摘 要：本文論述了合康HIVERT高壓變頻器在煤礦行業上的改造與應用。煤礦的運輸設備主要包括提升機、皮帶機和鋼纜機，露天開采的鐵路機車，大型煤礦的直接汽車運輸，但是皮帶機和鋼纜機仍然是大型煤礦的主要運輸設備。

關鍵詞：恒壓控制 高壓變頻器，礦井提升機，皮帶機，主通風機

前言

      我國煤礦開采僅在2009年即耗能5086.81×10 t標準煤,耗電376.04×108kW·h,分別占全國總耗能量和總耗電量的3.86%和3.49%。所以，煤炭工業既是產能大戶,又是耗能大戶，同時也是節能潛力大戶。目前我國煤礦行業存在電機啟動困難、機械損傷嚴重以及自動化程度低等問題迫切需要利用變頻技術進行節能降耗。據統計，按節電率30%計，采用變頻調速技術年節電潛力至少為10×108～15×108kW·h。所以，利用變頻技術對現有電機設備進行節能改造，是解決我國煤炭工業高消耗、低效益的措施。

高壓變頻大環境

      合康變頻器具有瞬時停電跟蹤功能，實現了高轉矩、高精度、寬調速范圍驅動。同時具有低速輸出轉矩大，過載能力強，保護功能齊全，可靠性高，故障率低，維護方便等優點。由于采用了高壓變頻控制技術，整個運行過程平穩，無級調速，乘坐舒適，減少了機械的沖擊，延長了設備使用壽命，產生了非?？捎^的經濟及社會效益。

      使用安川變頻器可以使礦井提升電機獲得優越的控制及制動性能，可以使提升機工作在平穩、安全、可靠的運行狀態，避免嚴重的機械磨損，防止較大的電流及機械的沖擊，減少機械部分的維修工作量，延長提升機械的使用壽命，提高工作效率及整個系統的安全性，同時還具備維護操作簡單等優點。

一、同步電機變頻調速技術的難點分析

（1）同步電機的啟動投勵過程 

      通常同步電機啟動有兩種方式：一種先投勵，同步啟動；一種異步啟動，后順極性投勵。對于同步電機變頻啟動均采用先投勵，同步啟動，但常會出現轉子位置判斷不正確導致電機啟動失敗。針對同步電機變頻調速改造，很容易采用異步啟動，順極性投勵方式，所以maxf變頻裝置對同步電機進行異步軟啟動，實現額定啟動力矩，將同步電機啟動到8hz左右進行順極性投勵，具體所投勵磁大小及投勵時頻率可以根據不同應用場合調試確定。至此，電動機轉子磁場和定子磁場間夾角經過小量有阻尼震蕩后，電機轉子磁極被定子磁極可靠吸引，同步電機進入同步運行狀態。變頻器按照預先設定的加速度，逐漸加速到給定頻率。此時，同步電機電樞電壓矢量與轉子磁極位置之間的夾角逐漸拉大到某一常值，電機轉子磁極在定子磁場的吸引下逐漸加速至期望轉速，同步電機起動過程完成。

      同步電機與普通異步電機運行上主要的區別是同步電機在運行時，電樞電壓矢量與轉子磁極位置之間的夾角必須在某一范圍之內，否則將導致系統失步。因此同步電機變頻調速時必須時刻控制這一夾角在允許的范圍內變動，這一點就是同步電機變頻和異步電機變頻的主要區別。以下將簡要介紹同步電機變頻調速過程遇到的難點及maxf變頻裝置相應解決措施：

       針對要求重載啟動的工況，為了啟動力矩更大，可以適當提高變頻裝置輸出電壓和同步電機的勵磁電流。

（2）同步電機穩態調速和勵磁調節過程

       變頻器驅動同步電機調速時，為了解決變頻裝置和同步電機間的配合，電機速度改變同時變頻裝置也會協同調節當前勵磁電流大小和改變輸出電壓對應值（不是簡單的恒v/f控制）。在某一設定頻率點以上范圍運行，變頻器采集同步電機功率因素，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指令給同步電機的勵磁調節器調節勵磁電流；在此頻率以下范圍運行時，勵磁電流由變頻器根據當前運行工況，輸出4～20ma信號給勵磁調節器去調節，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，而且調節方式的切換點頻率可以通過參數設置。加裝變頻器后，同步電動機的無功電流僅在同步電機和變頻器間流動，不進入電網，因而變頻調速時勵磁電流的調節無需關心同步電機的無功電流。

（3）同步電機正常停機和故障滅磁過程

      在正常停機時，變頻器驅動同步電動機轉速至停機，然后停止變頻器輸出即可。減速過程中，在恒功率因素頻率點以上運行，勵磁電流根據恒功率因素來調節，在頻率點以下范圍運行，采用變頻變勵磁電流方式運行。此過程不需要進行滅磁。

      在運行期間出現故障，若變頻器外系統出問題，需要緊急停機，可以直接跳開高壓側輸入開關qf和變頻器輸出開關km2，同時跳同步電機勵磁裝置。若變頻器系統出問題要緊急停機時，變頻器立刻停止輸出，通知同步電機勵磁裝置進行可控硅逆變滅磁，再通過故障信號跳開高壓側輸入開關和變頻器輸出開關km2。

