交流变频技术在龙口矿区的推广应用
•  杨跃林

　前言：近年来，随着煤矿生产机械化水平的提高，设备装机功率大幅增加，电机的启动、调速和经济运行成为迫切需要解决的问题。以前，我们是基本采用电气软起动装置来解决启动问题，但由于软起动装置不具备在线控制功能，所以电机调速和经济运行问题一直未得到很好的解决。

　　目前，我们在对相关科学技术发展情况和现场使用情况进行多次调研、充分论证的基础上，决定推广应用交流变频调速技术。

一、 交流变频技术原理

交流电动机的同步转速表达式为：

n ＝ 60 f (1 － s)/p —— (1)

式中　 n ———异步电动机的转速；

f ———异步电动机的频率；

s ———电动机转差率；

p ———电动机极对数。

我们由式 (1) 可知，转速 n 与频率 f 成正比，只要改变频率 f 即可改变电动机的转速。当频率 f 在 0 ～ 50Hz 的范围内变化时，电动机转速的调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机的电源频率来实现速度调节。这是一种理想的高效率、高性能的调速手段。

二、 交流变频技术的发展

1 、 20 世纪 60 年代，大功率晶闸管 (SCR) 首先亮相，变频调速也因此得到了实施。

2 、 20 世纪 70 年代，电力晶体管 GTR 问世，把变频调速推向了实用阶段，并于 80 年代初开始逐渐推广。

3 、 20 世纪 80 年代末，绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 的开发成功，使变频器在许多方面都得到了较大的提高。　

4 、 90 年代中期，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的发展，交流调速取代直流调速及计算机数字控制技术取代模拟控制技术已经成为发展趋势。特别是高压交流变频调速技术，应用了先进的电力电子技术、计算机控制技术、现代通信技术和高压电气、电机拖动等综合性领域的学科技术，以其节能效益显著、调速精度高、调速范围宽、保护功能完善、易于实现自动通信功能和运行安全可靠、安装使用、维修维护方便，而成为被国内外公认的最有发展前途的调速方式。目前，以西门子公司的 HV-IGBT （高压 IGBT ）为核心技术的 SIMOVER MV 中压变频调速装置和以功率单元电压串联结构技术（低压 IGBT ）为核心的罗宾康完美无谐波高压变频器以及 ABB 公司采用其研制的 IGCT 和 DTC －直接转矩控制为技术核心的 ACS-1000 高压变频调速装置为主流产品。

　　现在，交流变频调速技术在一些工业发达国已得到广泛应用。美国有 60%~65% 的发电量用于电机驱动，由于能够有效利用变频调速技术，仅工业传动用电这方面就可节约 15%~20% 的电量。目前，国家发改委发布的《产业结构调整指导目录（ 2005 年本）》中也明确将交流变频调速节能技术开发及应用列为我国节能方面的鼓励类项目。

三、 交流变频调速特性

　　在交流调速技术中，变频调速具有绝对优势，而且它的调速性能与可靠性不断完善，价格也不断降低，特别是变频调速的节电效果明显，易于实现过程自动化，所以深受工业行业的青睐。

（ 1 ） 调速时平滑性好，效率高。低速时，特性静关率较高，相对稳定性好。

（ 2 ） 调速范围较大，精度高。

（ 3 ） 起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显。

（ 4 ） 变频器体积小，便于安装、调试、维修。

（ 5 ） 易于实现过程自动化。

（ 6 ） 必须有专用的变频电源，目前造价较高。

（ 7 ） 在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。

四、交流变频技术在煤矿推广的重要意义

　　煤矿生产由于行业特点和特殊性，在生产现场使用大量的大容量交流电动机，装机容量大、设备重载启动频繁、负载不均衡、能耗大，而交流变频调速技术以其良好的调速性能和节能效果，较好地解决了上述问题。

　　应用交流变频调速技术，使设备运行稳定性和可靠性明显提高，为安全生产提供了有力保证，同时也是贯彻落实国家十一五规划提出建设节约型社会的重要措施之一，是煤矿实现节支降耗的重要途径之一，所以有着十分积极而深远的意义。

五、变频调速技术的具体应用

20 世纪 90 年代中后期，龙口矿区开始应用变频调速控制技术，但由于当时生产技术和成本的问题，只是范围应用于地面 380V 供电系统，主要为低压风机等。近两年，龙口矿业集团公司将变频调速技术广泛应用于提升机、采煤机、电机车、扇风机等煤矿生产设备，取得了较好的效果，特别是引进了高压变频调速技术，在交流变频调速技术应用方面走在了煤炭行业的前列。具体应用情况如下：

1 、 变频调速技术在采煤机的应用

　　继 2003 年龙口矿业集团公司引入变频调速电牵引 MGTY250/600-1.1D 采煤机并成功应用后， 2005 年投资 35 万元，对原用的 2 台 MXG-150/350D 型采煤机的电磁调速牵引系统的可靠性低、故障查找困难以及能量转换效率低的问题进行了改造，即将原有的机载式电磁调速系统改造为非机载式 660V 中压变频调速系统。

