淺談變頻及脈沖調速技木在煤礦機電中的節能作用

　　煤礦節能降耗業已成為企業降低生產成本、提高產品質量，實現科學發展的必由之路。利用變頻及IGBT脈沖調速技術，對煤礦現有運輸設備進行技術改造，提高效率、節省電費是關鍵。

　　1、架線電機車IGBT脈沖調速應用

　　1）應用范圍。在低瓦斯礦井生產過程中，架線電機車主要作為牽引運輸工具，從而完成礦井生產運輸矸石、半巖煤、物料以及人員拉運和接送任務，它在礦井運輸中發揮著重要的作用。因此，IGBT脈沖調速裝置可在礦井下運輸上擔當此重任，并可以大面積的推廣應用。

　　2）調速原理。目前，煤礦井下直流架線電機車調速器采用兩種結構，即：電阻調速和可控硅脈沖調速。電阻調速的缺點是機車運行時其電機串聯電阻消耗電能，并且觸頭式控制器的維修量也大。可控硅脈沖調速器的缺點是：可控硅工作頻率（300HZ）低，電路中濾波電抗、濾波電容、換向電抗、換向電容的電感也很大，體積太大（一般分為三個部分：即電容箱、主電路箱、控制器）。由于可控硅關斷需要耗能，因而其效率也低。

　　調速工作原理是：直流電機通過IGBT，限流電路與直流電源形成回路，脈寬調制電路產生8000Hz的脈沖頻率來控制IGBT的導通與關斷的時間，即調整脈沖寬度的占空比。脈沖寬度越寬，在電機上所產生的電壓就越高；脈沖寬度越窄，電機上的電壓就越低，這樣便達到改變電機轉速的目的。當電機發生過流或電機損壞短路時，保護電路會使脈寬調制電路產生的脈沖寬度迅速變窄或截止以可靠的保護IGBT。IGBT脈沖調速方式解決了上述兩種機車調速的缺點，改變了原有狀況，其技術水平比較領先。

　　3）組成及技術參數。本調速器主要由四部分組成：①直流輸入及濾波電路；（2）IGBT主控斬波電路；③限流保護電路；④脈寬調制電路。

　　主要技術參數：①直流架線250V電壓波動范圍：150—350V；②10t機車額定工作電流：250V。220A；③調壓范圍：5-95%UDC；④制動方式：兩級能耗制動；⑤工作頻率：8KC；⑥工作條件：連續。

　　4）項目的關鍵要點。通過IGBT脈沖調速裝置在機車方面的推廣應用，項目改進后提高了機車工作效率，確保了機車運輸安全，降低了能耗，減輕了維修維護工作等。

　　IGBT具有正的溫度系數無二次電壓擊穿，因此可靠性很高。由于IGBT是給信號就通，停信號就斷，所以不需要用電抗電容器組成的充放電關斷電路，其工作頻率（可達數萬Hz）很高，并且效率（可達98%）也很高。

　　5）項目的技術水平。與現有同類技術的全面比較。通過IGBT脈沖調速裝置的推廣應用，實現了把直流電變成頻率可調的交流電，最后再把交流電變成所需電壓等級的直流電。彌補了早期架線電機車調速性能不好弊端，改變了原有調速器體積大、難搬運的缺點。實現了機車啟動、停車平穩，提高了機車工作效率，確保了礦井機車運輸安全，降低了能耗，提高了使用壽命，創造了更高的經濟價值。

　　2、提升絞車變頻調速的應用

　　運輸提升絞車通常采用繞線式電動機作為主驅動，主要用于提升或下降重物，具有典型的位能負載特性，是煤礦的通用設備。

　　1）現有絞車調速狀況。由于啟動及調速等方面的需要，通常都是在線繞式電動機的轉子回路串接電阻，來改變電機的輸出轉矩，從而降低電機啟動電流，以實現小范圍的轉差變速，去適應負載的突變持性，并實現電動機的分級調整。這種控制方式帶來如下弊端：轉子回路串接電阻，消耗電能，造成能源浪費。電阻分級切換，實現有級調速，設備運行不平穩，引起電氣及機械沖擊。低速轉矩小，轉差功率大，啟動電流和換檔電流沖擊大，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速不連續，容易掉道，故障率高。對于24h連續作業的礦井下生產，即使短時間的停機維修也會給生產帶來很大損失。再生發電時，機械能回饋電網，造成電網功率因數低。尤其在供電饋線較長的應用場合，會加大變壓器、供電線路等方面的投資。

　　2）變頻調速改造方案。該系統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、濾波和正常逆變三大部分組成。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，起到調速作用。（2）絞車電機作為發電機的過程，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。其中該部分的整流是由正常逆變部分中IGBT的續流二極管完成。電解電容的主要作用是為回饋逆變部分提供一個穩定的電壓源，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，變頻器對輸入電源的相位、電網電壓波動幅值進行實時檢測，實現回饋逆變輸出電壓相位與電網電壓相位的一致。為保證逆變的正常工作以及減少對電網的污染，設有輸出濾波部分，使回饋的能量保持平滑性，避免回饋能量對電網的騷擾作用。

　　3）變頻調速技術的優點

　?。?）寬電網電壓：±20%電壓，可從容應付不同的電網狀況。

　?。?）軟啟動功能，減少了設備起動時大電流對電網的浪涌沖擊和機械沖擊。減輕了對電網的沖擊和對供電容量的要求，加、減速過程平滑，保護了電機，降低電機維護費用。

　?。?）降低電機噪音及機械震動。低速時，電機的轉矩加大，運轉更穩定、不共振、溫升低，可延長設備使用壽命。

　?。?）輸入諧波小，高功率因數。

　?。?）具有完善、可靠、人性化的保護功能，如電動機過載保護，瞬時過流、過載保護，過壓失速保護，電流限幅保護，自動轉矩補償保護等，有效地保護供電、配電設備和電機安全運行。

　?。?）效率高，無附加轉差損耗，調速范圍大、精度高、無級調速。

　?。?）故障率低。低故障率可節省設備檢修、維護費用。

　　3、節約效果明顯、前景廣闊

　　由于該調速器免去了調速電阻箱，所以節電率高達35%，按10t電機車的2臺24kW電機每天運行18h計算，日可節電302.4kWh。如電費按0.5 N/kWh計算，日節電費151.2元，年節電費55188元。通過對電機變頻調速可平均節能30%以上。

　　目前，煤礦的一些變頻調速技術已經成熟，將逐步在煤礦機電設備中引入變頻調速技術并將在煤礦中推廣使用。