損耗。長(zhǎng)期不間斷的運(yùn)行加大了對(duì)電網(wǎng)的沖擊壓力，浪費(fèi)巨大的電力。另一方面，惡劣的井下環(huán)境和缺少周期性保養(yǎng)得分問題容易使設(shè)備產(chǎn)生各種故障，輕者造成供液壓力不足重者造成乳化液泵泵頭劈裂損毀，為安全生產(chǎn)埋下隱患。對(duì)此，國(guó)內(nèi)煤企普遍采用具備可靠的安全性能、便于操作、使用壽命較長(zhǎng)的礦用變頻器來保證工作面供液的供需平衡，實(shí)現(xiàn)壓力、流量的自動(dòng)控制，使得在環(huán)境多變的煤礦井下作業(yè)能夠順利開展，達(dá)到降低能耗增加效益的目的，減少環(huán)境的污染，從而使企業(yè)成本降低最大化的獲得收益。

圖1：乳化液泵站配置圖

2 礦用變頻器技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

乳化泵的工作原理和汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理大同小異，大致都是由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)，再經(jīng)曲柄連桿裝置帶動(dòng)柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，柱塞的運(yùn)動(dòng)使泵內(nèi)容積產(chǎn)生變化，泵頭中的乳化液由吸液閥的吸入經(jīng)排液閥轉(zhuǎn)為高壓液體輸出，為液壓支架提高充足的工作壓力和工作流量，保證液壓系統(tǒng)的安全運(yùn)行。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，人們開始轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、價(jià)格低廉的異步電動(dòng)機(jī)，交流傳動(dòng)與控制技術(shù)成為目前發(fā)展最為迅速的技術(shù)之一。

變頻器企業(yè)在配置上為了使產(chǎn)品達(dá)到高效實(shí)時(shí)控制計(jì)算的目的主要采用數(shù)字化的信號(hào)處理器，可以配套各類變送器滿足閉環(huán)控制系統(tǒng)的要求，設(shè)備內(nèi)置現(xiàn)代化的調(diào)節(jié)器和先進(jìn)的無速度傳感器進(jìn)行矢量控制。當(dāng)使用礦用變頻器配備多臺(tái)乳化泵時(shí)，PLC 自動(dòng)化控制器上配備了多個(gè)類型的啟動(dòng)順序，一臺(tái)電機(jī)被設(shè)定為為主機(jī)正常進(jìn)行供液工作，剩下的電機(jī)作為從機(jī)備用滿足功率需要。PLC 控制器自動(dòng)設(shè)置工作循環(huán)順序及作工作方式，保證每臺(tái)乳化液泵可以順利、平穩(wěn)地完成作業(yè)，當(dāng)主機(jī)出現(xiàn)故障或者功率不能達(dá)到生產(chǎn)要求時(shí)，可通過變頻器發(fā)送信號(hào)直接起動(dòng)備用電機(jī)投入工作，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)設(shè)備聯(lián)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。為了有效抑制諧波干擾，采用載波頻率范圍（2～16kHz）的低電感母線技術(shù)，自動(dòng)優(yōu)化調(diào)整轉(zhuǎn)矩降低了機(jī)器運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪音。配備的防爆殼體為了方便現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)和修理采用快開形式，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件調(diào)整。電子觸摸液晶編程屏幕（CCS）技術(shù)提升了用戶的體驗(yàn)、熱插拔設(shè)計(jì)和熱管自然散熱方式極大地兼顧了安全與便利。

3 變頻器技術(shù)應(yīng)用到乳化泵的優(yōu)勢(shì)

