關(guān)鍵詞：煤礦；電動(dòng)機(jī)；變頻；技術(shù)改造

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(hào)】TM34 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B  【文章編號(hào)】1561-0330（2018）03-0000-00

1 引言

近幾年來，地處山東省濟(jì)寧市范圍內(nèi)的兗州礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司所屬煤礦企業(yè)以及其他煤礦協(xié)同有關(guān)科研單位開展了對(duì)電動(dòng)機(jī)采用變頻技術(shù)的研究，從電動(dòng)機(jī)技術(shù)改造等多個(gè)方面總結(jié)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，有效地保障了電動(dòng)機(jī)的安全、優(yōu)質(zhì)運(yùn)行。

2 礦井主通風(fēng)機(jī)的同步電動(dòng)機(jī)高壓變頻裝置

礦井主通風(fēng)機(jī)擔(dān)負(fù)著井下的主要通風(fēng)任務(wù)，是至關(guān)重要的大型安全生產(chǎn)設(shè)備，需要長期、連續(xù)、安全、可靠的運(yùn)行，對(duì)其可靠安全的控制也就顯得及其重要。目前，國內(nèi)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(yè)公司里彥煤礦G4-72-11型離心式主通風(fēng)機(jī)采用2臺(tái)6kV、680kW同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，并且采用1供1備的工作方式。為了方便調(diào)節(jié)風(fēng)量、節(jié)約電能，他們采用高壓變頻器對(duì)原有的主通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造。

（1）主回路改造方案

該礦主通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)采用的高壓變頻選擇了完美無諧波的RHVC串聯(lián)疊加高壓變頻器。每套主通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)采用大功率變頻器實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，通過移相變壓器接于6kW電壓等級(jí)的主動(dòng)力電源驅(qū)動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)。為了提高安全運(yùn)行性，此系統(tǒng)增加由3個(gè)高壓隔離開關(guān)QS1、QS2和QS3組成的旁路，如圖1所示，QS2和QS3不能夠同時(shí)閉合，在機(jī)械上實(shí)現(xiàn)互鎖。變頻運(yùn)行時(shí)，QS1和QS2閉合，QS3斷開；工頻運(yùn)行的時(shí)候，QS3閉合，QS1和QS2斷開。為了實(shí)現(xiàn)變頻器的故障保護(hù)，變頻器對(duì)現(xiàn)場高壓斷路器QF進(jìn)行連鎖，必要的時(shí)候可以跳開QF。電動(dòng)機(jī)工頻運(yùn)行的時(shí)候，變頻器允許QF合閘，撤銷對(duì)QF跳閘信號(hào)，使得電動(dòng)機(jī)能夠正常通過QF合閘工頻啟動(dòng)。常規(guī)變頻工況，實(shí)現(xiàn)單臺(tái)電動(dòng)機(jī)的變頻運(yùn)行及正反轉(zhuǎn)控制；備用工頻運(yùn)行，即實(shí)現(xiàn)單臺(tái)電動(dòng)機(jī)手動(dòng)切換工頻運(yùn)行及正反轉(zhuǎn)控制。

 

（2）系統(tǒng)組成

這個(gè)系統(tǒng)主要由高壓開關(guān)柜、移相隔離變壓器、變頻單元功率柜、控制柜、勵(lì)磁柜、數(shù)據(jù)監(jiān)測柜等組成。6kV系列一般由15個(gè)變頻功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相，三相采用Y型接法，直接輸出6kV三相交流電給電動(dòng)機(jī)供電。

（3）變頻系統(tǒng)工作原理

 

此高壓變頻器采用無諧波功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)。由電網(wǎng)送來的三相6kV交流電，經(jīng)過隔離移相變壓器供給每相4個(gè)共計(jì)12個(gè)單相IGBT逆變器功率單元。本相上的4個(gè)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(zhì)量正弦波輸出，供給2臺(tái)680kW主通風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)。主控柜和功率柜之間采用光纖隔離技術(shù)，防止電磁干擾。功率單元采用交-直-交變頻技術(shù)，單相輸出，IGBT元件采用先進(jìn)高效的熱管散熱技術(shù)，極大提高了工作可靠性。采用IGBT變頻功率單元串聯(lián)多重化疊加技術(shù)，屬高—高電壓源型變頻器，直接6kV接入，直接6kV高壓輸出。各個(gè)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(gè)，相電壓為3450V，對(duì)應(yīng)的線電壓為6000V。給功率單元供電的二次電壓互相存在1個(gè)相位差，實(shí)現(xiàn)輸入多重化，可消除各單元產(chǎn)生的諧波，成為真正對(duì)電網(wǎng)無污染的“綠色高壓變頻器”。RHVC變頻器由多個(gè)690V的IGBT低壓變頻功率單元串聯(lián)疊加達(dá)到高壓輸出的目的。高壓變頻調(diào)速裝置原理框圖如圖2所示。

