Abstract: The study of Jining city, within the scope of various types of coal mine on the motor adopts frequency conversion technology, including the mine main fan, belt conveyor motor, thermal power plant high voltage motor, motor vehicle motor and motor centrifugal cooling fan transformation frequency of.
Key words: Coal mine; Motor; Inverter; Technological transformation
【中圖分類號】TM34 【文獻標識碼】B 【文章編號】1561-0330（2018）03-0000-00
1 引言
近幾年來，地處山東省濟寧市范圍內的兗州礦業（集團）有限責任公司所屬煤礦企業以及其他煤礦協同有關科研單位開展了對電動機采用變頻技術的研究，從電動機技術改造等多個方面總結運行經驗教訓，有效地保障了電動機的安全、優質運行。
2 礦井主通風機的同步電動機高壓變頻裝置
礦井主通風機擔負著井下的主要通風任務，是至關重要的大型安全生產設備，需要長期、連續、安全、可靠的運行，對其可靠安全的控制也就顯得及其重要。目前，國內比較流行的做法就是采用高壓變頻。位于鄒城市的山東里能礦業公司里彥煤礦G4-72-11型離心式主通風機采用2臺6kV、680kW同步電動機驅動，并且采用1供1備的工作方式。為了方便調節風量、節約電能，他們采用高壓變頻器對原有的主通風機系統進行技術改造。
（1）主回路改造方案
該礦主通風機系統采用的高壓變頻選擇了完美無諧波的RHVC串聯疊加高壓變頻器。每套主通風機系統采用大功率變頻器實現無級調速，通過移相變壓器接于6kW電壓等級的主動力電源驅動同步電動機。為了提高安全運行性，此系統增加由3個高壓隔離開關QS1、QS2和QS3組成的旁路，如圖1所示，QS2和QS3不能夠同時閉合，在機械上實現互鎖。變頻運行時，QS1和QS2閉合，QS3斷開；工頻運行的時候，QS3閉合，QS1和QS2斷開。為了實現變頻器的故障保護，變頻器對現場高壓斷路器QF進行連鎖，必要的時候可以跳開QF。電動機工頻運行的時候，變頻器允許QF合閘，撤銷對QF跳閘信號，使得電動機能夠正常通過QF合閘工頻啟動。常規變頻工況，實現單臺電動機的變頻運行及正反轉控制；備用工頻運行，即實現單臺電動機手動切換工頻運行及正反轉控制。
（2）系統組成
這個系統主要由高壓開關柜、移相隔離變壓器、變頻單元功率柜、控制柜、勵磁柜、數據監測柜等組成。6kV系列一般由15個變頻功率單元串聯構成一相，三相采用Y型接法，直接輸出6kV三相交流電給電動機供電。
（3）變頻系統工作原理
此高壓變頻器采用無諧波功率單元串聯多電平技術。由電網送來的三相6kV交流電，經過隔離移相變壓器供給每相4個共計12個單相IGBT逆變器功率單元。本相上的4個功率單元輸出的SPWM波相疊加后，三相采用Y形連接，形成向電壓6kV的高質量正弦波輸出，供給2臺680kW主通風機電動機。主控柜和功率柜之間采用光纖隔離技術，防止電磁干擾。功率單元采用交-直-交變頻技術，單相輸出，IGBT元件采用先進高效的熱管散熱技術，極大提高了工作可靠性。采用IGBT變頻功率單元串聯多重化疊加技術，屬高—高電壓源型變頻器，直接6kV接入，直接6kV高壓輸出。各個IGBT變頻功率單元由輸入隔離變壓器的二次隔離線圈分別供電，額定電壓690V，每相5個，相電壓為3450V，對應的線電壓為6000V。給功率單元供電的二次電壓互相存在1個相位差，實現輸入多重化，可消除各單元產生的諧波，成為真正對電網無污染的“綠色高壓變頻器”。RHVC變頻器由多個690V的IGBT低壓變頻功率單元串聯疊加達到高壓輸出的目的。高壓變頻調速裝置原理框圖如圖2所示。
