交流变频器在煤矿井下应用的现状及其前景.pdf

交流变频器在煤矿井下应用的现状及其前景 庞宝良1,邱锦川2,韩菊娣3 1 1 晋城无烟煤集团有限责任公司 租赁站,山西 晋城 048006 ; 21 煤炭科学研究总院 上海分院电气自动化研究所,上海 200030 ; 31 上海申地自动化科技有限公司,上海 200235 摘 要针对我国煤矿电源浪费严重的现状,采用交流变频器既可减小启动电流又可增大启动转 矩,介绍国外电机传动及变频器发展情况并在此基础上提出防爆变频器在井下应用情况及前景。 关键词交流变频器;电机调速;节电 中图分类号 TM921151 文献标识码 B 文章编号 0253 - 2336 2003 10 - 0054 - 03 Status and outlook of AC converter applied in underground mine PANGBao2liang1, QIU Jin2chuan2, HAN Ju2di3 11Rental Station , Jincheng Anthracite Coal Group Corp1Ltd1, Jincheng ,048006, China; 21Electric Automation Research Institute, Shanghai Branch , China Coal Research Institute, Shanghai 200030, China; 31Shanghai Shendi Automation Science and Technology Company Ltd. , Shanghai ,200235, China 1 概 述 改革开放20年以来,我国电力仍然短缺,已 经成为制约生产发展的重要因素,合理开发和利用 能源已迫在眉睫。煤矿用的通风机、水泵和空气压 缩机,电源浪费较严重,需重点治理。治理首选的 措施,就是采用变频调速,既可减小启动电流,又 可增大启动转矩。目前采用IGBT逆变的变频器可 将鼠笼型电机的启动转矩提升到额定转矩的2倍。 这种全数字式的通用变频器具有很强的控制能力, 即使不用测速反馈,也能使鼠笼型电机具有较硬的 机械特性和快速正反转能力。80年代末,煤矿井 下也开始在采、掘、运等主要设备调速上采用变频 器。如采煤机的牵引电机、提升机、绞车、井下用 通风机、水泵及带式输送机电机的调速等,但终因 散热问题得不到很好解决,而使变频器的使用受到 限制,本文重点在介绍国外电机传动及变频器发展 情况的基础上提出防爆变频器在煤矿井下应用的前 景。 2 国内外电机传动发展情况 电机调速分机械式和电气控制式2大类,机械 式有古老的动力源调节方式,如蒸汽机、汽轮 机、内燃机有容程式和速度式。机械式的优点 是能量转换效率高,尤其是汽轮机,还能获得高速 等,缺点是需锅炉和大型附属设备。随着科学技术 的发展,动力源式的调节方式逐渐被高速联轴节、 液力式变速机、电磁转差离合器和调速电动机所替 代。在电气控制方面,经历过3个阶段 一是以异步电动机为主的电动机手控阶段。这 个阶段开始是用接触器对异步电动机进行开环控 制。其启动电流大,启动转矩小,对电网冲击大, 不能调速,且噪声大,设备体积大而笨重。尤其是 绕线电机,还有触点多、集电环和电刷,且防护和 维修工作量大。 二是以直流电动机为主的电气传动控制阶段, 这个阶段采用机械式的调速方法,有变速联轴节、 液力变速机、电机放大机进行功放,为电机的闭环 控制提供了物质基础。直流调速曲线平滑,但随着 工业的高速发展,需要大容量、高精度、高可靠性 电机传动控制设备,则直流电机传动控制日显弱 点,其系统繁杂,故障点多,设备庞杂,维修量 大,维护困难,成本又高。 三是以交流电动机代替直流电动机为主的数字 控制阶段。此阶段,微电子技术进入了电气传动领 域,特别是数字信息技术的发展,使交流变频器控 制交流电动机的技术得到了迅速发展,其优点是硬 件少,高可靠性、数字化、网络化。 国内发展情况基本上和国外相同,但由于我国 半导体技术发展较之国外慢,故国内大型设备上的 调速大多数采用变速联轴节和调速电机。