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中图分类号：TD821
摘要：在煤矿生产中，提升运输、井下通风、排水、压风是煤矿安全生产非常重要的环节，使用的风机、水泵、压缩机、提升绞车设备的电能消耗最大，用电量占整个煤矿生产用电量的70% 以上。为了降低电能的消耗，降低运行成本，增加煤矿大功率运行设备的运行安全性和长期负荷运行的稳定性，在煤矿中引进了变频技术，大容量、多功能、高可靠性的变频器在煤矿生产中得到了广泛的推广和应用，其节能效率在 20%～60%，既缓解电网的能源消耗，又节约煤矿系统的运行费用。
关键词：变频器；大功率设备；节能
1 变频技术分析
简单地说，变频技术就是把直流电逆变成不同频率的交流电，或是把交流电变成直流电再逆变成不同频率的交流电，或是把直流电逆变成交流电再把交流电变成直流电，这样的变化只是频率发生变化，而电能不发生变化。
变频技术的发展，主要以电力电子器件的发展为基础，一共经历了四代发展和更新。
第一代，出现于 20 世纪 50 年代的以晶闸管为代表的电力电子器件。
第二代，在 20 世纪 60 年代发展起来的以电力晶体管 GTR）和门极关断 GTO）晶闸管为代表的电力电子器件。
第三代，在 20 世纪 70 年代开始应用的以双极性绝缘栅晶体管 IGBT）和电力场效应晶体管 MOSFET）为代表的电力电子器件。
第四代，出现于20 世纪80 年代末的智能化功率集成电路 PIC）和 20 世纪 90 年代的智能功率模块 IPM）、集成门极换流晶闸管 IGCT）等电力电子器件。
经过多年的发展，电力电子技术已成为一门多学科的边缘技术，包含交流电路、电力电子器件、计算机辅助设计、模拟电子学和数字电子学、卫星计算机、控制理论、超小规模集成电路、高频技术和电磁兼容等。
随着电力电子器件的发展，变频技术日新月异，其中应用最广的是变频器，将向着高频化、高集成化、高可靠性、低成本的方向发展。
2 变频技术的应用
变频技术广泛应用于各个行业，给行业带来突飞猛进的发展。在煤矿生产中，提升运输、井下通风、排水、压风是煤矿安全生产非常重要的环节，同时，也是电能消耗量最大的应用设备。根据调查，风机、水泵、压缩机、提升绞车的用电量占整个煤矿生产用电量的70% 以上。随着变频器的发展，大容量、多功能、高可靠性的变频器在煤矿生产中得到广泛的推广和应用，为煤矿节省大量电能，特别是在流体类负载中，其节能率在 20% ～60%。
变频控制原理是：采用变频调速电动机实现真正的软启动和平滑调速，利用变频器控制提高输入电源的功率因数，在基频以下为恒转矩输出，输出功率随转速变化。我矿三水平绞车经变频改造，现采用ZJT-400/660变频调速装置，在绞车运行过程中，当电动机减速制动或下放重物时，从逆变器返回的再生功率使变频控制装置内直流母线电压升高，变频控制装置内控制芯片发出指令，使输入电流相位与电源电压相位相反，将电动机再生能量反馈到电网中。
3 技术方案的对比分析
3.1 转子串电阻调速
改造前绞车提升的电力拖动方式为交流拖动电控方式，将金属电阻接入转子回路，利用控制器逐步切除转子电阻的方法进行调速。此种调速控制方式用转子串电阻的方法调速。该调速方法属于有级调速，启动电流和换挡电流冲击大，造成了很大的机械冲击，导致电动机的使用寿命大大缩短，而且极易出现“掉道”现象，且低速转矩小，转差功率大，中高速运行振动大，制动不安全、不可靠。对下放过程中再生的能量不能回馈电网，只能通过所串电阻消耗掉，浪费大量电能。同时，传统的调速方法故障率高，闸皮损耗大，电阻易烧毁，维护工作量大且经常因临时故障维修影响生产。该种技术的缺点：
1）提升机在减速和爬行阶段的速度控制性能较差，特别在负载变动时很难实现均衡减速控制，经常造成蹾罐和过卷事故。
2）提升机频繁启动和制动过程会使转子串电阻调速产生相当严重的能耗，且转子串电阻调速控制电路复杂。
3）串电阻调速属于有级调速，低速转矩小，转差功率大，启动电流和换挡电流冲击大，中高速运行振动大，制动不安全，对再生能量处理不力。
4）斜井提升运行中调速不连续，容易掉道，接触器、电阻器、绕线电动机电刷等容易损坏，故障率高，影响生产。
3.2 变频调速
针对串电阻调速在提升绞车控制中存在以上严重问题，矿方决定对现有技术进行改造，将串电阻调速改为变频调速控制系统。在转子变频调速的运行过程中，通过采集电动机运行时转子电流、频率和电压信号，变频装置将工频电源变为和转子电流同频率的电源，加在电动机转子回路中，改变转子电流的频率，从而改变电动机的旋转速度。变频器在改变频率的同时，还可以改变转子电流和转子电压的相位关系，进而通过磁场改变电动机定子电流和定子电压的相位关系，提高电動机自身的功率因数。电动机自身运行的功率因数提高，定子电流下降，电动机自身的铜损和温升降低，过载能力增大，运行状况得到改善。变频调速可使电动机综合功率因数提高到 0.93 以上，无功功率降低 60%，可降低电动机定子电流10%～20%，节约线损铜损 20% ～30%。改造后达到以下效果：