（4）同步運行特點
變頻器驅動同步電動機調速時，為了解決變頻裝置和同步電動機之間的配合問題，在電動機速度改變的同時，變頻裝置也會協同調節勵磁大小和改變輸出電壓對應值（不是簡單的恒V/F控制）。在某一個設定的頻率點以上范圍運行時，變頻器采集同步電動機的功率因數，通過內置PID控制器實時控制同步電動機的勵磁電流，實現恒功率因數調節，功率因數0.90（超前）。變頻器通過發4～20mA指令給同步電動機的勵磁調節器調節勵磁電流；在此頻率點以下范圍運行的時候，勵磁電流由變頻器根據當前的運行工況，輸出4～20mA信號給同步電動機的勵磁調節器去，采用變頻變勵磁電流調節。調節方式切換由變頻器自動完成，而且調節方式切換點頻率可以通過參數設置。
（5）運行效果
加裝變頻器之后，該礦主通風機系統同步電動機的無功電流僅在同步電動機和變頻器之間流動，不進入電網，變頻調速時勵磁電流的調節無需關心同步電動機的無功電流；經過一段時間的帶載運行，效果良好，在操作臺上就可以通過2個控制按鈕實現遠程控制風機的啟停；通過觀察電流、電壓、轉速、風量，可以分析出風量是否充足穩定，啟動電流和穩定運行電流都大為減少。
3 帶式輸送機電動機應用隔爆變頻調速
兗州礦業（集團）公司機械制修廠生產的帶式輸送機配置4臺大功率電動機驅動裝置（采用3+1模式，3套工作、1套備用）。整部輸送機由3臺電壓為1140/660V異步電動機并聯拖動，通過減速器與輸送機驅動滾筒連接，電動機與減速器、減速器與驅動滾筒之間采用蛇簧聯軸器相連接。該機采用同軸電動機，即2臺電動機同時控制1個驅動滾筒，要求電動機啟動有良好同步性來保證系統功率平衡。通過對各種調速方式分析比較，決定每臺電動機配置1臺QJR400型隔爆變頻調速裝置，采用電動機隔爆變頻調速裝置對輸送機進行調速控制。
電動機隔爆變頻調速裝置的操作可以在本機控制，也可以在遠程控制。此機控制是靠變頻調速系統內置的觸摸屏來設定運行參數。在觸摸屏上進行運行和停止操作。遠控時，通過工作臺對變頻調速系統進行外控操作。應用變頻調速裝置時，一般采用一拖一控制。3臺電動機同時啟動而且2臺電動機同軸時，在電動機隔爆變頻調速裝置之間增加主從控制功能，可任意設置其中1臺為主機、其余2臺為從機。在現場中設置同軸的1臺電動機為主機、其余2臺電動機為從機，同軸的另一臺電動機設置為轉矩跟蹤，不同軸的第三臺設置為速度跟蹤。主機是調速裝置群控中的首機，其它變頻器都是從機。主機只有1臺。運行中只對主機控制，全部從機同步自動跟隨主機動態運行，實現良好的主從關系目標控制運行模式。經過長時間的運行檢驗證明，真正實現電動機軟啟動和帶式輸送機軟啟動合二為一。通過電動機慢速啟動帶動帶式輸送機緩慢啟動，將膠帶內貯存的能量緩慢釋放，幾乎對膠帶不造成損害，設備啟動特性平穩，極大降低設備的維護檢修量，同時節能效果明顯。電動機隔爆變頻調速裝置以其特有的軟啟動特性和較高的性價比，成為礦山井下帶式輸送機驅動的發展方向。
4 熱電廠高壓電動機應用高壓變頻