（4）同步電機調速時阻尼繞組

      由于在同步電機的升、降速過程中，瞬間會出現電源同步轉速和電機轉子實際轉速不一致的情況，這樣就會在同步電機的阻尼繞組內產生感應電壓，形成電流，所以在變頻改造前，要檢查阻尼繞組內螺釘連接是否牢固，最好將其焊接好，減少繞組內阻。這樣即使調速過程中出現較大感應電流也不會發熱很大，以致損壞電機阻尼繞組。

       maxf系列同步機變頻裝置運行時將全權接管同步機的勵磁調節，包括投勵、改變勵磁大小和退勵。原有的勵磁裝置只是作為一個執行器，具體勵磁大小由maxf變頻裝置通過4-20ma信號進行控制。

二、恒壓控制工作原理及系統方案

工作原理

      控制器給定水泵管網一供水壓力值，變頻器根據此值輸出一定頻率的交流電源至水泵電機，拖動水泵穩定運行，并輸出與壓力對應的供水流量，保證水泵管網的壓力與控制器的給定壓力平衡。壓力傳感器時刻檢測管網壓力，并反饋至控制器，控制器根據反饋壓力與給定壓力的差值，控制變頻器的輸出頻率，實現電機的速度調節，改變水泵流量，保證供水管網壓力始終穩定在給定值附近，實現了變頻調速恒壓供水系統的閉環調節。3臺泵在控制器控制下，均由變頻器實現軟起動。

ZBH變頻恒壓供水的特點 

      1. 節能，可以實現節電20%-40%，能實現綠色用電。 

      2. 占地面積小，投入少，效率高。 

      3. 配置靈活，自動化程度高，功能齊全，靈活可靠。 

      4. 運行合理，由于是軟起和軟停，不但可以消除水錘效應， 而且電機軸上的平均扭矩和磨損減小，減少了維修量和維修費用， 并且水泵的壽命大大提高。 

      5. 由于ZBH變頻恒壓調速直接從水源供水，減少了原有供水方式的二次污染， 防止了很多傳染疾病的傳染源頭。 

      6. 通過通信控制，可以實現無人值守，節約了人力物力。 

節能原理 

      由水泵的工作原理可知：水泵的流量與水泵（電機）的轉速成正比，水泵的揚程與水泵（電機）的轉速的平方成正比，水泵的軸功率等于流量與揚程的乘積，故水泵的軸功率與水泵的轉速的三次方成正比（既水泵的軸功率與供電頻率的三次方成正比）。根據上述原理可知改變水泵的轉速就可改變水泵的功率。

      變頻控制系統采用閉環“一拖N”控制方式，其控制核心是進口專用泵類變頻器，該產品具有專用集成供水控制基板，其內置了PID調節器及PLC控制器的功能，設計線路相對簡單。

      設備的控制原理如下：通過遠傳壓力表，連續采集管網壓力信號，傳輸到供水控制基板，該基板綜合給定信號與反饋信號后，經過PID調節，向變頻器輸出運轉頻率指令，從而使反饋壓力值與給定壓力值相等。如果一臺泵達到工頻50HZ時反饋壓力仍然低于給定壓力，這時系統會自動將達到原工作在變頻狀態下泵投入到工頻運行，同時將一臺備用的泵用變頻器起動后投入運行，以加大管網的供水量保證壓力穩定。當一段時間后若兩臺泵運轉反饋壓力仍然低于給定壓力，則依次將變頻工作狀態下的泵投入到工頻運行，而將另一臺備用泵投入變頻運行。

      當用水量減少時，供水管路壓力上升，變頻器自動降低頻率控制其中一臺水泵低速運行，當達到頻率下限(一般設定為20~35Hz)時，若系統壓力仍高于設定壓力，電控系統首先將最先投入運行的工頻泵停掉，以減少供水量，降低供水壓力。如一段時間后壓力反饋信號仍然高于給定壓力，系統再停掉一臺工頻泵，如此類推，直到最后一臺泵變頻運行，恒壓供水。

      變頻供水設備能根據用水量的變化，自動確定水泵投入臺數及水泵轉速，達到供水壓力恒定和節能的目的。

      另外可增設專用的供水控制器代替了變頻器自帶的供水控制基板，具有控制能力強，操作方便靈活，可靠性高的特點。另可根據用戶要求，設計分時分壓供水。更加適應于中大型及特殊復雜的供水網絡系統。

      可根據用戶要求配備小型氣壓罐，在夜間低用水量時停泵，靠氣壓罐供水，更加節約能源。

       圖1是設備改造的系統圖。恒壓控制在控制理論上是一種跟隨控制，供水管網的出水壓力由壓力變送器（西門子）檢測之后，將其轉換為4～20mA電流信號送入變頻器，變頻器將根據被控量的實際值和期望值，按照PID調節參數中設定的PID參數，自動調節變頻器的輸出頻率，使被控量的實際值自動跟隨期望值。使管網的實際水壓跟隨設定水壓變化，并動態維持在設定水壓上。

