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
【中图分类号】TM34 【文献标识码】B 【文章编号】1561-0330（2018）03-0000-00
1 引言
近几年来，地处山东省济宁市范围内的兖州矿业（集团）有限责任公司所属煤矿企业以及其他煤矿协同有关科研单位开展了对电动机采用变频技术的研究，从电动机技术改造等多个方面总结运行经验教训，有效地保障了电动机的安全、优质运行。
2 矿井主通风机的同步电动机高压变频装置
矿井主通风机担负着井下的主要通风任务，是至关重要的大型安全生产设备，需要长期、连续、安全、可靠的运行，对其可靠安全的控制也就显得及其重要。目前，国内比较流行的做法就是采用高压变频。位于邹城市的山东里能矿业公司里彦煤矿G4-72-11型离心式主通风机采用2台6kV、680kW同步电动机驱动，并且采用1供1备的工作方式。为了方便调节风量、节约电能，他们采用高压变频器对原有的主通风机系统进行技术改造。
（1）主回路改造方案
该矿主通风机系统采用的高压变频选择了完美无谐波的RHVC串联叠加高压变频器。每套主通风机系统采用大功率变频器实现无级调速，通过移相变压器接于6kW电压等级的主动力电源驱动同步电动机。为了提高安全运行性，此系统增加由3个高压隔离开关QS1、QS2和QS3组成的旁路，如图1所示，QS2和QS3不能够同时闭合，在机械上实现互锁。变频运行时，QS1和QS2闭合，QS3断开；工频运行的时候，QS3闭合，QS1和QS2断开。为了实现变频器的故障保护，变频器对现场高压断路器QF进行连锁，必要的时候可以跳开QF。电动机工频运行的时候，变频器允许QF合闸，撤销对QF跳闸信号，使得电动机能够正常通过QF合闸工频启动。常规变频工况，实现单台电动机的变频运行及正反转控制；备用工频运行，即实现单台电动机手动切换工频运行及正反转控制。
（2）系统组成
这个系统主要由高压开关柜、移相隔离变压器、变频单元功率柜、控制柜、励磁柜、数据监测柜等组成。6kV系列一般由15个变频功率单元串联构成一相，三相采用Y型接法，直接输出6kV三相交流电给电动机供电。
（3）变频系统工作原理
此高压变频器采用无谐波功率单元串联多电平技术。由电网送来的三相6kV交流电，经过隔离移相变压器供给每相4个共计12个单相IGBT逆变器功率单元。本相上的4个功率单元输出的SPWM波相叠加后，三相采用Y形连接，形成向电压6kV的高质量正弦波输出，供给2台680kW主通风机电动机。主控柜和功率柜之间采用光纤隔离技术，防止电磁干扰。功率单元采用交-直-交变频技术，单相输出，IGBT元件采用先进高效的热管散热技术，极大提高了工作可靠性。采用IGBT变频功率单元串联多重化叠加技术，属高—高电压源型变频器，直接6kV接入，直接6kV高压输出。各个IGBT变频功率单元由输入隔离变压器的二次隔离线圈分别供电，额定电压690V，每相5个，相电压为3450V，对应的线电压为6000V。给功率单元供电的二次电压互相存在1个相位差，实现输入多重化，可消除各单元产生的谐波，成为真正对电网无污染的“绿色高压变频器”。RHVC变频器由多个690V的IGBT低压变频功率单元串联叠加达到高压输出的目的。高压变频调速装置原理框图如图2所示。
（4）同步运行特点
变频器驱动同步电动机调速时，为了解决变频装置和同步电动机之间的配合问题，在电动机速度改变的同时，变频装置也会协同调节励磁大小和改变输出电压对应值（不是简单的恒V/F控制）。在某一个设定的频率点以上范围运行时，变频器采集同步电动机的功率因数，通过内置PID控制器实时控制同步电动机的励磁电流，实现恒功率因数调节，功率因数0.90（超前）。变频器通过发4～20mA指令给同步电动机的励磁调节器调节励磁电流；在此频率点以下范围运行的时候，励磁电流由变频器根据当前的运行工况，输出4～20mA信号给同步电动机的励磁调节器去，采用变频变励磁电流调节。调节方式切换由变频器自动完成，而且调节方式切换点频率可以通过参数设置。
（5）运行效果
加装变频器之后，该矿主通风机系统同步电动机的无功电流仅在同步电动机和变频器之间流动，不进入电网，变频调速时励磁电流的调节无需关心同步电动机的无功电流；经过一段时间的带载运行，效果良好，在操作台上就可以通过2个控制按钮实现远程控制风机的启停；通过观察电流、电压、转速、风量，可以分析出风量是否充足稳定，启动电流和稳定运行电流都大为减少。