兗州礦業（集團）公司濟寧三號煤礦煤矸石熱電廠2臺135MW發電機組，每臺機組配置2×6kV/1250kW引風機、2×6kV/1330kW一次風機、2×6kV/900kW二次風機、2×6kV/630kW循環水泵、2×6kV/3600kW給水泵、2×6kV/3150kW凝結水泵。大部分風機和泵采用閥門調節，正常時運行電流略低于電動機額定電流。采用調閥門的方式使電動機處于低負荷運行狀態，電動機的功率因數較低，存在著不合理的運行。這些風機、水泵約占廠內用電功率70%，每年浪費電能高達數百萬元。他們對系統進行合理的高壓電動機變頻改造，運用“一拖一”的方案通過調節電動機工作頻率和風機風量，節電率41%，達到節能降耗的目的。
（1）變頻改造后的系統
①三相6kV高壓交流電通過高壓開關柜送至干式隔離移相變壓器，供給每相5個共計15個單相IGBT逆變器功率單元；采用Y形連接每相5個功率單元輸出的SPWM波相疊加，形成線電壓6kV的高質量正弦波輸出，供給電動機。通過控制此輸出正弦波的電壓幅值與頻率，來控制電動機的轉速。
②變頻器工頻旁路采用高壓真空接觸器，通過轉換開關選擇“手動/自動”旁路功能。
③變頻器輸出接觸器與旁路接觸器之間實現電氣互鎖，防止變頻及工頻同時投入運行。
④變頻器具有標準的RS-485通訊接口，并支持MODBUS-RTU等多種通訊協議，能夠實現與其它廠DCS系統通訊。
⑤通過轉換開關選擇“本機/遠程”控制方式，除具有遠程控制外，變頻器還能夠實現本機控制。
⑥變頻器具有過壓保護、欠壓保護、過載保護、短路保護和超溫保護等完備的保護功能。
（2）變頻改造后的系統特點
變頻改造后，保留原有的電動機繼續使用，不改變原有風機及水泵設備的任何基礎；風機與水泵變頻系統既可以變頻調速運行，也可以旁路直接投入工頻運行，不存在dv/dt問題，對電動機的絕緣無損害，有利于電動機長期可靠運行；由于電壓和頻率均連續可調，電動機的啟動變為軟啟動，啟動電流得到有效的控制，轉矩沖擊不再存在，大幅度減少電氣和機械故障對生產的影響；諧波含量極低，不對電網和其它設備造成干擾，輸入側的功率因數高達0.95以上；現場速度給定信號掉線時，變頻器提供報警的同時，可按原轉速繼續運行，維持風機與水泵運行工況不變；通過變頻調速控制風量，避免能源浪費，節省大量電能；控制電源掉電時，控制系統可以由移相變壓器供電，保證不停機。單元模塊化設計，故障不擴散，恢復故障設備極其簡單方便，更換故障單元僅需幾分鐘；提供標準的通訊接口，實現與后臺的通訊，方便系統集中控制；可以滿足“本機/遠程”操作，通過切換開關選擇，高自動化控制，達到安全、高效、節能的目的，性價比高。
5 煤礦主通風機變頻技術在節能改造
位于鄒城市的山東魯泰煤業公司太平煤礦將變頻調速技術應用于礦井主通風機的節能改造。理論計算及現場實測數據表明，改造以后的主通風機節能效果顯著。
（1）應用背景
①改造前的主通風機狀況。該礦安裝有2臺4-72-11№20B主通風機，1臺工作、1臺備用。配套JS137-8型電動機，額定功率210kW，電壓等級380V，額定轉速735r/min，實測主通風機排風能力Q1=4210m3/min。按煤礦生產安全規程要求的配風量Q2=3410m3/min，利用閘門調節風量，風門開度80%。
②存在的問題。礦井風量是通過調節風門開度來改變風道斷面尺寸實現的，既耗時又費力；電動機采用直接啟動方式，啟動電流為額定電流5～7倍，電動機受到機械、電氣沖擊較大，縮短使用壽命；通過調節風門來改變主通風機工況，電動機仍然以額定轉速運行，多余容量不能利用，浪費電能。
（2）改造方案及節能原理
①改造措施。在主通風機配電柜系統并聯1臺HY-FAN/INV-3.0型變頻控制柜，變頻調速控制器為FRN200P11S-4CX型，額定電壓380V、頻率0～50Hz、額定電流377A。