礦用隔爆兼本質(zhì)安全型交流變頻器，適用于交流50Hz、額定電壓1140V 的異步電動(dòng)機(jī)，用于變頻三相電動(dòng)機(jī)的連續(xù)變速控制，能實(shí)現(xiàn)正反兩方向運(yùn)行。作為實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的裝置，它最主要的作用是控制速度，起動(dòng)時(shí)對(duì)電流需求較小、具有速度穩(wěn)定、性能可靠的特點(diǎn)，起動(dòng)曲線一般分為兩種，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況調(diào)整切換，大大的減少了對(duì)設(shè)備的張動(dòng)力。目前煤礦中使用的變頻器有交一直一交和交一交變頻器二種，這兩種變頻器的調(diào)速原理都是從根據(jù)電機(jī)的工作特性特點(diǎn)設(shè)計(jì)的，即在額定電壓的供電系統(tǒng)中對(duì)交流感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行調(diào)頻軟啟動(dòng)、調(diào)速、換向、調(diào)節(jié)電機(jī)功率輸出、慣性停車、軟停車等控制。同時(shí)采用數(shù)字化設(shè)計(jì)、自動(dòng)化控制能及時(shí)控制偏差，具有控制精度高，速度響應(yīng)快的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)原電機(jī)直接由工頻驅(qū)動(dòng)時(shí)，滿載時(shí)功率因數(shù)為0.8 左右，實(shí)際運(yùn)行功率因數(shù)遠(yuǎn)低于0.7。采用變頻調(diào)速系統(tǒng)后，電源側(cè)的功率因數(shù)可提高到0.9 以上，無需無功補(bǔ)償裝置就能減少無功功率，大大提高了網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，減少了能量損耗。同時(shí)，可對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)電流不超過電機(jī)額定電流的1.2 倍，適應(yīng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)能力強(qiáng)，電壓工作范圍寬，電網(wǎng)電壓在-15%～+10%之間波動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)可正常運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)無任何沖擊。通過接收乳化泵的反饋信號(hào)自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出頻率，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到高效節(jié)能的效果，延長(zhǎng)了電機(jī)使用壽命。泵站卸壓的次數(shù)減少，延長(zhǎng)了管路的使用壽命，降低設(shè)備出現(xiàn)“爆管”等故障的幾率和各種液壓管路閥門，密封等液壓系統(tǒng)配件的沖擊波磨損程度。它兼有的過流、短路、過壓、欠壓、缺相、過熱等多項(xiàng)保護(hù)功能，在整個(gè)運(yùn)行過程中可保證電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，溫升正常，噪音值與傳統(tǒng)技術(shù)相比較小，極大的改善了工人的施工環(huán)境。

4 礦用變頻器在乳化泵負(fù)載突變狀態(tài)的應(yīng)用分析

變頻技術(shù)投入到泵站改造后，它對(duì)管網(wǎng)壓力與壓力設(shè)定信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)，控制變頻電機(jī)維持在一定的頻率下運(yùn)行，調(diào)整變頻器的輸出頻率使管網(wǎng)的實(shí)際壓力與設(shè)定壓力一致，達(dá)到系統(tǒng)恒壓供液的效果。以BRW400/37.5 型乳化液泵站為例，公稱流量為400L/min，公稱壓力為37.5MPa，配用電動(dòng)機(jī)功率為315kW，工作電壓1140V，運(yùn)行過程中自動(dòng)計(jì)算出變頻恒壓供液所需參數(shù)并自動(dòng)寫入，始終保證乳化泵處于恒壓供液最佳狀態(tài)。為了保證系統(tǒng)壓力波動(dòng)的最小化及系統(tǒng)瞬間供液最大化，始終檢測(cè)乳化液支架進(jìn)液口處的系統(tǒng)壓力和流量。當(dāng)壓力降低、流量減少時(shí)乳化泵進(jìn)入升速過程，大量乳化液迅速供往支架，系統(tǒng)壓力隨之提升。壓力滿足要求時(shí)乳化泵電機(jī)開始逐漸降頻降速，降速時(shí)間15S，運(yùn)行曲線保持在16-50hz 之間；當(dāng)工作面支架不需要大流量時(shí)，泵組在保證電機(jī)散熱與柱塞潤(rùn)滑的前提下維持在一個(gè)較低轉(zhuǎn)速，3 分鐘內(nèi)無變化時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)為待機(jī)監(jiān)控狀態(tài)。當(dāng)工作面系統(tǒng)壓力低于26Mpa 時(shí)，泵組迅速自動(dòng)軟啟動(dòng)提速，提速時(shí)間6S，切換回恒壓供液狀態(tài)。當(dāng)工作面因特殊原因需要大量用液時(shí)，未工作泵組會(huì)自動(dòng)起動(dòng)進(jìn)行壓力補(bǔ)償，系統(tǒng)壓力滿足后該泵組自動(dòng)停止。