3 带式输送机电动机应用隔爆变频调速
兖州矿业（集团）公司机械制修厂生产的带式输送机配置4台大功率电动机驱动装置（采用3+1模式，3套工作、1套备用）。整部输送机由3台电压为1140/660V异步电动机并联拖动，通过减速器与输送机驱动滚筒连接，电动机与减速器、减速器与驱动滚筒之间采用蛇簧联轴器相连接。该机采用同轴电动机，即2台电动机同时控制1个驱动滚筒，要求电动机启动有良好同步性来保证系统功率平衡。通过对各种调速方式分析比较，决定每台电动机配置1台QJR400型隔爆变频调速装置，采用电动机隔爆变频调速装置对输送机进行调速控制。
电动机隔爆变频调速装置的操作可以在本机控制，也可以在远程控制。此机控制是靠变频调速系统内置的触摸屏来设定运行参数。在触摸屏上进行运行和停止操作。远控时，通过工作台对变频调速系统进行外控操作。应用变频调速装置时，一般采用一拖一控制。3台电动机同时启动而且2台电动机同轴时，在电动机隔爆变频调速装置之间增加主从控制功能，可任意设置其中1台为主机、其余2台为从机。在现场中设置同轴的1台电动机为主机、其余2台电动机为从机，同轴的另一台电动机设置为转矩跟踪，不同轴的第三台设置为速度跟踪。主机是调速装置群控中的首机，其它变频器都是从机。主机只有1台。运行中只对主机控制，全部从机同步自动跟随主机动态运行，实现良好的主从关系目标控制运行模式。经过长时间的运行检验证明，真正实现电动机软启动和带式输送机软启动合二为一。通过电动机慢速启动带动带式输送机缓慢启动，将胶带内贮存的能量缓慢释放，几乎对胶带不造成损害，设备启动特性平稳，极大降低设备的维护检修量，同时节能效果明显。电动机隔爆变频调速装置以其特有的软启动特性和较高的性价比，成为矿山井下带式输送机驱动的发展方向。
4 热电厂高压电动机应用高压变频
兖州矿业（集团）公司济宁三号煤矿煤矸石热电厂2台135MW发电机组，每台机组配置2×6kV/1250kW引风机、2×6kV/1330kW一次风机、2×6kV/900kW二次风机、2×6kV/630kW循环水泵、2×6kV/3600kW给水泵、2×6kV/3150kW凝结水泵。大部分风机和泵采用阀门调节，正常时运行电流略低于电动机额定电流。采用调阀门的方式使电动机处于低负荷运行状态，电动机的功率因数较低，存在着不合理的运行。这些风机、水泵约占厂内用电功率70%，每年浪费电能高达数百万元。他们对系统进行合理的高压电动机变频改造，运用“一拖一”的方案通过调节电动机工作频率和风机风量，节电率41%，达到节能降耗的目的。
（1）变频改造后的系统
①三相6kV高压交流电通过高压开关柜送至干式隔离移相变压器，供给每相5个共计15个单相IGBT逆变器功率单元；采用Y形连接每相5个功率单元输出的SPWM波相叠加，形成线电压6kV的高质量正弦波输出，供给电动机。通过控制此输出正弦波的电压幅值与频率，来控制电动机的转速。
②变频器工频旁路采用高压真空接触器，通过转换开关选择“手动/自动”旁路功能。
③变频器输出接触器与旁路接触器之间实现电气互锁，防止变频及工频同时投入运行。
④变频器具有标准的RS-485通讯接口，并支持MODBUS-RTU等多种通讯协议，能够实现与其它厂DCS系统通讯。
⑤通过转换开关选择“本机/远程”控制方式，除具有远程控制外，变频器还能够实现本机控制。
⑥变频器具有过压保护、欠压保护、过载保护、短路保护和超温保护等完备的保护功能。
（2）变频改造后的系统特点
变频改造后，保留原有的电动机继续使用，不改变原有风机及水泵设备的任何基础；风机与水泵变频系统既可以变频调速运行，也可以旁路直接投入工频运行，不存在dv/dt问题，对电动机的绝缘无损害，有利于电动机长期可靠运行；由于电压和频率均连续可调，电动机的启动变为软启动，启动电流得到有效的控制，转矩冲击不再存在，大幅度减少电气和机械故障对生产的影响；谐波含量极低，不对电网和其它设备造成干扰，输入侧的功率因数高达0.95以上；现场速度给定信号掉线时，变频器提供报警的同时，可按原转速继续运行，维持风机与水泵运行工况不变；通过变频调速控制风量，避免能源浪费，节省大量电能；控制电源掉电时，控制系统可以由移相变压器供电，保证不停机。单元模块化设计，故障不扩散，恢复故障设备极其简单方便，更换故障单元仅需几分钟；提供标准的通讯接口，实现与后台的通讯，方便系统集中控制；可以满足“本机/远程”操作，通过切换开关选择，高自动化控制，达到安全、高效、节能的目的，性价比高。