②工作原理。主通風機啟動時，在變頻器控制下，電動機從1～2Hz低頻啟動，10s內達到設定頻率值；主通風機啟動后，通過對電位器的調節改變變頻器的頻率，從而改變主通風機工作狀態，精確控制風量，使通風系統保持在最佳工作狀態。變頻控制柜上裝有故障報警系統。發生故障時發出聲光報警，并顯示故障原因。變頻控制系統與原有啟動系統并聯安裝，實現2個柜的手動切換功能，在變頻控制系統發生故障時可及時切換到原啟動柜工作。
（3）改造后的效益分析
①理論節能計算。根據風機排風量與轉速之間的關系Q2/Q1=n1/n2，計算得調節后電動機轉速596r/min。根據電動機轉速與頻率的關系n=60f(1-s)/p。式中：f——三相交流電源頻率，一般為50Hz；s——電動機的轉差率，一般異步電動機在額定負載下s=1%～6%；p——電動機的定子磁場對數。計算得變頻器頻率設定在40Hz。根據風機類平方轉矩負載關系式P/P0=(n/n0)3，計算得P=112kW。式中：P0——額定轉速n0時的功率；P——轉速n時的功率。理論節電率為(210-112)/210×100%=47%。
②直接經濟效益。改造前后的電流實測數據如下：A相、B相、C相和平均值在變頻時分別為190A、193A、185A和189A；工頻時分別為290A、294A、290A和292A。節電率=（工頻值-變頻值）/工頻值×100%=36%。改造前的年耗電量（cosΦ=0.887）為1493282.8kW·h，改造后的年耗電量（cosΦ=1）為1089676.0kW·h，年節電量403606.8kW·h，價值242164.08元（按0.6元/kW·h計）。節電效果非常明顯，當年就可收回改造費用。
③間接效益。只需通過變頻器的頻率升降即可達到調整礦井風量的目的，調整方便簡捷，有效提高通風安全性；低頻啟動可以消除50Hz工頻直接啟動對電動機及通風機負載的沖擊，使主通風機的啟動性能更穩定，并減小直接啟動對礦區電網的干擾和沖擊；電動機不用一直工作在額定轉速，運行平穩，極大降低機械磨損，延長設備使用壽命，減少維護費用。
6 電廠廠用電動機高壓變頻改造
兗州礦業（集團）公司南屯煤礦煤矸石熱電廠的主要生產用輔機基本上都是6kV的高壓電動機，其中引風機、進風機和一次風機等全部是通過調節擋板進行運行調節的。調節擋板的開度一般只有30%～60%，節流損失巨大；給水泵容量1600kW，配置該廠容量最大的高壓電動機，其壓力損失高達5MPa。以上電動機總功率11850kW，約占全廠用電功率70%，每年因此浪費的電能非常巨大。為此，他們對送風機、引風機和給水泵3種設備的高壓電動機進行變頻控制技術改造，將廠內高壓電動機用電控制在比較合理的水平。
（1）變頻裝置與電動機的連接方式
一次回路由進線柜、手動切換柜、變頻器和電動機組成，其中的進線柜和電動機由用戶自備。旁路柜的作用是在變頻器維護過程中或變頻器出現故障時，將電動機投入工頻電網運行，保證生產不受影響。進線柜為工頻運行時的電動機，也為變頻運行時的變頻器提供電氣保護，保護整定值以保護電動機為準。變頻運行的時候，變頻器為電動機提供全面的保護，但是變頻器本身的保護（主要是過電壓保護和速斷保護）由進線柜負責，其整定值保持電動機保護值不變。在旁路柜一次回路中共有3個高壓隔離開關。為了確保不向變頻器輸出端反送電，旁路柜兩端的K2與K3采用1個雙投隔離開關，實現自然機械互鎖。當變頻器兩端的K1、K2閉合而K3斷開的時候，電動機變頻運行；當K1、K2斷開而K3閉合時，電動機工頻運行，此時變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護和測試。旁路柜必須與上級高壓斷路器連鎖，旁路柜隔離開關未合到位的時候，不允許上級高壓斷路器合閘；上級高壓斷路器合閘的時候，絕對不允許操作隔離開關，以防止出現拉弧現象，確保操作人員和設備的安全。
（2）實踐效果