诸如煤矿 用的采煤机、掘进机和带式输送机,其调速大部分 45 第31卷第10期 煤 炭 科 学 技 术 2003年10月 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 都采用液力式变速机,如可调型液力偶合器等。 改革开放以后,国外先进技术涌入国内,在煤 矿大型设备上开始用变频器牵引采煤机,用可控硅 降压启动来完成带式输送机、通风机和水泵的软启 动,在地面的提升机或绞车上用全数字式直流调速 或变频调速。 3 国内外交流变频器的发展情况 从半导体器件看,国外变频器的发展是随着逆 变器件的发展而发展的。开始用晶闸管。它的缺点 为调制频率低、控制复杂、效率低、容量大、电压 高。以后全控器件GTO晶闸管和BJ T逐渐代替了 晶闸管。但GTO晶闸管的关断电流增益太小,过 电流保护比较困难,调制频率低。用BJ T组装的 直流斩波器和PWM变频器虽然效果可以,但输出 电压低,容量也不大不超过460 V、400 kW。 随着半导体技术的发展,新一代的电力电子器 件IGBT问世,它是大功率的场效应管,即大功率 的MOS驱动BJ T ,优点是容量和电压都提高了。 目前IGBT已发展到第四代,国外正在将微电子的 生产工艺向电力电子转移,产生了专用集成电路 SPIC ,如把IGBT的驱动电路和保护电路复合 在一起的智能器件叫IPM ,也有的把开关电源复 合在一起的IPM Imtelligent Power Module ,使 变频器更加可靠,这已经成为调速的主导产品,并 且逐渐将取代直流调速。本世纪是数字信息时代, 在电动机的传动技术上将是交流调速的时代,特别 是第四代IGBT的问世,其集电极与射极间的饱和 电压大大降低,从而使变频器主电路的损耗大大降 低,变频器的制造技术不断成熟,日趋模块化、多 功能化、数字化、网络化,是交流电机调速的首选 方案见表 1 。变频器从功率看,已从小功率发 展到大功率,最大做到5 000 kW;从电压看,已 从400 V发展到10 kV。从整机看,从通用型发展 到专业型,如重负载转矩型、四象型、矢量型;从 集成度看,从大规模集成发展到超大规模集成。 [1] 表1 3种调速性能比较 比较项目 机械式调速传动 蒸汽 轮机 内燃机 变速联轴节传动 变间距 带 轮 圆 锥 摩擦轮 行 星 锥与环 液 压 联轴节 电 磁 离合器 电气调速传动 晶闸管供电 直流电动机 无换向器同 步电动机 静止串级绕线转 子异步电动机 变频笼型异 步电动机 控制性能 响应性 好一般不好不好不好一般一般好好好最好 效 率好一般好好好一般一般好好好最好 操作方法好好一般一般一般最好最好好好较好最好 维护方法不好不好一般一般一般一般一般好最好好最好 容量范围一般大不大不大一般大大大最大最大最大 安装工程容易性 不易不易容易容易容易一般容易最容易最容易最容易最容易 节能效果不好不好不好不好不好一般一般好好好最好 从控制技术上看,国外的变频器已从电压/频 率恒定控制,发展到矢量变换控制;又从矢量变换 控制发展到直接转矩控制。交流电动机是个多变 量、强耦合和非线性被控对象。70年代初,国外 出的变频器均是用电压/频率恒定控制,其控制原 理基于解决变频器变频的同时又变压,保持磁通不 变的控制理论,即V / f常数,称为VVVF。这 是一种通过转差补偿达到转矩提升的控制方法。目 前通用的变频器多采用电压/频率恒定控制,其技 术成熟,价格便宜。 随着工业设备对调速性能和精度要求的逐步提 高,电压/频率恒定控制技术制造变频器不能满足 对调速系统的要求。70年代末,国外又发展了用 矢量变换控制Transvictor Control的变频器,它 以交流电机的双轴理论为依据,在同步旋转坐标中 把定子电流矢量分解为2个分量,一个分量与转子 磁链矢量重合,称为励磁电流分量;另一个与转子 磁链矢量垂直,称为转矩电流分量,通过控制定子 电流矢量在旋转坐标系的位置及大小,即可控制励 磁电流分量和转矩电流分量的大小,仿照直流电动 机那样对磁场和转矩进行控制。80年代中期,国 外在变频器上又发展了一种直接转矩控制技术,它 避开了矢量控制中的2次坐标变换及求矢量的模与 相角的复杂计算工作量,而直接在定子坐标系上计 55 第31卷第10期 煤 炭 科 学 技 术 2003年10月 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 算电动机的转矩与磁通,通过转矩控制,使转矩响 应时间控制在一拍以内,无超调,控制性能比矢量 控制还好。