5 煤矿主通风机变频技术在节能改造
位于邹城市的山东鲁泰煤业公司太平煤矿将变频调速技术应用于矿井主通风机的节能改造。理论计算及现场实测数据表明，改造以后的主通风机节能效果显著。
（1）应用背景
①改造前的主通风机状况。该矿安装有2台4-72-11№20B主通风机，1台工作、1台备用。配套JS137-8型电动机，额定功率210kW，电压等级380V，额定转速735r/min，实测主通风机排风能力Q1=4210m3/min。按煤矿生产安全规程要求的配风量Q2=3410m3/min，利用闸门调节风量，风门开度80%。
②存在的问题。矿井风量是通过调节风门开度来改变风道断面尺寸实现的，既耗时又费力；电动机采用直接启动方式，启动电流为额定电流5～7倍，电动机受到机械、电气冲击较大，缩短使用寿命；通过调节风门来改变主通风机工况，电动机仍然以额定转速运行，多余容量不能利用，浪费电能。
（2）改造方案及节能原理
①改造措施。在主通风机配电柜系统并联1台HY-FAN/INV-3.0型变频控制柜，变频调速控制器为FRN200P11S-4CX型，额定电压380V、频率0～50Hz、额定电流377A。
②工作原理。主通风机启动时，在变频器控制下，电动机从1～2Hz低频启动，10s内达到设定频率值；主通风机启动后，通过对电位器的调节改变变频器的频率，从而改变主通风机工作状态，精确控制风量，使通风系统保持在最佳工作状态。变频控制柜上装有故障报警系统。发生故障时发出声光报警，并显示故障原因。变频控制系统与原有启动系统并联安装，实现2个柜的手动切换功能，在变频控制系统发生故障时可及时切换到原启动柜工作。
（3）改造后的效益分析
①理论节能计算。根据风机排风量与转速之间的关系Q2/Q1=n1/n2，计算得调节后电动机转速596r/min。根据电动机转速与频率的关系n=60f(1-s)/p。式中：f——三相交流电源频率，一般为50Hz；s——电动机的转差率，一般异步电动机在额定负载下s=1%～6%；p——电动机的定子磁场对数。计算得变频器频率设定在40Hz。根据风机类平方转矩负载关系式P/P0=(n/n0)3，计算得P=112kW。式中：P0——额定转速n0时的功率；P——转速n时的功率。理论节电率为(210-112)/210×100%=47%。
②直接经济效益。改造前后的电流实测数据如下：A相、B相、C相和平均值在变频时分别为190A、193A、185A和189A；工频时分别为290A、294A、290A和292A。节电率=（工频值-变频值）/工频值×100%=36%。改造前的年耗电量（cosΦ=0.887）为1493282.8kW·h，改造后的年耗电量（cosΦ=1）为1089676.0kW·h，年节电量403606.8kW·h，价值242164.08元（按0.6元/kW·h计）。节电效果非常明显，当年就可收回改造费用。
③间接效益。只需通过变频器的频率升降即可达到调整矿井风量的目的，调整方便简捷，有效提高通风安全性；低频启动可以消除50Hz工频直接启动对电动机及通风机负载的冲击，使主通风机的启动性能更稳定，并减小直接启动对矿区电网的干扰和冲击；电动机不用一直工作在额定转速，运行平稳，极大降低机械磨损，延长设备使用寿命，减少维护费用。
6 电厂厂用电动机高压变频改造
兖州矿业（集团）公司南屯煤矿煤矸石热电厂的主要生产用辅机基本上都是6kV的高压电动机，其中引风机、进风机和一次风机等全部是通过调节挡板进行运行调节的。调节挡板的开度一般只有30%～60%，节流损失巨大；给水泵容量1600kW，配置该厂容量最大的高压电动机，其压力损失高达5MPa。以上电动机总功率11850kW，约占全厂用电功率70%，每年因此浪费的电能非常巨大。为此，他们对送风机、引风机和给水泵3种设备的高压电动机进行变频控制技术改造，将厂内高压电动机用电控制在比较合理的水平。
（1）变频装置与电动机的连接方式