　　主要改造内容为：保留原 MXG-350D 采煤机电控箱，对牵引部分进行屏蔽；增加变频器、端头站控制系统，实现牵引部原有的控制保护功能；变频控制器放在变电列车处；为满足工作面的煤层倾角要求，增加一组制动单元；将原有的 22kW 牵引原动机利用机械短接的办法将电磁部分进行改造作为变频系统的电动机使用。

　　采煤机电控系统改造后，在保证原采煤机的控制及保护功能不变的前提下，增加了部分保护和显示记忆功能：

　　改造后，设备的可靠性和稳定性明显提高，仅维修费用每年就可节约 20 多万元。同时，由于变频器的节能特性，改造后经测量，在采煤工作面条件基本相同的情况下，变频调速比滑差电磁调速日节电 198kW.h ，年节电 7 万 kW.h ，节约资金约 3.64 万元。

2 、变频调速技术在电机车上的应用

2005 年以来，公司逐步将变频调速技术应用于井上井下电机车，先后投资近 200 万元，采用了 4 台 XKP 蓄电池式变频调速电机车和 4 台 CJY10 ／ 6P 架线式变频调速电机车，逐步取代了直流电阻调速电机车。

　　该设备采用了 DTC 低速高转矩变频调速技术，将架线或蓄电池的直流电通过大功率 IGBT 元件逆变为频率可调的三相交流电来驱动三相异步电动机。由于采用了 DTC 控制技术 , 所以使三相异步电机大大超过直流电机的起动转矩和牵引特性（如 1Hz 时其最大转矩可达额定值的 300% ，是直流电机的 1.66 倍），使机车带重载起动强劲有力。与传统的直流电机车比较，其交流电机不易损坏，司控器无触头、无磨损，节能效果明显，彻底解决了直流电机车的直流电机损坏率高、触头式调速机器维修量大、降压调速电阻电耗能高的老大难问题。

　　电机车采用变频调速技术，也取得了较为明显的经济效益，如 8 台电机车装机容量为 352kW ，若按日运行 16 小时、年运行 350 日计算，每年就可节约电费 30 万元，节约直流电机维修费用 10 万元。

3 、变频调速技术在井下提升机上的应用

近年来，集团公司还逐步将变频调速技术应用于井下提升机电控系统，取代传统的 TKD 电控系统，先后对北皂煤矿海域暗斜井、梁家煤矿煤 4 一采轨道、四采轨道绞车电控系统进行了改造。改造后，系统运行可靠性，经济性明显提高。具体如下：（ 1 ）在电网波动± 20% 范围内，恒转矩提升。（ 2 ）实现了电机软启动。（ 3 ）电机可以实现无级调速。（ 4 ）采用芯片控制和 PLC 外端电路接口相结合，具有很高的可靠性，同时利用 PLC 强大的控制能力 , 易于实现现场灵活控制的方式。（ 5 ）系统实现四相限运行。（ 6 ）节能效果显著，节电率可达 35 ％。

以上绞车装机容量为 545kW ，若按日运行 18 小时、年运行 350 日计算，每年可节约电费 62.49 万元。

4 、高压变频调速技术在主扇风机上的应用

　　高压交流变频调速技术，是 90 年代中期迅速发展起来的一种新型电力传动调速技术，其运行安全可靠，安装使用，维修方便，现已成为国内外公认的最有发展前途的调速方式。

　　在考虑梁家煤矿扇风机改造方案时，集团公司引进了西门子罗宾康（ ROBICON ）高压变频调速装置，在实现交流变频调速后，达到以下效果： 1. 节电效果显著。主扇风机电动机容量为 800kW ，正常输出功率为 453kW ，最大为 740.35kW ，节电率可达 32.59% ，年节约电费 104.92 万元。 2. 实现闭环运行，实现风机的自动控制。 3 ．系统实现软启动。 4 ．维护量减少。 5 ．工作强度降低。完全实现生产的无人操作，提高了生产效率。

随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的发展，交流调速取代直流调速及计算机数字控制技术取代模拟控制技术已经成为发展趋势。交流变频调速技术在工业发达国已得到广泛应用。美国有 60%~65% 的发电量用于电机驱动，仅工业传动用电就节约了 15%~20% 的电量。由于我国煤矿生产的行业特点和特殊性，现场大量使用的大容量交流电动机造成重载启动频繁、负载不均衡、能耗大，为此大力推广应用交流变频调速技术，以提高设备运行的稳定性和可靠性，不仅可为企业的安全生产提供有力的保证，也是贯彻落实国家十一五规划提出建设节约型社会的重要措施之一，更是煤矿实现节支降耗的重要途径之一，所以有着十分重要而深远的意义。

（作者单位：龙口矿业集团公司）