 

（4）同步運(yùn)行特點(diǎn)

變頻器驅(qū)動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)，為了解決變頻裝置和同步電動(dòng)機(jī)之間的配合問題，在電動(dòng)機(jī)速度改變的同時(shí)，變頻裝置也會(huì)協(xié)同調(diào)節(jié)勵(lì)磁大小和改變輸出電壓對(duì)應(yīng)值（不是簡單的恒V/F控制）。在某一個(gè)設(shè)定的頻率點(diǎn)以上范圍運(yùn)行時(shí)，變頻器采集同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)，通過內(nèi)置PID控制器實(shí)時(shí)控制同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流，實(shí)現(xiàn)恒功率因數(shù)調(diào)節(jié)，功率因數(shù)0.90（超前）。變頻器通過發(fā)4～20mA指令給同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流；在此頻率點(diǎn)以下范圍運(yùn)行的時(shí)候，勵(lì)磁電流由變頻器根據(jù)當(dāng)前的運(yùn)行工況，輸出4～20mA信號(hào)給同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器去，采用變頻變勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)方式切換由變頻器自動(dòng)完成，而且調(diào)節(jié)方式切換點(diǎn)頻率可以通過參數(shù)設(shè)置。

（5）運(yùn)行效果

加裝變頻器之后，該礦主通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)同步電動(dòng)機(jī)的無功電流僅在同步電動(dòng)機(jī)和變頻器之間流動(dòng)，不進(jìn)入電網(wǎng)，變頻調(diào)速時(shí)勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié)無需關(guān)心同步電動(dòng)機(jī)的無功電流；經(jīng)過一段時(shí)間的帶載運(yùn)行，效果良好，在操作臺(tái)上就可以通過2個(gè)控制按鈕實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制風(fēng)機(jī)的啟停；通過觀察電流、電壓、轉(zhuǎn)速、風(fēng)量，可以分析出風(fēng)量是否充足穩(wěn)定，啟動(dòng)電流和穩(wěn)定運(yùn)行電流都大為減少。

3 帶式輸送機(jī)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用隔爆變頻調(diào)速

兗州礦業(yè)（集團(tuán)）公司機(jī)械制修廠生產(chǎn)的帶式輸送機(jī)配置4臺(tái)大功率電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置（采用3+1模式，3套工作、1套備用）。整部輸送機(jī)由3臺(tái)電壓為1140/660V異步電動(dòng)機(jī)并聯(lián)拖動(dòng)，通過減速器與輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒連接，電動(dòng)機(jī)與減速器、減速器與驅(qū)動(dòng)滾筒之間采用蛇簧聯(lián)軸器相連接。該機(jī)采用同軸電動(dòng)機(jī)，即2臺(tái)電動(dòng)機(jī)同時(shí)控制1個(gè)驅(qū)動(dòng)滾筒，要求電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)有良好同步性來保證系統(tǒng)功率平衡。通過對(duì)各種調(diào)速方式分析比較，決定每臺(tái)電動(dòng)機(jī)配置1臺(tái)QJR400型隔爆變頻調(diào)速裝置，采用電動(dòng)機(jī)隔爆變頻調(diào)速裝置對(duì)輸送機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。