一次回路由进线柜、手动切换柜、变频器和电动机组成，其中的进线柜和电动机由用户自备。旁路柜的作用是在变频器维护过程中或变频器出现故障时，将电动机投入工频电网运行，保证生产不受影响。进线柜为工频运行时的电动机，也为变频运行时的变频器提供电气保护，保护整定值以保护电动机为准。变频运行的时候，变频器为电动机提供全面的保护，但是变频器本身的保护（主要是过电压保护和速断保护）由进线柜负责，其整定值保持电动机保护值不变。在旁路柜一次回路中共有3个高压隔离开关。为了确保不向变频器输出端反送电，旁路柜两端的K2与K3采用1个双投隔离开关，实现自然机械互锁。当变频器两端的K1、K2闭合而K3断开的时候，电动机变频运行；当K1、K2断开而K3闭合时，电动机工频运行，此时变频器从高压中隔离出来，便于检修、维护和测试。旁路柜必须与上级高压断路器连锁，旁路柜隔离开关未合到位的时候，不允许上级高压断路器合闸；上级高压断路器合闸的时候，绝对不允许操作隔离开关，以防止出现拉弧现象，确保操作人员和设备的安全。
（2）实践效果
这个厂的应用实践表明：采用高压变频调速控制技术对风机和水泵的高压电动机进行变频控制，实现了进风风量和给水流量变负荷调节的最佳效果，可以根据流量或者压力的变化来调节高压电动机的转速，降低电能的损耗、节约生产成本、延长设备的使用寿命、减少维护量，2a即可以收回全部投资，为降低热电厂厂用电率提供良好的途径。
7 电动机的离心式冷却风机应用变频技术
兖州矿业（集团）公司鲍店煤矿通过把变频器的外部频率给定端子与电控系统可编程自动化控制器的模拟量输出端子连接，实现电动机离心式冷却风机的风量随着矿井提升机主电动机定子温度的变化而自动调节，大幅度提高电动机风机的效率，彻底解决风机启动电流大的问题，基本上是免维护运行。
（1）改造方案
矿井提升机主电动机的冷却至关重要，设计不当会对电动机造成很大危害。传统的风门调节风量方式给提升机运行带来安全隐患。该矿副井2部提升机的主电动机采用离心式风机冷却方式，利用调节风门开度的大小来调节冷却风量的多少。在多年的实际运行中发现其存在启动电流大、风机效率非常低以及风量不能够自动调节等缺点。经过论证，决定去掉调节风门，改由变频器来驱动离心式风机的电动机，通过调节电动机的转动速度来调节冷却风量；并且将离心式风机变频器的控制信号引入到提升机的控制系统中，实现离心式风机状态的实时监控以及风量的自动调节。结合矿井提升系统的实际情况，选用西门子MicroMaster440变频器，其控制方式为矢量控制，性能稳定可靠。
（2）系统特点
①启动电流。改造以后，由于在变频器中设定电动机启动曲线，离心式风机的电动机不再是全压启动，启动电流由原先600A下降到200A，极大减少对电动机的冲击。
②变频器启动顺序。断开刀闸开关，闭合带过流保护空气开关，合上手动开关，变频器上电。司机通过PLC发出“变频器启动”命令，继电器吸合，变频器启动。启动完毕以后，变频器“启动完毕”反馈信号接点闭合，启动完毕。在PLC程序中，若PLC发出“变频器启动”命令6s后，未得到变频器“启动完毕”反馈信号，就发出风机故障的信号，并且闭锁绞车。这时可能是接触器或者变频器故障。
③变频器故障时的风机启动。风机控制恢复原先方式。启动顺序如下：把风门开度调至15%以下，先合刀闸开关，再合带过流保护的空气开关，最后合手动开关，电动机全压启动（设置手动开关就是为了在变频器损坏时可使风机正常启动）。同时，PLC检测到刀闸开关所带辅助接点的信号输入后，屏蔽检测变频器“启动完毕”信号，仅检测接触器辅助接点。
④频率自动调节。厂家在主电动机的定子和转子中预埋了Ni100测温电阻。利用S7-400PLC模拟量输入模块很容易检测到电动机温度，利用变频器外部频率跟定功能可实现频率随检测到的电动机实际温度自动调节，把PLC的模拟量输出接点与变频器频率给定接点连接，将变频器频率给定信号设置为4～20mA电流，连接的PLC模拟量输出接点输出信号也设置为4～20mA信号。鲍店煤矿副井提升机的主电动机为B级绝缘，他们在PLC程序设置了温度高于100℃时PLC模拟量输出接点输出18mA信号，即风机以88%额定转速运行；当主电动机温度低于20℃时，PLC模拟量输出接点输出6mA信号，即风机以12%额定转速运行；在20～100℃之间，风机电动机速度分成5段。