       為了保證整個系統運行的可靠性，圖中的旁路柜，k1～k3采用聯鎖手動隔離開關，當變頻器出現嚴重故障不能繼續運行、兩級單元旁路后再有單元發生故障時，變頻器將立即封鎖輸出，并分斷上級開關柜真空斷路器DL，操作人員對旁路柜進行手動切換在工頻狀態，再合上真空斷路器DL，將電機投入工頻電網運行。開關設備各部分的投入和退出，仍應嚴格按操作說明的規定進行，不應隨意操作，更不應在操作受阻時，不加分析強行操作，否則，容易造成設備損壞，甚至引起事故。

圖一，變頻器系統結構圖

三、保護功能

       HIVERT－Y10/029高壓變頻器在運行中具有過壓保護、欠壓保護、缺相保護、半導體器件過熱保護和變壓器過熱保護的功能。

 

四、變頻器的使用

      在節能降耗方面，由于該廠原有調速設備也是變頻設備，在節能方面沒有明顯的效果，在高壓變頻設備投產前，配水單位電耗平均約4.73 kWh/km3.m，設備投產后實際配水單位電耗約4.50 kWh/km3.m，下降0.23 kWh/km3.m，節能效率4.86％。另外使用了高壓變頻控制，也省了一臺400kVA變壓器的銅鐵損耗。

      在使用中要注意清洗過濾網的工作，高壓變頻器柜門外裝有過濾層，用于阻擋粉塵進入單元內部。要經常用一張A4紙檢查變壓器柜、功率單元柜進風口風量，看紙張是否能被過濾網牢牢吸住，如吸不住應及時排除（檢查冷卻風機是否運轉正常，更換或清洗過濾網）。應定期維護間隔推薦為每半年一次，如灰塵較多，過濾網更換周期可縮短到一個月一次。

五、礦井提升機的恒壓控制

礦井提升機

JK系列礦井提升機

      JK系列礦井提升機主要用于煤礦、金屬礦和非金屬礦的立井或斜井提升下放人員、物料及設備。用鋼絲繩帶動容器（罐籠或箕斗）在井筒中升降，完成輸送物料和人員的任務。礦井提升機提升量大，速度快。該系列提升機電機電控可以配制電阻調速和變頻調速兩種形式。 

（一）工作原理

      單繩纏繞式礦井提升機是以電動機為動力源，通過減速器將動力傳給纏繞鋼絲繩的卷筒，實現容器的提升下放，通過電氣傳動實現調速，盤型制動器由液壓和電氣控制進行制動，通過位置指示系統實現容器的深度指示，通過各種傳感器、測速發電機控制元件，組成安全保護系統。 

機械部分結構概述

      提升機機械部分主要包括主軸裝置、行星減速器、盤形制動器、液壓站、潤滑站、深度指示器等部件。采用交流或直流電機驅動。纏繞式礦井提升機有單卷筒和雙卷筒兩種，鋼絲繩在卷筒上的纏繞方式與一般絞車類似。單筒大多只有一根鋼絲繩，連接一個容器。雙筒的每個卷筒各配一根鋼絲繩，連接兩個容器，運轉時一個容器上升，另一個容器下降。雙筒提升機設有徑向齒塊式液壓調繩離合器；傳動部分可配置行星減速器或平行軸雙圓弧齒輪減速器。 

      1、主軸裝置 卷筒有剖分式(便于下井)和整體式兩種型式。采用16Mn焊接結構，采用二氧化碳制動焊接。卷筒焊接后進行整體退火處理以消除內應力。主軸材質為45號鋼鍛件、正火處理，并進行嚴格理化實驗和探傷檢查。提升機主軸軸承座用螺栓分別固定在兩個軸承梁上，軸承選用哈爾濱、洛陽、瓦房店國內三大主導廠家雙列向心球面滾子軸承，其產品質量穩定可靠，具有結構簡單，安裝、維護方便，傳動效率高等特點。主軸裝置的卷筒配有定車裝置，可在維護制動器時使用。

      2、盤形制動器 制動器為油缸后置式的盤形制動器，制動力由盤形彈簧提供、液壓控制。其結構緊湊，動作靈敏，安全可靠。制動器的制動力矩三倍最大靜力矩設計。 

      3、行星齒輪減速器 兩級行星傳動。該種減速器為硬齒面傳動，具有結構緊湊，傳動能力大，運行平穩，噪音小，壽命長等特點，并配有潤滑站強力潤滑。減速器的行星輪、太陽輪材質為20CrMnTi，經滲碳淬火處理和磨齒加工。高、低速軸均經過磨床加工及探傷檢查，經淬火調質處理。輸出轉架為數控鏜床鏜孔，提高產件精度。減速機為坦克齒輪用鋼。

      4、液壓站 采用可調電氣延時二級制動液壓站，采用比例閥調節壓力，配置兩套電動機、泵及調壓裝置，一套運行，一套備用，以保證提升機可靠運行。液壓元件均采用集成方式布置在油箱面板上面，便于檢修維護。 

      5、潤滑站 潤滑站供給行星齒輪減速器潤滑油以保證行星減速器的正常運轉。供油量為63升/分，可保證齒面充分潤滑。潤滑站設有冷卻器并配置兩套電動機和齒輪泵，一套運行，一套備用。