電動(dòng)機(jī)隔爆變頻調(diào)速裝置的操作可以在本機(jī)控制，也可以在遠(yuǎn)程控制。此機(jī)控制是靠變頻調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)置的觸摸屏來設(shè)定運(yùn)行參數(shù)。在觸摸屏上進(jìn)行運(yùn)行和停止操作。遠(yuǎn)控時(shí)，通過工作臺(tái)對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行外控操作。應(yīng)用變頻調(diào)速裝置時(shí)，一般采用一拖一控制。3臺(tái)電動(dòng)機(jī)同時(shí)啟動(dòng)而且2臺(tái)電動(dòng)機(jī)同軸時(shí)，在電動(dòng)機(jī)隔爆變頻調(diào)速裝置之間增加主從控制功能，可任意設(shè)置其中1臺(tái)為主機(jī)、其余2臺(tái)為從機(jī)。在現(xiàn)場中設(shè)置同軸的1臺(tái)電動(dòng)機(jī)為主機(jī)、其余2臺(tái)電動(dòng)機(jī)為從機(jī)，同軸的另一臺(tái)電動(dòng)機(jī)設(shè)置為轉(zhuǎn)矩跟蹤，不同軸的第三臺(tái)設(shè)置為速度跟蹤。主機(jī)是調(diào)速裝置群控中的首機(jī)，其它變頻器都是從機(jī)。主機(jī)只有1臺(tái)。運(yùn)行中只對(duì)主機(jī)控制，全部從機(jī)同步自動(dòng)跟隨主機(jī)動(dòng)態(tài)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)良好的主從關(guān)系目標(biāo)控制運(yùn)行模式。經(jīng)過長時(shí)間的運(yùn)行檢驗(yàn)證明，真正實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)和帶式輸送機(jī)軟啟動(dòng)合二為一。通過電動(dòng)機(jī)慢速啟動(dòng)帶動(dòng)帶式輸送機(jī)緩慢啟動(dòng)，將膠帶內(nèi)貯存的能量緩慢釋放，幾乎對(duì)膠帶不造成損害，設(shè)備啟動(dòng)特性平穩(wěn)，極大降低設(shè)備的維護(hù)檢修量，同時(shí)節(jié)能效果明顯。電動(dòng)機(jī)隔爆變頻調(diào)速裝置以其特有的軟啟動(dòng)特性和較高的性價(jià)比，成為礦山井下帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)展方向。

4 熱電廠高壓電動(dòng)機(jī)應(yīng)用高壓變頻

 

兗州礦業(yè)（集團(tuán)）公司濟(jì)寧三號(hào)煤礦煤矸石熱電廠2臺(tái)135MW發(fā)電機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組配置2×6kV/1250kW引風(fēng)機(jī)、2×6kV/1330kW一次風(fēng)機(jī)、2×6kV/900kW二次風(fēng)機(jī)、2×6kV/630kW循環(huán)水泵、2×6kV/3600kW給水泵、2×6kV/3150kW凝結(jié)水泵。大部分風(fēng)機(jī)和泵采用閥門調(diào)節(jié)，正常時(shí)運(yùn)行電流略低于電動(dòng)機(jī)額定電流。采用調(diào)閥門的方式使電動(dòng)機(jī)處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)較低，存在著不合理的運(yùn)行。這些風(fēng)機(jī)、水泵約占廠內(nèi)用電功率70%，每年浪費(fèi)電能高達(dá)數(shù)百萬元。他們對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行合理的高壓電動(dòng)機(jī)變頻改造，運(yùn)用“一拖一”的方案通過調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)工作頻率和風(fēng)機(jī)風(fēng)量，節(jié)電率41%，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

（1）變頻改造后的系統(tǒng)

①三相6kV高壓交流電通過高壓開關(guān)柜送至干式隔離移相變壓器，供給每相5個(gè)共計(jì)15個(gè)單相IGBT逆變器功率單元；采用Y形連接每相5個(gè)功率單元輸出的SPWM波相疊加，形成線電壓6kV的高質(zhì)量正弦波輸出，供給電動(dòng)機(jī)。通過控制此輸出正弦波的電壓幅值與頻率，來控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

②變頻器工頻旁路采用高壓真空接觸器，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇“手動(dòng)/自動(dòng)”旁路功能。

③變頻器輸出接觸器與旁路接觸器之間實(shí)現(xiàn)電氣互鎖，防止變頻及工頻同時(shí)投入運(yùn)行。

④變頻器具有標(biāo)準(zhǔn)的RS-485通訊接口，并支持MODBUS-RTU等多種通訊協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)與其它廠DCS系統(tǒng)通訊。

⑤通過轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇“本機(jī)/遠(yuǎn)程”控制方式，除具有遠(yuǎn)程控制外，變頻器還能夠?qū)崿F(xiàn)本機(jī)控制。

⑥變頻器具有過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過載保護(hù)、短路保護(hù)和超溫保護(hù)等完備的保護(hù)功能。

（2）變頻改造后的系統(tǒng)特點(diǎn)