液壓支架需要大量乳化液時(shí)，乳化泵迅速提高轉(zhuǎn)速，在高速區(qū)域工作；即能迅速響應(yīng)支架實(shí)際用液都需要，又可以避免大電流低轉(zhuǎn)速下電機(jī)發(fā)熱量無法有效散發(fā)的弊端。此時(shí)卸載閥關(guān)閉，排液閥長(zhǎng)期打開，乳化泵與變頻器處于良性閉環(huán)控制過程。當(dāng)支架一個(gè)動(dòng)作周期內(nèi)各項(xiàng)行程完畢后，在進(jìn)入下一個(gè)新的動(dòng)作周期期間是不需要乳化液的。此時(shí)乳化泵電機(jī)仍在高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，多余的乳化液不能迅速消耗，必定會(huì)推高乳化泵輸出的系統(tǒng)壓力，導(dǎo)致卸載閥在短時(shí)間內(nèi)往復(fù)卸載，負(fù)載電流會(huì)出現(xiàn)巨大波動(dòng)，變頻器主電容會(huì)瞬間產(chǎn)生電壓疊加，以1140V 工作電壓舉例，正常工況直流母線電壓為V2=1140×1.414=1612V，實(shí)際在負(fù)載突變時(shí)電壓瞬間可以達(dá)到3-5倍，極大考驗(yàn)主電容的耐壓能力。在負(fù)載突變過程中，變頻器工作壓力瞬間產(chǎn)生巨大波動(dòng)，平時(shí)穩(wěn)定的升頻和降頻的狀態(tài)被打破，迅速提速或者迅速降速的過程對(duì)電容，IGBT 模塊等都會(huì)產(chǎn)生沖擊，對(duì)電路瞬間耐壓都要有嚴(yán)酷考驗(yàn)，其直流母線必須要消化這種巨大波動(dòng)產(chǎn)生的電壓提升。

為了解決這個(gè)問題，許多企業(yè)采用為程序控制中強(qiáng)化控制環(huán)節(jié)的算法、增加時(shí)間過渡的濾波環(huán)節(jié)、做好支架壓力波動(dòng)的趨勢(shì)算法等方式保證乳化泵響應(yīng)的提前量，減小對(duì)電器元件帶來的壓力。解決負(fù)載突變的根本辦法是乳化泵轉(zhuǎn)速降低前單位時(shí)間內(nèi)避免卸載閥頻繁卸載。主要有兩種途徑，第一種是乳化泵采用電磁卸載。變頻器工作頻率從高速向低速切換過程中產(chǎn)生下降沿時(shí)控制乳化泵卸載閥卸載后不再恢復(fù)供液輸出，直至變頻器觸發(fā)預(yù)設(shè)的低頻報(bào)警后方可允許乳化泵高壓力輸出。這個(gè)過程中因?yàn)橹Ъ軟]有持續(xù)的流量需求，所以系統(tǒng)壓力是不會(huì)降低的；此時(shí)卸載閥只需卸載一次后不產(chǎn)生其它動(dòng)作，等待變頻器發(fā)出已經(jīng)進(jìn)入低頻區(qū)的信號(hào)后恢復(fù)正常排液、卸載過程。如果無法實(shí)現(xiàn)電磁卸載，可以對(duì)控制環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化。預(yù)先設(shè)定一個(gè)滿足系統(tǒng)壓力最低要求的壓力數(shù)值，在變頻器進(jìn)入下降沿但同時(shí)系統(tǒng)壓力保持在最低數(shù)值之上時(shí)，控制系統(tǒng)短時(shí)間內(nèi)退出恒壓供液環(huán)節(jié)，直至變頻器發(fā)出到達(dá)低頻區(qū)域信號(hào)，此時(shí)恢復(fù)恒壓供液狀態(tài)。