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摘要：機電設備是煤礦的重要組成部分，為了加深對煤礦機電設備運行的了解，采用文獻查閱法分析煤礦機電設備中高壓變頻器的選型與運用，明確高壓變頻器的負載、功率、控制方式這3大選型依據，以及它在提升機、輸送機、流體負荷設備中的實際運用，希望能夠強化煤礦機電設備節能改造，發揮設備的最大效能，提高煤礦生產效益。

關鍵詞：煤礦；機電設備；高壓變頻器；節能；調速

0引言

煤礦機電設備普遍存在電能浪費現象，設備調速方式相對落后，縮短了煤礦機電設備的使用年限，降低煤礦企業綜合生產效益。為從根本上解決這些問題，減少電能消耗，在煤礦生產實踐中加強對高壓變頻器選型與運用的研究，強化高壓變頻器的節能與調速功能。因此，通過本文的研究，充分了解高壓變頻器對設備選型的重要意義與作用，更好的應用于企業生產中。

1高壓變頻器基本分析

變頻器主要是通過電力半導體器件本身帶有的通斷作用，讓工頻電源能直接替換成為另外一種頻率的電能控制裝置。隨著現代微電子技術以及電力電子技術的不斷發展，高壓大功率的變頻調速裝置也逐漸成熟起來，在各領域得到充分的應用，原本很難解決的高壓問題，在最近幾年利用單元串聯或者期間串聯都得到了妥善的解決。高壓變頻器包含了諸多種類。根據中間環節是否有直流部分，可將高壓變頻器劃分成交直交變頻器和交交變頻器；根據有無中間低壓回路，可以將高壓變頻器劃分為高低高變頻器和高高變頻器；基于直流部分的性質，可以將高壓變頻器劃分為電壓型變頻器和電流型變頻器；根據嵌位的方式，可以將高壓變頻器劃分為電容嵌位變頻器和二極管嵌位變頻器；根據電壓的用途和等級，可以直接將高壓變頻器劃分為高壓變頻器與通用變頻器。

2高壓變頻器在煤礦機電設備中的選型

高壓變頻器是以電力半導體通斷功能為基礎轉換頻率的一種控制儀器，通常由變壓器柜和功率柜、控制柜組成[1]。其中功率柜里有3組功率單元，負責輸出所需電壓，變壓器柜則給功率柜提供內部功率單元所需能量，控制柜對功率進行不斷的整流、逆變及檢測等處理，工作原理如圖1所示。在煤礦機電設備方面運用高壓變頻器，如何選型是關鍵性問題，通常按照3種依據選型。（1）負載選型。依據煤礦機電設備負載，選擇高壓變頻器是重要選型途徑之一。機電設備負載主要有分轉矩、恒功率、降轉矩這3種，通常各類負載下的機電設備可選擇通用高壓變頻器，通過控制U/f實現恒功率負載[2]。（2）功率選型。如果變頻和電機功率相等，應選擇對高壓變頻器運行有利的類型；如變頻和電機功率存在較大差異，所選高壓變頻器的功率應和電機功能相近；如電動機啟動頻繁或工作頻繁，應選擇功率更大的高壓變頻器；如電機有剩余功率，所選高壓變頻器的功率應小于電動機功率；如功率不同，應考慮啟動電機時峰值電流對高壓變頻器產生的影響，做好節能調節工作。（3）控制選型。高壓變頻器的控制方式以開環控制、閉環控制為主[3]。前者主要使用無速度傳感器的矢量控制，以及普通的U/f控制方式，結構簡單，有較高的運行可靠性，但調速精度較差，并且動態響應不佳，無法在低調速區域得到良好運用；后者主要使用有速度傳感器矢量控制、附帶PID控制器的U/f控制方式，調速范圍大、精度較高，并且有良好的動態響應性，只是適用范圍較小，僅限于對應壓力、流量、速度、pH值等。

3高壓變頻器在煤礦機電設備中的運用

在煤礦領域運用高壓變頻器，促進了電子技術、微機技術的融合，在機電設備和強弱電流混合時影響設備的電能消耗，使其更好地實現節能和安全運行[4]。高壓變頻器主要運用于礦井提升機、帶式輸送機、流體負荷類設備3個方面，通過具體的分析與探討，明確高壓變頻器的作用，達成既定的目標。

3.1運用于煤礦礦井提升機

在礦井提升機中運用高壓變頻器，可按照其輸出電壓信號的變動，實現對提升機升降狀態的自主調控[5]。例如，當提升機高壓運行時，高壓變頻器可通過低頻率運行讓低壓進入安靜狀態，同時通過信號記錄顯示提升機高壓運行的信號。運用高壓變頻器還能滿足提升機軟啟動要求，科學調控其運行速度，保證其安全可靠地運行。在該過程中，要保留液壓機械制動，將其與高壓變頻器制動整合，原理如圖2所示。在提升機運行環節，井下、井口務必要通過信號聯絡，沒有確認信號，不能讓提升機運行，運用高壓變頻器緩解采煤機的振動、沖擊，并通過變頻調速功能自動調控設備提升速度，大幅度提高工作效率[6]。