      6、深度指示器 為牌坊式深度指示器，具有指示提升容器在井筒中的位置，發送減速和過卷信號。 

（二）配套電控

      提升機電控部分可選配普通電控、PLC電控或變頻電控成套系統。根據要求提供動力制動。 

 1、 普通電控

      主要配置：定子屏、轉子屏、繼電器屏、動力制動屏、控制屏、金屬電阻器 

      工作原理：串電阻調速方法是在繞線式異步電動機的轉子回路內接入金屬電阻，用控制器逐步切除電阻的方法進行調速。

      優 點：一次性投入成本小，設備簡單維修方便。 

      缺 點：設備運營后資源浪費，調速性能差。

2、PLC電控 

      主要配置：電源換向柜、操作臺、動力控制柜、轉子控制柜、副PLC控制臺、測速發電機、軸編碼器等。

      工作原理：采用雙PLC控制，滿足《煤礦安全規程》保護雙線制要求，除完成絞車手動、半自動運行過程的邏輯操作外，還通過高速計數器模塊接收軸編碼器發出的脈沖信號，精密計算并顯示罐籠（或礦車）所處位置及速度，并據此提供可靠的軟減速點及過速、軟過卷保護。 

      優 點：系統安全可靠，設備體積小，安裝、調試方便。

3、變頻電控 

      主要配置：操作臺、電源柜、電阻柜、變頻器柜

      工作原理：變頻調速方法是異步或同步電動機，利用改變定子頻率的方法從而改變電機同步轉速的方法實現調速。 

      優 點：無極調速、節能、電機性能好、工作穩定。

      作為礦井井下和地面的工作機械，礦井提升機（mine hoist）是一種大型絞車。用鋼絲繩帶動容器（罐籠或箕斗）在煤礦井筒中升降，完成輸送物料和人員的任務。礦井提升機是由原始的提水工具逐步發展演變而來?，F代的礦井提升機提升量大，速度高，已發展成為電子計算機控制的全自動重型礦山機械，如圖一是礦井提升機結構圖，圖二是改造后的礦井提升機工作原理

 

圖二 礦井提升機結構圖

圖三  改造后的礦井提升機工作原理

      未改造的礦井提升機存在工作可靠性低、故障率高、穩定性較差、能源消耗大等弊端。經過高壓變頻器改造后的礦井提升機的工作步驟如下圖三。

圖三  改造后的礦井提升機的工作步驟

      對于改造后的提升機無論正轉、反轉其工作過程是相同的，都有起動、加速、高速穩定運行、減速、低速爬行、制動停車等六個階段。每完成一次提升動作所用的時間，與系統的運行速度，加速度及斜井的深度有關。各段加速度的大小，根據工藝情況確定，運行的時間由操作工人根據現場的狀況自定。圖中各個階段的工作情況如下：

      1） 第一階段 t1：串車車廂在井底工作面裝滿煤后，發一個聯絡信號給井口提升機操作工人，操作工人再回復一個信號到井底，然后開機提升。重車從井底開始上行，空車同時在井口車場位置開始下行。

      2）  第二階段t2：重車起動后，加速到變頻器的頻率為f2速度運行，中速運行的時間較短，只是一過渡段，加速時間內設備如果沒有問題，立即再加速到正常運行速度。

      3）  第三階段 t3：重車以變頻器頻率為f2的最大速度穩定運行，一般這段過程最長

      4）  第四階段 t4：操作工人看到重車快到井口時立即減速，如減速時間設置較短時，變頻器制動單元和制動電阻起作用，不致因減速過快跳閘。

      5）  第五階段 t5：重車減速到低速以變頻器頻率為f1速度低速爬行，便于在規定的位置停車。

      6）  第六階段 t6：快到停車位置時，變頻器立即停車，重車減速到零，操作工人發一個聯絡信號到井下，整個提升過程結束。

      以上為人工操作程序，也可按PLC自動操作程序工作。利用合康HIVERT高壓變頻改造后的提升機工作可靠性提高了。由于變頻器采用的是進口電子器件，壽命長，且具有完善的保護功能，用于提升絞車控制時，其可靠性很高，減少了故障率。通常變頻器都采用磁通矢量控制，使得交流電機的調速性能控制精度非常高。穩定的變頻技術應用使提升機基本無維護工作量，減低了維護人員的工作強度。使用矢量控制系統能夠使調速范圍寬廣，屬于無級調速，低速時穩定性好。采用變頻器控制提升機后，降低了運行噪聲、發熱量，改善了現場環境，而且使能源消耗大大降低。節能效果顯著，據實測可達到30%以上。電控系統現場變更控制內容十分簡單，安裝調試容易。自動化程度高，操作簡單，降低司機勞動強度和操作難度。

六、皮帶機的變頻調速

      與提升機的用途基本同理，皮帶機也是從井下運送煤到地面。區別在于皮帶機的功率更大，它的啟動和運行方式為繞線電機經轉子繞組降壓啟動后工頻運行，經液力耦合器切換至皮帶機。圖四是煤層工作原理，圖五是皮帶機現場示意圖。