⑤保护功能。a.风机的状态监控。在接触器的吸合信号和变频器启动反馈信号均传到PLC时，系统才认为通风系统正常；变频器损坏时，系统只检测接触器的状态；若在绞车提升过程中检测到风，温度不超过115℃时允许本次提升，完成后闭锁绞车。b.绞车主电动机温度保护设置。主电动机温度过115℃的时候，控制系统产生电气制动。
8 煤矿电机车电动机应用变频调速技术
电机车是煤矿地面和井下轨道运输的主要牵引设备。其中，架线式牵引机车多年来一直沿用结构复杂、故障率高和维修费用大的直流电动机，而且目前国内绝大多数矿山牵引机车还在使用触头电阻调速方式，处于耗电量大与维修量大的状态。变频调速牵引机车采用了故障率低和性能可靠的三相异步交流鼠笼式电动机，结合技术先进与节电效果显著的变频调速器，取代直流电机车落后的驱动技术，达到当代世界先进技术水平。山东科技大学和兖州矿业（集团）公司机械制修厂对变频调速技术在矿山牵引电机车上的应用情况进行了分析研究。
（1）电机车电动机变频调速的特点。
这种系列支流电机车的变频调速器是采用世界最先进的DTC变频调速技术，配备了进口原装全套控制电路及进口智能型IGBT模块元件研制而成的。DTC控制技术使三相鼠笼交流电动机超过直流电动机的启动转矩，满足电机车在低速时的最大启动牵引力。其特点如下：实现无级调速，最低可调频率0.1Hz，车轮最低转速可调至0.5r/min；无级别实现任何车速限制，下坡行驶限速可靠、效果优良；电动机转速与控制器指令保持一致，调速器手把打到零位即实现制动，机车由高速转向低速时能有效克服惯性；调速器具有电动机短路、缺相、过电压、欠电压保护功能，当操作不当致使变频器温度≥85℃时，调速器自动封锁输出。
（2）直接转矩控制的特点
调速技术经历4代发展为直接转矩控制（DTC），在很大程度上克服了第三代矢量控制（POC）的缺点，成为交流电动机调速控制的又一次突破，正成为电力电子与电力传动领域应用的热点。直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型、控制电动机的磁链和转矩，所需信号处理特别简单，所用控制信号使观察者对交流电动机的物理过程能够做出直接和明确的判断；直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就能观察出来；直接转矩控制采用空间矢量概念分析三相交流电动机的数学模型和控制各物理量，使问题变得简单明了；直接转矩控制强调的是转矩的直接控制效果。
（3）矿用电机车应用DTC控制技术
由于工作环境特点所致，矿用电机车调速系统处于频繁的启动、制动和加减速等状态，还要适应负荷上下坡和颠簸路况等情况，因此要求电动机启动转矩大、过载能力强。另外，调速系统不但需要能够四象限运行，还需要能够再生制动到低速。这样，当负载转矩增大的时候，转速就能够迅速下降，而电动机的输出功率基本不变，从而使得电动机不容易因负载增大而引起过载。反之，当负载变小的时候，电动机的转速能够自然上升，以利于提高生产效率。此外，为了防止主轮打滑，调速系统还应当考虑具有最大转矩限幅的功能。由于逆变器和电动机都安装在电机车上，所以整个调速系统应当尽可能设计得体积小、重量轻、硬件结构简单和控制方便。对于直接转矩控制而言，在高速运行阶段，除了电动机定子电阻，不需要知道其它参数，所以直接转矩控制对电动机参数的依赖性比矢量控制要低许多。其产品包括5t、8t和10t隔爆型电动机斩波调速控制装置，目前已经广泛用于以电池为动力源的、交流电动机牵引驱动的矿山电机车上。
（4）体会
利用这种调速器控制的各类电机车，可以有效地解决牵引电动机低速启动力矩低、带速度启动、掉电再启动及系统防尘、防水、防振等问题，具备过流、过压等全面保护功能。这种电机车采用我国先进的DTC低速高转矩变频调速技术，将架线或者蓄电池的直流电通过大功率IGBT元件逆变为功率可调的三相交流电，驱动三相异步电动机。由于采用DTC控制技术，使得三相异步电动机达到和超过直流电动机的启动转矩及牵引特性（如1Hz时最大转矩可以达到额定值300%，是直流电动机1.66倍），使电机车带重载启动强劲有力。它与传统的直流电机车相比，具有交流电动机不容易损坏、司机控制器无触头无磨损以及不用高耗能调速电阻的特点，属于高可靠、高能、高节电的设备。