變頻改造后，保留原有的電動(dòng)機(jī)繼續(xù)使用，不改變?cè)酗L(fēng)機(jī)及水泵設(shè)備的任何基礎(chǔ)；風(fēng)機(jī)與水泵變頻系統(tǒng)既可以變頻調(diào)速運(yùn)行，也可以旁路直接投入工頻運(yùn)行，不存在dv/dt問題，對(duì)電動(dòng)機(jī)的絕緣無損害，有利于電動(dòng)機(jī)長期可靠運(yùn)行；由于電壓和頻率均連續(xù)可調(diào)，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)變?yōu)檐泦?dòng)，啟動(dòng)電流得到有效的控制，轉(zhuǎn)矩沖擊不再存在，大幅度減少電氣和機(jī)械故障對(duì)生產(chǎn)的影響；諧波含量極低，不對(duì)電網(wǎng)和其它設(shè)備造成干擾，輸入側(cè)的功率因數(shù)高達(dá)0.95以上；現(xiàn)場速度給定信號(hào)掉線時(shí)，變頻器提供報(bào)警的同時(shí)，可按原轉(zhuǎn)速繼續(xù)運(yùn)行，維持風(fēng)機(jī)與水泵運(yùn)行工況不變；通過變頻調(diào)速控制風(fēng)量，避免能源浪費(fèi)，節(jié)省大量電能；控制電源掉電時(shí)，控制系統(tǒng)可以由移相變壓器供電，保證不停機(jī)。單元模塊化設(shè)計(jì)，故障不擴(kuò)散，恢復(fù)故障設(shè)備極其簡單方便，更換故障單元僅需幾分鐘；提供標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口，實(shí)現(xiàn)與后臺(tái)的通訊，方便系統(tǒng)集中控制；可以滿足“本機(jī)/遠(yuǎn)程”操作，通過切換開關(guān)選擇，高自動(dòng)化控制，達(dá)到安全、高效、節(jié)能的目的，性價(jià)比高。

5 煤礦主通風(fēng)機(jī)變頻技術(shù)在節(jié)能改造

位于鄒城市的山東魯泰煤業(yè)公司太平煤礦將變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于礦井主通風(fēng)機(jī)的節(jié)能改造。理論計(jì)算及現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)表明，改造以后的主通風(fēng)機(jī)節(jié)能效果顯著。

（1）應(yīng)用背景

①改造前的主通風(fēng)機(jī)狀況。該礦安裝有2臺(tái)4-72-11№20B主通風(fēng)機(jī)，1臺(tái)工作、1臺(tái)備用。配套JS137-8型電動(dòng)機(jī)，額定功率210kW，電壓等級(jí)380V，額定轉(zhuǎn)速735r/min，實(shí)測主通風(fēng)機(jī)排風(fēng)能力Q₁=4210m³/min。按煤礦生產(chǎn)安全規(guī)程要求的配風(fēng)量Q₂=3410m³/min，利用閘門調(diào)節(jié)風(fēng)量，風(fēng)門開度80%。

②存在的問題。礦井風(fēng)量是通過調(diào)節(jié)風(fēng)門開度來改變風(fēng)道斷面尺寸實(shí)現(xiàn)的，既耗時(shí)又費(fèi)力；電動(dòng)機(jī)采用直接啟動(dòng)方式，啟動(dòng)電流為額定電流5～7倍，電動(dòng)機(jī)受到機(jī)械、電氣沖擊較大，縮短使用壽命；通過調(diào)節(jié)風(fēng)門來改變主通風(fēng)機(jī)工況，電動(dòng)機(jī)仍然以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，多余容量不能利用，浪費(fèi)電能。

（2）改造方案及節(jié)能原理

①改造措施。在主通風(fēng)機(jī)配電柜系統(tǒng)并聯(lián)1臺(tái)HY-FAN/INV-3.0型變頻控制柜，變頻調(diào)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(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，在變頻器控制下，電動(dòng)機(jī)從1～2Hz低頻啟動(dòng)，10s內(nèi)達(dá)到設(shè)定頻率值；主通風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后，通過對(duì)電位器的調(diào)節(jié)改變變頻器的頻率，從而改變主通風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)，精確控制風(fēng)量，使通風(fēng)系統(tǒng)保持在最佳工作狀態(tài)。變頻控制柜上裝有故障報(bào)警系統(tǒng)。發(fā)生故障時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，并顯示故障原因。變頻控制系統(tǒng)與原有啟動(dòng)系統(tǒng)并聯(lián)安裝，實(shí)現(xiàn)2個(gè)柜的手動(dòng)切換功能，在變頻控制系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)可及時(shí)切換到原啟動(dòng)柜工作。