      皮帶機的工作原理是皮帶機通過驅動輪轂，靠摩擦力牽引皮帶運動，皮帶通過張力變形和摩擦力帶動物體在支撐輥輪上運動。皮帶是彈性儲能材料，在皮帶機停止和運行時都儲存有大量勢能，這就決定了皮帶機啟動時應該采用軟啟動的方式。國內大多數煤礦采用液力耦合器來實現皮帶機的軟啟動，在啟動時調整液力耦合器的機械效率為零，使電機空載啟動。雖然采用了轉子串接電阻改善啟動轉矩和降壓空載啟動等方法，但電機的啟動電流仍然很大，不僅會引起電網電壓的劇烈波動，還會造成電機內部機械沖擊和發熱等現象。同時采用液力耦合器軟起皮帶時，由于啟動時間短、加載力大容易引起皮帶斷裂和老化，要求皮帶的強度高。加之液力耦合器長時間工作會引起其內部油溫升高、金屬部件磨損、泄漏及效率波動等情況發生，不僅會加大維護難度和成本、污染了環境，還會使多機驅動同一皮帶時難以解決功率平均和同步問題。

      變頻調速是近年來興起的一門新技術，它是通過改變電源頻率來實現速度的調節，因其具有調速平穩、瞬態穩定性高、節能等特性越來越被人們所重視。隨著變頻調速技術的不斷成熟，變頻調速裝置在皮帶運輸設備上的應用也越來越廣泛。我公司生產的MD系列皮帶運輸變頻調速控制設備具有以下特點：
      ■真正實現了帶式輸送機系統的軟起動。運用變頻器的軟起動功能，將電機的軟起動和皮帶機的軟起動合二為一，通過電機的慢速起動，帶動皮帶機緩慢起動，將皮帶內部貯存的能量緩慢開釋，使皮帶機在起動過程中形成的張力波極小，幾乎對皮帶不造成損害。
      ■實現皮帶機多電機驅動時的功率平衡。應用變頻器對皮帶機進行驅動時，一般采用一拖一控制，當多電機驅動時，采用主從控制，實現功率平衡。在山西某煤礦主井皮帶為3×135KW電機驅動，采用主從控制后，輕載時主從電機電流相差5A左右，滿載時相差2A左右?；緦崿F了皮帶機多電機驅動時的功率平衡。
      ■降低皮帶帶強。采用變頻器驅動之后，由于變頻器的起動時間在1S～6500S可調，通常皮帶機起動時間在60S～200S內根據現場設定，皮帶機的起動時間延長，大大降低對皮帶帶強的要求，降低設備初期投資。
      ■降低設備的維護量。變頻器是一種電子器件的集成，它將機械的壽命轉化為電子的壽命，壽命很長，大大降低設備維護量。同時，利用變頻器的軟起動功能實現帶式輸送機的軟起動，起動過程中對機械基本無沖擊，也大大減少了皮帶機系統機械部份的檢驗量。如四川某煤礦主井皮帶采用變頻器驅動后，僅皮帶扣一項年節約用度就達一萬多元。
      ■啟動平滑，轉矩大，沒有沖擊電流，可實現重載啟動。
      ■節能。在皮帶機上采用變頻驅動后的節能效果主要體現在系統功率因數和系統效率兩個方面。
a、 進步系統功率因數
      通常情況下，煤礦用電機在設計過程中放的裕量比較大，工作時盡大部分不能滿載運行，電機工作于滿電壓、滿速度而負載經常很小，也有部分時間空載運行。由電機設計和運行特性知道，電機只有在接近滿載時才是效率最高、功率因數最佳，輕載時降低，造成不必要的電能損失。這是由于當輕載時，定子電流有功分量很小，主要是勵磁的無功分量，因此功率因數很低。采用變頻器驅動后，在整個過程中功率因數達0.9以上，大大節省了無功功率。

b、 進步系統效率
　　采用變頻器驅動之后，電機與減速器之間是直接硬聯接，中間減少了液力耦合器這個環節。而液力耦合器本身的傳遞效率是不高的，且主要是通過液體來傳動，液體的傳動效率比直接硬聯接的傳動效率要低很多，因而采用變頻器驅動后，系統總的傳遞效率要比液力耦合器驅動的效率要高5%～10%。
　　另外，礦井通常離變電站間隔較遠，不同時段電壓波動較大，利用變頻器的自動穩壓功能，也有部份節能作用。

      煤礦中的主井風機、皮帶機、掘煤機（防暴）等等領域，獲得了良好的經濟效應與社會效應。目前，我公司能生產中壓變頻器產品的功率范圍為22KW~800KW，幾乎含蓋所有工礦企業的應用需求。

1、INVT中壓變頻器

INVT中壓變頻器的基本構成

主要器件及技術說明：

      1、使用4400V反向電壓整流橋；

      2、使用直流電抗器，降低了輸入電流諧波,提高變頻器輸入端的功率因素；

      3、逆變模塊使用3300V高壓IGBT,沒有IGBT的串聯,功率器件數量減少，提高了系統的可靠性，新一代模塊損耗低，提高了整機效率；

      4、驅動電路使用光纖隔離傳輸可實現遠距離驅動，提高高壓電路的抗干擾性能；

      5、±15%電壓波動設計，能承受瞬間250%沖擊電流，低頻轉距大,適應中國電網和工況；

      6、電流沖擊抑制能力強，負載大范圍波動時，能安全穩定運行；

      8、采用了先進的SVPWM非正弦脈寬調制技術，在正弦波中注入零序信號。電壓空間矢量脈寬調制技術( SVPWM) 即是在正弦波中注入適當的三次諧波的非正弦調制技術，它的線性調制度較SPWM高15％，而且輸出諧波小。減少了開關頻率，降低了開關損耗，提高了系統的可靠性及壽命；