這個廠的應用實踐表明：采用高壓變頻調速控制技術對風機和水泵的高壓電動機進行變頻控制，實現了進風風量和給水流量變負荷調節的最佳效果，可以根據流量或者壓力的變化來調節高壓電動機的轉速，降低電能的損耗、節約生產成本、延長設備的使用壽命、減少維護量，2a即可以收回全部投資，為降低熱電廠廠用電率提供良好的途徑。
7 電動機的離心式冷卻風機應用變頻技術
兗州礦業（集團）公司鮑店煤礦通過把變頻器的外部頻率給定端子與電控系統可編程自動化控制器的模擬量輸出端子連接，實現電動機離心式冷卻風機的風量隨著礦井提升機主電動機定子溫度的變化而自動調節，大幅度提高電動機風機的效率，徹底解決風機啟動電流大的問題，基本上是免維護運行。
（1）改造方案
礦井提升機主電動機的冷卻至關重要，設計不當會對電動機造成很大危害。傳統的風門調節風量方式給提升機運行帶來安全隱患。該礦副井2部提升機的主電動機采用離心式風機冷卻方式，利用調節風門開度的大小來調節冷卻風量的多少。在多年的實際運行中發現其存在啟動電流大、風機效率非常低以及風量不能夠自動調節等缺點。經過論證，決定去掉調節風門，改由變頻器來驅動離心式風機的電動機，通過調節電動機的轉動速度來調節冷卻風量；并且將離心式風機變頻器的控制信號引入到提升機的控制系統中，實現離心式風機狀態的實時監控以及風量的自動調節。結合礦井提升系統的實際情況，選用西門子MicroMaster440變頻器，其控制方式為矢量控制，性能穩定可靠。
（2）系統特點
①啟動電流。改造以后，由于在變頻器中設定電動機啟動曲線，離心式風機的電動機不再是全壓啟動，啟動電流由原先600A下降到200A，極大減少對電動機的沖擊。
②變頻器啟動順序。斷開刀閘開關，閉合帶過流保護空氣開關，合上手動開關，變頻器上電。司機通過PLC發出“變頻器啟動”命令，繼電器吸合，變頻器啟動。啟動完畢以后，變頻器“啟動完畢”反饋信號接點閉合，啟動完畢。在PLC程序中，若PLC發出“變頻器啟動”命令6s后，未得到變頻器“啟動完畢”反饋信號，就發出風機故障的信號，并且閉鎖絞車。這時可能是接觸器或者變頻器故障。
③變頻器故障時的風機啟動。風機控制恢復原先方式。啟動順序如下：把風門開度調至15%以下，先合刀閘開關，再合帶過流保護的空氣開關，最后合手動開關，電動機全壓啟動（設置手動開關就是為了在變頻器損壞時可使風機正常啟動）。同時，PLC檢測到刀閘開關所帶輔助接點的信號輸入后，屏蔽檢測變頻器“啟動完畢”信號，僅檢測接觸器輔助接點。
④頻率自動調節。廠家在主電動機的定子和轉子中預埋了Ni100測溫電阻。利用S7-400PLC模擬量輸入模塊很容易檢測到電動機溫度，利用變頻器外部頻率跟定功能可實現頻率隨檢測到的電動機實際溫度自動調節，把PLC的模擬量輸出接點與變頻器頻率給定接點連接，將變頻器頻率給定信號設置為4～20mA電流，連接的PLC模擬量輸出接點輸出信號也設置為4～20mA信號。鮑店煤礦副井提升機的主電動機為B級絕緣，他們在PLC程序設置了溫度高于100℃時PLC模擬量輸出接點輸出18mA信號，即風機以88%額定轉速運行；當主電動機溫度低于20℃時，PLC模擬量輸出接點輸出6mA信號，即風機以12%額定轉速運行；在20～100℃之間，風機電動機速度分成5段。
⑤保護功能。a.風機的狀態監控。在接觸器的吸合信號和變頻器啟動反饋信號均傳到PLC時，系統才認為通風系統正常；變頻器損壞時，系統只檢測接觸器的狀態；若在絞車提升過程中檢測到風，溫度不超過115℃時允許本次提升，完成后閉鎖絞車。b.絞車主電動機溫度保護設置。主電動機溫度過115℃的時候，控制系統產生電氣制動。
8 煤礦電機車電動機應用變頻調速技術