（3）改造后的效益分析

①理論節(jié)能計(jì)算。根據(jù)風(fēng)機(jī)排風(fēng)量與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系Q₂/Q₁=n₁/n₂，計(jì)算得調(diào)節(jié)后電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速596r/min。根據(jù)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系n=60f(1-s)/p。式中：f——三相交流電源頻率，一般為50Hz；s——電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率，一般異步電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下s=1%～6%；p——電動(dòng)機(jī)的定子磁場對(duì)數(shù)。計(jì)算得變頻器頻率設(shè)定在40Hz。根據(jù)風(fēng)機(jī)類平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載關(guān)系式P/P₀=(n/n₀)³，計(jì)算得P=112kW。式中：P₀——額定轉(zhuǎn)速n₀時(shí)的功率；P——轉(zhuǎn)速n時(shí)的功率。理論節(jié)電率為(210-112)/210×100%=47%。

②直接經(jīng)濟(jì)效益。改造前后的電流實(shí)測數(shù)據(jù)如下：A相、B相、C相和平均值在變頻時(shí)分別為190A、193A、185A和189A；工頻時(shí)分別為290A、294A、290A和292A。節(jié)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(jié)電量403606.8kW·h，價(jià)值242164.08元（按0.6元/kW·h計(jì)）。節(jié)電效果非常明顯，當(dāng)年就可收回改造費(fèi)用。

③間接效益。只需通過變頻器的頻率升降即可達(dá)到調(diào)整礦井風(fēng)量的目的，調(diào)整方便簡捷，有效提高通風(fēng)安全性；低頻啟動(dòng)可以消除50Hz工頻直接啟動(dòng)對(duì)電動(dòng)機(jī)及通風(fēng)機(jī)負(fù)載的沖擊，使主通風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)性能更穩(wěn)定，并減小直接啟動(dòng)對(duì)礦區(qū)電網(wǎng)的干擾和沖擊；電動(dòng)機(jī)不用一直工作在額定轉(zhuǎn)速，運(yùn)行平穩(wěn)，極大降低機(jī)械磨損，延長設(shè)備使用壽命，減少維護(hù)費(fèi)用。

6 電廠廠用電動(dòng)機(jī)高壓變頻改造

兗州礦業(yè)（集團(tuán)）公司南屯煤礦煤矸石熱電廠的主要生產(chǎn)用輔機(jī)基本上都是6kV的高壓電動(dòng)機(jī)，其中引風(fēng)機(jī)、進(jìn)風(fēng)機(jī)和一次風(fēng)機(jī)等全部是通過調(diào)節(jié)擋板進(jìn)行運(yùn)行調(diào)節(jié)的。調(diào)節(jié)擋板的開度一般只有30%～60%，節(jié)流損失巨大；給水泵容量1600kW，配置該廠容量最大的高壓電動(dòng)機(jī)，其壓力損失高達(dá)5MPa。以上電動(dòng)機(jī)總功率11850kW，約占全廠用電功率70%，每年因此浪費(fèi)的電能非常巨大。為此，他們對(duì)送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)和給水泵3種設(shè)備的高壓電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻控制技術(shù)改造，將廠內(nèi)高壓電動(dòng)機(jī)用電控制在比較合理的水平。

（1）變頻裝置與電動(dòng)機(jī)的連接方式

一次回路由進(jìn)線柜、手動(dòng)切換柜、變頻器和電動(dòng)機(jī)組成，其中的進(jìn)線柜和電動(dòng)機(jī)由用戶自備。旁路柜的作用是在變頻器維護(hù)過程中或變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，將電動(dòng)機(jī)投入工頻電網(wǎng)運(yùn)行，保證生產(chǎn)不受影響。進(jìn)線柜為工頻運(yùn)行時(shí)的電動(dòng)機(jī)，也為變頻運(yùn)行時(shí)的變頻器提供電氣保護(hù)，保護(hù)整定值以保護(hù)電動(dòng)機(jī)為準(zhǔn)。變頻運(yùn)行的時(shí)候，變頻器為電動(dòng)機(jī)提供全面的保護(hù)，但是變頻器本身的保護(hù)（主要是過電壓保護(hù)和速斷保護(hù)）由進(jìn)線柜負(fù)責(zé)，其整定值保持電動(dòng)機(jī)保護(hù)值不變。在旁路柜一次回路中共有3個(gè)高壓隔離開關(guān)。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(gè)雙投隔離開關(guān)，實(shí)現(xiàn)自然機(jī)械互鎖。當(dāng)變頻器兩端的K₁、K₂閉合而K₃斷開的時(shí)候，電動(dòng)機(jī)變頻運(yùn)行；當(dāng)K₁、K₂斷開而K₃閉合時(shí)，電動(dòng)機(jī)工頻運(yùn)行，此時(shí)變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護(hù)和測試。旁路柜必須與上級(jí)高壓斷路器連鎖，旁路柜隔離開關(guān)未合到位的時(shí)候，不允許上級(jí)高壓斷路器合閘；上級(jí)高壓斷路器合閘的時(shí)候，絕對(duì)不允許操作隔離開關(guān)，以防止出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象，確保操作人員和設(shè)備的安全。