      9、能抑制電機的瞬態過電流，瞬態沖擊電流可達到250％，保證了在重負載下不跳脫，不影響生產效率；

     10、完善的保護：過流、過壓、過載、欠壓、欠載、缺相、短路、過熱等；

2、防爆變頻器技術

      深圳市英威騰電氣有限公司和其他防爆設備公司合作開發的防爆兼本安變頻器通過高效能熱管或其他高效能散熱技術，其極低熱阻的高效散熱性能，使高壓IGBT的散熱得到解決，設計最大變頻器功率可達到800KW/1140V。針對煤礦井下的特殊環境，防爆變頻器除了在箱體結構方面采取了相應的防潮、防滴水措施外，在主回路方面盡量加大爬電距離與電氣間隙，在控制回路方面，所有的控制板均采取了特殊防潮措施。防爆變頻調速裝置采用英威騰CHV系列無速度傳感器的矢量控制方式。無速度傳感器的矢量控制的基本控制思想是根據輸入的電動機的參數，按照一定的關系分別對作為基本控制量的勵磁電流（或者磁通）和轉矩電流進行檢測，并通過控制電動機定子繞組電壓的頻率使勵磁電流（或者磁通）和轉距電流的指令值、檢測值達到一致，并輸出轉矩，從而實現矢量控制。采用無速度傳感器矢量控制方式的變頻器不僅可在調速范圍上與直流調速系統相匹配，而且可以控制異步電動機產生的轉矩，以保證在低頻（0.5Hz）運行時額定轉矩的輸出可達到1.5倍。

█ INVT中壓變頻器的應用

一、在礦用防爆皮帶運輸機上的應用

      皮帶機是現代化煤礦高產高效的主要運輸設備，皮帶機的拖動技術形式多樣，直接啟動、調速型液力偶合器、軟啟動、交流變頻拖動等多種形式。皮帶機示意圖如下：

圖五 皮帶機示意圖

煤礦井下皮帶機目前對拖動技術的要求越來越高，基本要求是：

      (1)控制簡單，啟動特性好，調速性能好，啟動轉距大；

      (2)節能；

      (3)工作可靠，維護量??；

      (4)價格適中。

      采用無速度傳感器矢量控制（SVC）的防爆變頻器能夠滿足用戶要求，將是井下皮帶機拖動的發展方向。

1、技術比較

    （1）直接起動，轉矩大，但力的傳導不均，尾部反應慢，在皮帶底部有堆積現象。

    （2）偶合器起動，皮帶機慢慢起動，當達到一定轉矩時皮帶開始運轉，而且起動過程中出現打滑現象，造成安全隱患。

    （3）采用防爆軟起動，皮帶機空載時起動平穩，轉矩降低，減少沖擊，延長電機、膠帶機、機械系統的使用壽命，但重載時需突跳，對膠帶機沖擊較大。

    （4）采用防爆變頻器時，調速范圍廣，起動轉矩大，可以在重載下緩慢起動，起動安全可靠，對于多電機拖動同步性能好，在匹配煤流傳感器后，可自動依據煤流大小自動調速，一般可節約電能，并且電機功率因數有明顯提高。

2、綜合成本的比較

   （1）電動機+減速器直接起動初期投入費用不高，但維護費用大。

   （2）電動機+液力偶合器+減速器，初期投入不太高，維護費用較大。另外因設備處于回風巷內道，液力偶合器維護不好常常漏油，有很大的安全隱患。

   （3）軟起動電動機+減速器，初期投入費用居中，維護費用相比前兩種要少，能滿足使用要求。

   （4）變頻器+電動機+減速器，初期投入費用較高，維護費用最低，可調整運行速度，僅從帶電一項上就可逐步收回成本。

     綜上所述，應用變頻器是最好的一種方式。

3、變頻器在皮帶機拖動上的應用特點

    （1）優越的軟起動、軟停止特性。防爆變頻器的起動、停止時間是任意可調（0-10min）的，也就是說起動時的加速度和停車時的減速度任意可調，同時為了平穩起動，還可匹配其具備的S型加減速時間，這樣可將皮帶機起停時產生的沖擊減少至最小，這是其它驅動設備難以達到的。

    （2）驗帶功能。煤礦的生產運輸系統多以皮帶機為主，運輸系統檢修維護的主要工作是皮帶機的檢修維護，低速驗帶功能是皮帶機檢修的主要要求，變頻調整系統為無極調速的交流傳動系統，在空載驗帶狀態下，變頻器可調整電機工作在5%-100%額定帶速范圍內的任意帶速。

    （3）平穩的重載起動。皮帶機在運煤過程中任意一刻都可能立即停車再重新起動，必須考慮“重載起動”能力。由于變頻器采用無速度傳感器矢量控制方式，低頻運轉最大可輸出1.5倍額定轉矩，因此最適于“重載起動”。