電機車是煤礦地面和井下軌道運輸的主要牽引設備。其中，架線式牽引機車多年來一直沿用結構復雜、故障率高和維修費用大的直流電動機，而且目前國內絕大多數礦山牽引機車還在使用觸頭電阻調速方式，處于耗電量大與維修量大的狀態。變頻調速牽引機車采用了故障率低和性能可靠的三相異步交流鼠籠式電動機，結合技術先進與節電效果顯著的變頻調速器，取代直流電機車落后的驅動技術，達到當代世界先進技術水平。山東科技大學和兗州礦業（集團）公司機械制修廠對變頻調速技術在礦山牽引電機車上的應用情況進行了分析研究。
（1）電機車電動機變頻調速的特點。
這種系列支流電機車的變頻調速器是采用世界最先進的DTC變頻調速技術，配備了進口原裝全套控制電路及進口智能型IGBT模塊元件研制而成的。DTC控制技術使三相鼠籠交流電動機超過直流電動機的啟動轉矩，滿足電機車在低速時的最大啟動牽引力。其特點如下：實現無級調速，最低可調頻率0.1Hz，車輪最低轉速可調至0.5r/min；無級別實現任何車速限制，下坡行駛限速可靠、效果優良；電動機轉速與控制器指令保持一致，調速器手把打到零位即實現制動，機車由高速轉向低速時能有效克服慣性；調速器具有電動機短路、缺相、過電壓、欠電壓保護功能，當操作不當致使變頻器溫度≥85℃時，調速器自動封鎖輸出。
（2）直接轉矩控制的特點
調速技術經歷4代發展為直接轉矩控制（DTC），在很大程度上克服了第三代矢量控制（POC）的缺點，成為交流電動機調速控制的又一次突破，正成為電力電子與電力傳動領域應用的熱點。直接轉矩控制直接在定子坐標系下分析交流電動機的數學模型、控制電動機的磁鏈和轉矩，所需信號處理特別簡單，所用控制信號使觀察者對交流電動機的物理過程能夠做出直接和明確的判斷；直接轉矩控制磁場定向所用的是定子磁鏈，只要知道定子電阻就能觀察出來；直接轉矩控制采用空間矢量概念分析三相交流電動機的數學模型和控制各物理量，使問題變得簡單明了；直接轉矩控制強調的是轉矩的直接控制效果。
（3）礦用電機車應用DTC控制技術
由于工作環境特點所致，礦用電機車調速系統處于頻繁的啟動、制動和加減速等狀態，還要適應負荷上下坡和顛簸路況等情況，因此要求電動機啟動轉矩大、過載能力強。另外，調速系統不但需要能夠四象限運行，還需要能夠再生制動到低速。這樣，當負載轉矩增大的時候，轉速就能夠迅速下降，而電動機的輸出功率基本不變，從而使得電動機不容易因負載增大而引起過載。反之，當負載變小的時候，電動機的轉速能夠自然上升，以利于提高生產效率。此外，為了防止主輪打滑，調速系統還應當考慮具有最大轉矩限幅的功能。由于逆變器和電動機都安裝在電機車上，所以整個調速系統應當盡可能設計得體積小、重量輕、硬件結構簡單和控制方便。對于直接轉矩控制而言，在高速運行階段，除了電動機定子電阻，不需要知道其它參數，所以直接轉矩控制對電動機參數的依賴性比矢量控制要低許多。其產品包括5t、8t和10t隔爆型電動機斬波調速控制裝置，目前已經廣泛用于以電池為動力源的、交流電動機牽引驅動的礦山電機車上。
（4）體會
利用這種調速器控制的各類電機車，可以有效地解決牽引電動機低速啟動力矩低、帶速度啟動、掉電再啟動及系統防塵、防水、防振等問題，具備過流、過壓等全面保護功能。這種電機車采用我國先進的DTC低速高轉矩變頻調速技術，將架線或者蓄電池的直流電通過大功率IGBT元件逆變為功率可調的三相交流電，驅動三相異步電動機。由于采用DTC控制技術，使得三相異步電動機達到和超過直流電動機的啟動轉矩及牽引特性（如1Hz時最大轉矩可以達到額定值300%，是直流電動機1.66倍），使電機車帶重載啟動強勁有力。它與傳統的直流電機車相比，具有交流電動機不容易損壞、司機控制器無觸頭無磨損以及不用高耗能調速電阻的特點，屬于高可靠、高能、高節電的設備。