（2）實(shí)踐效果

這個(gè)廠的應(yīng)用實(shí)踐表明：采用高壓變頻調(diào)速控制技術(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)和水泵的高壓電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻控制，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)風(fēng)風(fēng)量和給水流量變負(fù)荷調(diào)節(jié)的最佳效果，可以根據(jù)流量或者壓力的變化來調(diào)節(jié)高壓電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，降低電能的損耗、節(jié)約生產(chǎn)成本、延長設(shè)備的使用壽命、減少維護(hù)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(dòng)機(jī)的離心式冷卻風(fēng)機(jī)應(yīng)用變頻技術(shù)

兗州礦業(yè)（集團(tuán)）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(tǒng)可編程自動(dòng)化控制器的模擬量輸出端子連接，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)離心式冷卻風(fēng)機(jī)的風(fēng)量隨著礦井提升機(jī)主電動(dòng)機(jī)定子溫度的變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)，大幅度提高電動(dòng)機(jī)風(fēng)機(jī)的效率，徹底解決風(fēng)機(jī)啟動(dòng)電流大的問題，基本上是免維護(hù)運(yùn)行。

（1）改造方案

礦井提升機(jī)主電動(dòng)機(jī)的冷卻至關(guān)重要，設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)造成很大危害。傳統(tǒng)的風(fēng)門調(diào)節(jié)風(fēng)量方式給提升機(jī)運(yùn)行帶來安全隱患。該礦副井2部提升機(jī)的主電動(dòng)機(jī)采用離心式風(fēng)機(jī)冷卻方式，利用調(diào)節(jié)風(fēng)門開度的大小來調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)量的多少。在多年的實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)其存在啟動(dòng)電流大、風(fēng)機(jī)效率非常低以及風(fēng)量不能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)等缺點(diǎn)。經(jīng)過論證，決定去掉調(diào)節(jié)風(fēng)門，改由變頻器來驅(qū)動(dòng)離心式風(fēng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)，通過調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度來調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)量；并且將離心式風(fēng)機(jī)變頻器的控制信號(hào)引入到提升機(jī)的控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)離心式風(fēng)機(jī)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控以及風(fēng)量的自動(dòng)調(diào)節(jié)。結(jié)合礦井提升系統(tǒng)的實(shí)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(wěn)定可靠。

（2）系統(tǒng)特點(diǎn)

①啟動(dòng)電流。改造以后，由于在變頻器中設(shè)定電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)曲線，離心式風(fēng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)不再是全壓啟動(dòng)，啟動(dòng)電流由原先600A下降到200A，極大減少對(duì)電動(dòng)機(jī)的沖擊。

②變頻器啟動(dòng)順序。斷開刀閘開關(guān)，閉合帶過流保護(hù)空氣開關(guān)，合上手動(dòng)開關(guān)，變頻器上電。司機(jī)通過PLC發(fā)出“變頻器啟動(dòng)”命令，繼電器吸合，變頻器啟動(dòng)。啟動(dòng)完畢以后，變頻器“啟動(dòng)完畢”反饋信號(hào)接點(diǎn)閉合，啟動(dòng)完畢。在PLC程序中，若PLC發(fā)出“變頻器啟動(dòng)”命令6s后，未得到變頻器“啟動(dòng)完畢”反饋信號(hào)，就發(fā)出風(fēng)機(jī)故障的信號(hào)，并且閉鎖絞車。這時(shí)可能是接觸器或者變頻器故障。