交流电动机的调速控制技术从电压/频 率恒定控制法到矢量控制法是一次飞跃,从矢量控 制法到直接转矩控制法将是第二次飞跃。 4 防爆变频器在煤矿井下应用的前景 目前我国仍以一次能源作为主要能源,特别是 国际上出现石油危机以来,我国政府决定“以煤代 油”,对煤炭进行深加工,综合利用,故煤炭的需 求量不断增加。随着采、掘、运设备的装机容量也 不断增大,对二次能源的电能消耗也随之增加。为 了进一步提高设备运行的可靠性,节能增效,许多 矿务局要求在煤矿大型设备上采用变频调速技术, 以解决①节能问题;②设备的高精度转矩控 制;③净化环境,安全生产的问题[2]。 鉴于历史的原因及我国煤矿实际情况,煤矿电 压等级为380 V、660 V和1 140 V ,其所有设备都 是围绕这几种电压。随着煤炭产量的提高,大功率 的采、掘、运设备不断增加,其电压等级也逐步升 高。目前已有313 kV、6 kV和10 kV直接进综采 高产高效工作面或掘、锚一体化的工作线。虽然电 压逐步在升高,但大部分设备的电压还是在1 140 V以下,这些设备占煤矿总设备的96 左右,目 前正是这96 的设备电机的控制需要改造。根据 我国煤炭工业的现状和发展趋势,目前矿山尤其 是国有大矿综采工作面大多数以1 140 V作为井 下供电系统的主导电压,大巷设备采用660 V供电, 为此,防爆变频器电压应选用660 V、1 140 V两个 电压等级。考虑近几年矿山机电设备的发展趋势, 带式输送机、刮板输送机、给煤机、通风机、水泵 及油泵等设备都有选配变频控制器的趋势。 由于国外没有防爆变频器,也没有1 140 V的 电压等级,而且国外把1 000 V～3 000 V以上的 电压等级归入中压,故给国内煤矿用户的选型带来 一定的困难,加上煤矿井下环境恶劣,有甲烷等爆 炸性气体和煤尘存在,终因防爆散热问题得不到解 决,使变频器在煤矿井下使用受到限制。 随着新材料、新技术的不断发展,散热技术日 趋完善,煤矿井下用变频器的散热问题已能得到解 决。为此,集变频调速技术、散热技术、电气技 术、防爆技术和环保技术为一体的煤矿井下用防爆 交流变频器必将受到煤矿的青睐。 参考文献 [1] 吴忠智,吴加林.变频器应用手册第二版[M].北京 机械工业出版社, 2002. [2] 张贵元,刘玉明.实用节电技术与方法[ M].北京中国 电力出版社, 1997. 作者简介庞宝良1963 - ,男,山西晋城人,高级工程师, 学士学位,现在山西晋城无烟煤集团有限责任公司租赁站从事设备 管理工作,任副站长。 收稿日期 2003 - 06 - 11 ;责任编辑王宗禹 上接第3页 纪录。4301综放工作面仅用10 d就完成了全部设 备安装并一次性联合试运转成功,创造了全国综放 工作面设备安装最快纪录。 5 结 语 1无轨胶轮车的应用促进了矿井巷道布置的 创新,全煤倾斜大巷将水平大巷与采区上、下山的 功能合二为一,取消采区上、下山,工作面直接与 倾斜大巷相连,煤炭运输系统简化,可靠性提高。 2全煤倾斜大巷与增设带区边界巷道布置体 系,配合新型辅助运输设备的使用,减少了运输环 节,简化了运输系统,实现了从井底车场到工作面 的直通式辅助运输,使井下辅助运输不转载、不间 断,取消了中间转载环节,是矿井高产高效的可靠 保障。 3合理的放煤参数、放煤方式以及采放平行 作业是工作面高产高效的有效措施,先进可靠的设 备是高产高效的前提。 参考文献 [1] 李位民,宋子安,翟德元,等.特大型现代化矿井建设与工 程实践[M].北京煤炭工业出版社, 2001. [2] 兖矿集团有限公司.济宁三号井建设项目后评价与展望 [M].北京煤炭工业出版社, 2002. 作者简介樊克恭1964 - ,男,陕西咸阳人,副教授,主 要从事采矿方法与巷道支护方面的科研与教学工作。 收稿日期 2003 - 07 - 18 ;责任编辑曾康生 65 第31卷第10期 煤 炭 科 学 技 术 2003年10月 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.