    （4） 功率平衡。煤礦井下皮帶機系統多為雙滾筒驅動或多滾筒驅動，為了保證系統內的同步性能，首先，要求位于機頭的各滾筒應同步啟停，在某一電機故障時能使系統停機，同時為了保證系統的運輸能力，應盡量保證各滾筒之間的功率平衡。通過調整相應兩變頻器的速度給定來調整兩電機之間的速度差，便可以任意增大或減小兩驅動電機的電流差值的大小，因此可以通過單獨的控制系統控制各電機的電流值，通過調整各電機的速度來使各電機電流值逐步趨于平衡。英威騰CH系列特有下垂功能，可動態調整系統的功率平衡。

    （5）自動調速、節電效果明顯。對應于煤礦的特殊生產條件，有時，煤的產量是極不均勻的，當然皮帶機系統的運煤量也是不均勻的，在負載輕或無負載時，皮帶機系統的高速運行對機械傳動系統的磨損浪費較為嚴重，同時電能消耗也較低速運行大的多，但因生產的需要皮帶機系統又不能隨時停車，采用單獨的控制系統對前級運輸系統的載荷、本機運輸系統的載荷進行分別測量，這樣可控制變頻器降速或提前升速。對于載荷不均的皮帶機系統，可大大節約電能。

   （6）降低膠帶張力。由于采用防爆變頻器所產生的良好起動特性，至少可降低起動張力30%，如在初期設計選擇膠帶強度時可降低一個標號。在實際應用過程中，由于降低了起動沖擊，皮帶機機械系統的設備損耗也隨之降低，尤其托輥及滾筒的壽命成幾倍的延長。

   （7）現場應用證明，采用防爆變頻器將大大提高皮帶機的可靠性，降低機械系統損耗，減少運輸系統的維護量，且節能明顯。隔爆變頻器以其特有的軟啟動特性，較高的性價比，將成為井下皮帶機拖動的發展方向。

4、皮帶機同步功率平衡的應用方案

針對煤礦防爆裝置對兩臺變頻器的同步性要求精度高，設計方案如下：

方案一：簡易控制

圖六 模擬信號速度同步控制示意圖

      如圖3，通過模擬量信號給定同步速度，穩態時使用速度下垂控制，并且兩臺變頻器共直流母線，達到能量的均衡，使系統更節能。特別需要說明，下垂控制功能專用于多臺電機驅動同一負載的工況。多臺電機驅動同一負載時，不可避免的會出現速度不同步問題，速度快的電機將承受較重負載。這種情況下，變頻器設置下垂功能后，可根據負載變化自動調整運行頻率，使高轉速電機速度下垂變化，從而使負載均衡分配。

方案二：通過高速脈沖輸入輸出實現給定速度的同步控制，框圖如下：

圖七 高速脈沖速度同步

(1)、使用速度控制，主要的控制方法如下：

      兩臺變頻器都采用閉環矢量控制方式。采用閉環矢量的目的是閉環矢量速度控制精度高，速度控制精度達到1/1000，且低頻力矩輸出達到180%額定輸出，動態響應快，可隨負載變化動態調整速度輸出。

      主變頻器的速度反饋通過高速脈沖輸出口（HDO）輸出，作為從變頻器的速度給定。HDO的輸出頻率范圍：0~50KHz，精度可達到0.1Hz。

      從變頻器采用高速脈沖輸入口（HDI）采集主變頻器的HDO信號，作為頻率給定。HDI的輸入頻率范圍：0~50KHz，精度可達到0.1Hz。

(2)、使用轉矩控制，主要的控制方法如下：

      主變頻器的轉矩通過高速脈沖輸出口（HDO）輸出，作為從變頻器的轉矩給定

方案三：通過通訊方式實現給定速度的同步控制，框圖如下：

      該方案與方案二基本相同，只是從變頻器的給定采用485通訊方式給定，485通訊的最大波特率為38400BIT/S，可用于遠程控制。

　　 綜上所述，采用HC-P系列皮帶運輸變頻調速控制技術來改造傳統的帶式輸送機驅動系統，不僅在技術的先進性還是帶來的社會及經濟效益方面都是巨大的，隨著變頻調速技術的不斷成熟，在帶式輸送機的驅動上變頻器將占主導地位。

      經過變頻技術改造后皮帶機徹底實現了皮帶輸送機的軟起、軟停運行方式，使皮帶機在工作中更加性能穩定。系統的功率因數在整個過程中達0.9以上，大大節省了無功功率。采用變頻器驅動后，使系統總的傳遞效率要比液力偶合器驅動的效率高5%～10%系統效率。改造后系統可以根據負載變化情況自動調整輸出頻率和輸出力矩，改變了以前電機工頻恒速運行的模式，在很大程度上節約了電力能源消耗。而且四象限中高壓變頻器的使用實現了皮帶機能量回饋功能，進一步使得皮帶機的能耗降低，液力耦合器的退出更大地節約了設備的維護和維修費用。在節能環保方面更加的完善。