3.2運用于煤礦帶式輸送機

帶式輸送機在煤礦生產中是一種關鍵機電設備，需要大量電能支撐其運行，特別是煤礦長距離輸送消耗的電能更多，內部制動器運行負荷極大。所以在帶式輸送機中運用高壓變頻器，可以促進長距離輸送的軟啟動和低速空載運行等的實現，并使輸送機保持穩定運行狀態，達到自動連續工作的目的[7]。例如膠帶輸送機是煤流運輸系統最主要的設備，液力耦合器在工頻的拖動下傳動，交流電機就是其動力裝置，不過其啟動電流較大、傳動效率較低、機械沖擊較大，加上輸送距離長、負載重、傾角大，容易引發重載或帶載啟停問題，提高跑帶、斷帶等事故的發生率。運用高壓變頻器能實現帶式輸送機的軟啟動，使其平穩啟動、平穩運行，通過變頻控制徹底消除原有安全隱患。西山煤電集團為了進一步加快轉型發展進程，就針對多座煤礦進行了改造。所屬煤礦選擇使用西門子羅賓康高壓變頻器、減速器，以及國內的高壓電動器，變頻器電壓為6kV和10kV（分別為36和48脈沖整流，實現帶式輸送機軟啟動和變速運行，提升自動化水平和可靠性。礦內所使用的帶式輸送機，因為有中間驅動，其實際的功率超過10000kW，驅動單元直接安排在中間和頭部，頭部3臺電動機驅動2個滾筒，中部3臺電動機分別驅動3個滾筒；變頻器都安裝在頭部井口，中間驅動通過電纜連接變頻器；其他2條都是頭部驅動，4臺電動機驅動2個滾筒，每條帶式輸送機都配有1個備用變頻器或備用驅動，滿足帶式輸送機軟啟動以及變速運行的要求，最終提高帶式輸送機的技術水平與相應的性能。主要參數見表1。帶式輸送機搭配高壓變頻器，可以滿足軟啟動的要求，實現帶式輸送機的變速運行，并且高壓變頻傳動效率良好，啟動性能佳，擁有較強的自動化控制能力。西門子羅賓康高壓變頻器可承受45%的電源電壓下降，而增加1臺備用變頻器，可大幅提高變頻傳動和傳動系統的可靠性。

3.3運用于流體負荷類設備

煤礦機電設備系統中的流體負荷類設備主要有礦井水泵、通風機等。在水泵中運用高壓變頻器，可以平滑控制其啟停狀態，節省維修費用。因為水泵負責抽送礦井中的液體，把機械能轉變成液體能量，它不僅可以輸送液體，還能使液體增壓，在煤礦的給水與給液中起到重要作用。以前水泵的空轉時間較長，啟停頻繁，耗費大量電能，經常發生故障，運用高壓變頻器可以有效控制其啟停和減速，讓礦井下的液位保持穩定狀態，縮短水泵空轉的時間，提高其運行效率，減少故障，操作簡便。在通風機中運用高壓變頻器，可以根據礦井的采掘工作面、開拓布局等情況，根據礦井生產需求靈活調整整個通風系統的負壓、風量，確保通風機安全運行。通過對相關參數的綜合考慮，多余轉矩會產生對應功率消耗，利用高壓變頻器調節通風機的入口和出口擋板、水泵，進而調節礦井中風和水的壓力、流量等參數，達到節能減排的效果。在礦井流體負荷類設備中運用高壓變頻器，發揮高壓變頻器的變頻調速功能，加強電能強弱控制與管理。運用電力半導體器件通斷，能在控制工頻電源的過程中形成電能控制裝置。通過煤礦風機交流就能把電壓變成普通直流電壓，通過頻率的改變和電壓的實現，形成驅動電能，出現無極調速電壓需求點，創新機電設備調速方式。除此以外，在高壓變頻器的綜合運用中，改變煤礦機電設備負載，可以形成自動化減速模式，特別是運用現代化技術更換功率器的GTR和IGBT等控制方式，形成智能化功率模塊，創新網絡化處理，再通過處理數字信號、高級集成電路，形成有效的基本調速控制方式，依托計算機系統中的編程處理、參數識別等方式，獲取自動化運行效果。

4結語

在煤礦機電設備中選擇合理的高壓變頻器，是煤礦企業在煤礦生產中運用高壓變頻技術的核心。通過在主要系統中廣泛使用變頻技術，不僅改善機電設備的性能，提升了礦井裝備水平，確保煤礦安全生產、節能增效，為煤礦企業順利完成生產目標提供可靠支撐。然而當前高壓變頻技術的發展水平對持續提升煤礦機電設備運行效能而言還遠遠不夠，在今后的研究中應持續改進高壓變頻設備，提高變頻技術運用水平，確保高壓變頻器更好地服務于煤礦機電設備，優化煤礦生產。

作者:吳貴鵬 單位:山西晉神沙坪煤業