③變頻器故障時(shí)的風(fēng)機(jī)啟動(dòng)。風(fēng)機(jī)控制恢復(fù)原先方式。啟動(dòng)順序如下：把風(fēng)門開度調(diào)至15%以下，先合刀閘開關(guān)，再合帶過流保護(hù)的空氣開關(guān)，最后合手動(dòng)開關(guān)，電動(dòng)機(jī)全壓啟動(dòng)（設(shè)置手動(dòng)開關(guān)就是為了在變頻器損壞時(shí)可使風(fēng)機(jī)正常啟動(dòng)）。同時(shí)，PLC檢測到刀閘開關(guān)所帶輔助接點(diǎn)的信號(hào)輸入后，屏蔽檢測變頻器“啟動(dòng)完畢”信號(hào)，僅檢測接觸器輔助接點(diǎn)。

④頻率自動(dòng)調(diào)節(jié)。廠家在主電動(dòng)機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子中預(yù)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(dòng)機(jī)溫度，利用變頻器外部頻率跟定功能可實(shí)現(xiàn)頻率隨檢測到的電動(dòng)機(jī)實(shí)際溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)，把PLC的模擬量輸出接點(diǎn)與變頻器頻率給定接點(diǎn)連接，將變頻器頻率給定信號(hào)設(shè)置為4～20mA電流，連接的PLC模擬量輸出接點(diǎn)輸出信號(hào)也設(shè)置為4～20mA信號(hào)。鮑店煤礦副井提升機(jī)的主電動(dòng)機(jī)為B級(jí)絕緣，他們?cè)赑LC程序設(shè)置了溫度高于100℃時(shí)PLC模擬量輸出接點(diǎn)輸出18mA信號(hào)，即風(fēng)機(jī)以88%額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行；當(dāng)主電動(dòng)機(jī)溫度低于20℃時(shí)，PLC模擬量輸出接點(diǎn)輸出6mA信號(hào)，即風(fēng)機(jī)以12%額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行；在20～100℃之間，風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)速度分成5段。

⑤保護(hù)功能。a.風(fēng)機(jī)的狀態(tài)監(jiān)控。在接觸器的吸合信號(hào)和變頻器啟動(dòng)反饋信號(hào)均傳到PLC時(shí)，系統(tǒng)才認(rèn)為通風(fēng)系統(tǒng)正常；變頻器損壞時(shí)，系統(tǒng)只檢測接觸器的狀態(tài)；若在絞車提升過程中檢測到風(fēng)，溫度不超過115℃時(shí)允許本次提升，完成后閉鎖絞車。b.絞車主電動(dòng)機(jī)溫度保護(hù)設(shè)置。主電動(dòng)機(jī)溫度過115℃的時(shí)候，控制系統(tǒng)產(chǎn)生電氣制動(dòng)。

8 煤礦電機(jī)車電動(dòng)機(jī)應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)

電機(jī)車是煤礦地面和井下軌道運(yùn)輸?shù)闹饕獱恳O(shè)備。其中，架線式牽引機(jī)車多年來一直沿用結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障率高和維修費(fèi)用大的直流電動(dòng)機(jī)，而且目前國內(nèi)絕大多數(shù)礦山牽引機(jī)車還在使用觸頭電阻調(diào)速方式，處于耗電量大與維修量大的狀態(tài)。變頻調(diào)速牽引機(jī)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(dòng)機(jī)，結(jié)合技術(shù)先進(jìn)與節(jié)電效果顯著的變頻調(diào)速器，取代直流電機(jī)車落后的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，達(dá)到當(dāng)代世界先進(jìn)技術(shù)水平。山東科技大學(xué)和兗州礦業(yè)（集團(tuán)）公司機(jī)械制修廠對(duì)變頻調(diào)速技術(shù)在礦山牽引電機(jī)車上的應(yīng)用情況進(jìn)行了分析研究。

（1）電機(jī)車電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的特點(diǎn)。

這種系列支流電機(jī)車的變頻調(diào)速器是采用世界最先進(jìn)的DTC變頻調(diào)速技術(shù)，配備了進(jìn)口原裝全套控制電路及進(jìn)口智能型IGBT模塊元件研制而成的。DTC控制技術(shù)使三相鼠籠交流電動(dòng)機(jī)超過直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，滿足電機(jī)車在低速時(shí)的最大啟動(dòng)牽引力。其特點(diǎn)如下：實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，最低可調(diào)頻率0.1Hz，車輪最低轉(zhuǎn)速可調(diào)至0.5r/min；無級(jí)別實(shí)現(xiàn)任何車速限制，下坡行駛限速可靠、效果優(yōu)良；電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與控制器指令保持一致，調(diào)速器手把打到零位即實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，機(jī)車由高速轉(zhuǎn)向低速時(shí)能有效克服慣性；調(diào)速器具有電動(dòng)機(jī)短路、缺相、過電壓、欠電壓保護(hù)功能，當(dāng)操作不當(dāng)致使變頻器溫度≥85℃時(shí)，調(diào)速器自動(dòng)封鎖輸出。