七、煤礦主通風機的變頻調速

      煤礦主通風機是煤礦的四大主要設備之一，主扇風機在煤礦生產中有著重要的地位，作為礦井主通風，它每天24h不停地運轉，是整個礦井的“呼吸”系統。隨著開采和掘進的不斷延伸，巷道延長，盡管風量基本不變，但井下所需的風壓要求卻不斷增加，風機需用功率也隨之增加。礦井一般按開采各階段中通風最困難時期選擇風機型號。一般礦山選型時，按實際通風參數配備電機功率，計算方法如下：

      N-所需電機功率，系指I，II級電機的總功率（kW）；
      Pst－礦井最困難時期總阻力（Pa） ；
      Q－礦井最困難時期總風量（m3/s）；
      ηst－按Pst、Q參數查本樣本的實際運行工況效率；
      K－功率貯備系數，一般取K＝1.1～1.15。

  圖六是煤礦主通風機結構示意圖，圖七是煤礦主通風機實物圖。

      圖六 煤礦主通風機結構示意圖

      常規煤礦通風機有“電老虎”之稱，導致電能浪費嚴重。啟動困難，機械損傷嚴重。主扇風機采用直接啟動，啟動電流大，對電動機的絕緣有著較大的威脅，嚴重時甚至燒毀電動機。而高壓電動機在啟動過程中所產生的單軸轉矩現象使風機產生較大的機械振動應力，嚴重影響到電動機、風機及其它機械的使用壽命。自動化程度低。主扇風機依靠人工調節檔板，更不具備風量的自動實時調節功能，自動化程度低。在故障狀態下，如風流短路，將對礦井正常生產造成嚴重影響。

節約電能

      皮帶機電機平均每天運行16 h左右，日運輸煤3 500 t。原設計采用直接起動，起動后電機全速運行，而井下煤倉下煤量達不到皮帶運輸機的運輸能力，故皮帶上煤量不足，這樣很不經濟，浪費電能。使用HIVERT高壓變頻器對拖動電機進行變頻調速后，皮帶運輸機按實際需要功率出力，把變頻器輸出頻率設為39 ~40 Hz，電機轉速比工頻速度適當降低，就可以使皮帶運行速度與井下煤倉下煤量相匹配，同降低了運行電壓和電流，減小電能消耗。據礦井統計，變頻調速運行比直接工頻運行可節約電能10％～15％。

      如果變頻器出現了問題，會影響到底下礦工的作業，甚至影響到人生的安全。所以說這個方面對高壓變頻器的產品質量要求非常高。HIVERT高壓變頻器有著很高的穩定特性，能夠持續而且很穩定的保持通風機的正常運行。

      礦用通風機采用變頻調速后，節約了電能，而且可根據巷道的風量需求方便的進行調速，避免浪費，應用效果是十分理想的。而且變頻節能運行，節約了大量能源。由于變頻改造后不再使風機一直處于滿負荷工作狀態。 

      由于變頻器改造后風機可以實現變頻軟起動，避免了起動電流的沖擊，不僅對電網沒有任何沖擊，而且還可以隨時起動或停止。進行變頻改造后，風機的大部分工作時間都在較低的速度下運行，因而大大降低了風機工作的機械強度和電氣沖擊，將會大大延長風機的使用壽命，降低維修強度。

       需要注意的是煤礦對旋風機變頻調速后，一般情況下要求兩臺電機的運行頻率盡量一致，從而保證電機轉速一致。避免一臺轉速高，一臺轉速低，形成風阻，影響風機的正常運行。

八、結束語

      我國是世界上的產煤大國，也是噸煤電耗比較高的國家。由于技術、管理、體制等原因，大多數煤礦的勞動力效率低下，對于我國的煤礦開采業應以可持續發展為根本目的。通過許多的實際應用案例表明，高壓變頻器應用于煤礦系統改造能取得良好的運行效果和經濟效益。在國家倡導建設節約型社會的大形勢下，煤礦行業高壓變頻改造正在成為前途光明的朝陽產業。合康HIVERT高壓變頻器以穩定的質量和良好的服務致力于與煤礦行業加強合作，共創美好的未來。

參考文獻： 

1. HIVERT系列高壓變頻器使用說明書  北京合康       2007年4月

2. HIVERT系列高壓變頻器用戶手冊    北京合康       2007年4月

3、譚波,李燕林,譚冠政;變頻調速在礦井提升機中的應用[J];電器工業;2005年04期

4、盧建勤;PLC及變頻器在恒壓變量供水系統中的應用[J];機床電器;2005年04期

5、譚波,李燕林,譚冠政;變頻調速在礦井提升機中的應用[J];機電產品開發與創新;2005年02期

6、王玉軍;變頻調速電機設計制造中的問題及對策[J];機械工程師;2005年05期

7、趙華軍;;基于通用變頻器控制的恒壓供水系統設計[J];機電工程技術;2007年02期

作者簡介：李定川，男，漢族，四川省宜賓市人，1962年6月9日生于四川。1982年畢業于成都電子科技大學電子信息工程專業。現任四川電汽自動化股份有限公司技術總監，電子工程師，《科學中國人》特約記者；宜賓日報優秀通訊員；在《實用影音技術》雜志上發表有DLP投影機的使用及技術特點，“寬帶IP視頻結構簡介”；在《電氣時代》雜志上發表有FPGA在汽車電子中的應用，設計制作有AutoCAD軟件，電子音頻虛擬制作制作儀器。