（2）直接轉(zhuǎn)矩控制的特點(diǎn)

調(diào)速技術(shù)經(jīng)歷4代發(fā)展為直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC），在很大程度上克服了第三代矢量控制（POC）的缺點(diǎn)，成為交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制的又一次突破，正成為電力電子與電力傳動(dòng)領(lǐng)域應(yīng)用的熱點(diǎn)。直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型、控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，所需信號(hào)處理特別簡單，所用控制信號(hào)使觀察者對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的物理過程能夠做出直接和明確的判斷；直接轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩控制采用空間矢量概念分析三相交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型和控制各物理量，使問題變得簡單明了；直接轉(zhuǎn)矩控制強(qiáng)調(diào)的是轉(zhuǎn)矩的直接控制效果。

（3）礦用電機(jī)車應(yīng)用DTC控制技術(shù)

由于工作環(huán)境特點(diǎn)所致，礦用電機(jī)車調(diào)速系統(tǒng)處于頻繁的啟動(dòng)、制動(dòng)和加減速等狀態(tài)，還要適應(yīng)負(fù)荷上下坡和顛簸路況等情況，因此要求電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、過載能力強(qiáng)。另外，調(diào)速系統(tǒng)不但需要能夠四象限運(yùn)行，還需要能夠再生制動(dòng)到低速。這樣，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大的時(shí)候，轉(zhuǎn)速就能夠迅速下降，而電動(dòng)機(jī)的輸出功率基本不變，從而使得電動(dòng)機(jī)不容易因負(fù)載增大而引起過載。反之，當(dāng)負(fù)載變小的時(shí)候，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速能夠自然上升，以利于提高生產(chǎn)效率。此外，為了防止主輪打滑，調(diào)速系統(tǒng)還應(yīng)當(dāng)考慮具有最大轉(zhuǎn)矩限幅的功能。由于逆變器和電動(dòng)機(jī)都安裝在電機(jī)車上，所以整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)盡可能設(shè)計(jì)得體積小、重量輕、硬件結(jié)構(gòu)簡單和控制方便。對(duì)于直接轉(zhuǎn)矩控制而言，在高速運(yùn)行階段，除了電動(dòng)機(jī)定子電阻，不需要知道其它參數(shù)，所以直接轉(zhuǎn)矩控制對(duì)電動(dòng)機(jī)參數(shù)的依賴性比矢量控制要低許多。其產(chǎn)品包括5t、8t和10t隔爆型電動(dòng)機(jī)斬波調(diào)速控制裝置，目前已經(jīng)廣泛用于以電池為動(dòng)力源的、交流電動(dòng)機(jī)牽引驅(qū)動(dòng)的礦山電機(jī)車上。

（4）體會(huì)

利用這種調(diào)速器控制的各類電機(jī)車，可以有效地解決牽引電動(dòng)機(jī)低速啟動(dòng)力矩低、帶速度啟動(dòng)、掉電再啟動(dòng)及系統(tǒng)防塵、防水、防振等問題，具備過流、過壓等全面保護(hù)功能。這種電機(jī)車采用我國先進(jìn)的DTC低速高轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速技術(shù)，將架線或者蓄電池的直流電通過大功率IGBT元件逆變?yōu)楣β士烧{(diào)的三相交流電，驅(qū)動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)。由于采用DTC控制技術(shù)，使得三相異步電動(dòng)機(jī)達(dá)到和超過直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩及牽引特性（如1Hz時(shí)最大轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到額定值300%，是直流電動(dòng)機(jī)1.66倍），使電機(jī)車帶重載啟動(dòng)強(qiáng)勁有力。它與傳統(tǒng)的直流電機(jī)車相比，具有交流電動(dòng)機(jī)不容易損壞、司機(jī)控制器無觸頭無磨損以及不用高耗能調(diào)速電阻的特點(diǎn)，屬于高可靠、高能、高節(jié)電的設(shè)備。