1）实现软启动、软停车，减少了机械冲击，使运行更加平稳可靠。
2）启动后加速换挡时冲击电流很小，减轻了对电网的冲击，简化了操作，降低了工人的劳动强度。
3）运行速度曲线呈 S 形，使加减速平滑，无撞击感。
4）安全保护功能齐全，除一般的过压、欠压、过载、短路、温升等保护外，还设有过卷、等速超速、定点超速、PLC 编码器断线、错向、传动系统故障及自动限速等保护功能。
5）设有回馈制动、抱闸制动两种制动方式，更加安全可靠。
6）该系统四象限运行，可实现绞车的调速、换向、能量回馈制动等功能，且不受回馈能量大小的限制，适用范围广，节能效果更加明显。
7）采用双 PLC 控制回路，实现双回路保护，当其中一回路出现故障时，另一回路还可继续运行。
4 结语
变频技术在当今是比较成熟的技术，应用在各个行业，而在煤炭企业的应用还处于起步阶段。通过对绞车变频改造技术的分析以及经济、安全性比较，说明变频技术可以在煤炭企业中很好地推广和应用。煤矿的设备系统复杂、能耗高、用电量大，变频技术应用于煤矿固定设备系统，不但能够提升设备的运行稳定性和安全性，还可节能，降低电耗，这与我国的节能减排指导方针是一致的，可为企业带来较大的经济效益。在今后的设计和施工中，应该将变频技术全方位地应用在煤矿设备运行系统中，为煤炭企业提升安全性能，降低成本，创造更好的经济效益。通过对变频技术的分析和阐述，对煤矿提升绞车控制系统改造前后的对比分析，充分说明煤矿系统设备变频改造的应用是成功的，给煤矿带来了较大的经济效益和社会效益，使煤矿系统运行的经济性、安全性、稳定性得到了保障。
参考文献：
[1] 孙鹤旭，董砚，郑易. 变频器应用技术丛书———电气传动与变频技术[M]. 北京： 化学工业出版社，2011.
[2] 魏召刚. 工业变频器原理及应用[M]. 2 版. 北京： 电子工业出版社，2011.
摘要：在煤矿生产中，提升运输、井下通风、排水、压风是煤矿安全生产非常重要的环节，使用的风机、水泵、压缩机、提升绞车设备的电能消耗最大，用电量占整个煤矿生产用电量的70% 以上。为了降低电能的消耗，降低运行成本，增加煤矿大功率运行设备的运行安全性和长期负荷运行的稳定性，在煤矿中引进了变频技术，大容量、多功能、高可靠性的变频器在煤矿生产中得到了广泛的推广和应用，其节能效率在 20%～60%，既缓解电网的能源消耗，又节约煤矿系统的运行费用。
关键词：变频器；大功率设备；节能
1 变频技术分析
简单地说，变频技术就是把直流电逆变成不同频率的交流电，或是把交流电变成直流电再逆变成不同频率的交流电，或是把直流电逆变成交流电再把交流电变成直流电，这样的变化只是频率发生变化，而电能不发生变化。
变频技术的发展，主要以电力电子器件的发展为基础，一共经历了四代发展和更新。
第一代，出现于 20 世纪 50 年代的以晶闸管为代表的电力电子器件。
第二代，在 20 世纪 60 年代发展起来的以电力晶体管 GTR）和门极关断 GTO）晶闸管为代表的电力电子器件。
第三代，在 20 世纪 70 年代开始应用的以双极性绝缘栅晶体管 IGBT）和电力场效应晶体管 MOSFET）为代表的电力电子器件。
第四代，出现于20 世纪80 年代末的智能化功率集成电路 PIC）和 20 世纪 90 年代的智能功率模块 IPM）、集成门极换流晶闸管 IGCT）等电力电子器件。
经过多年的发展，电力电子技术已成为一门多学科的边缘技术，包含交流电路、电力电子器件、计算机辅助设计、模拟电子学和数字电子学、卫星计算机、控制理论、超小规模集成电路、高频技术和电磁兼容等。
随着电力电子器件的发展，变频技术日新月异，其中应用最广的是变频器，将向着高频化、高集成化、高可靠性、低成本的方向发展。
2 变频技术的应用
变频技术广泛应用于各个行业，给行业带来突飞猛进的发展。在煤矿生产中，提升运输、井下通风、排水、压风是煤矿安全生产非常重要的环节，同时，也是电能消耗量最大的应用设备。根据调查，风机、水泵、压缩机、提升绞车的用电量占整个煤矿生产用电量的70% 以上。随着变频器的发展，大容量、多功能、高可靠性的变频器在煤矿生产中得到广泛的推广和应用，为煤矿节省大量电能，特别是在流体类负载中，其节能率在 20% ～60%。
变频控制原理是：采用变频调速电动机实现真正的软启动和平滑调速，利用变频器控制提高输入电源的功率因数，在基频以下为恒转矩输出，输出功率随转速变化。我矿三水平绞车经变频改造，现采用ZJT-400/660变频调速装置，在绞车运行过程中，当电动机减速制动或下放重物时，从逆变器返回的再生功率使变频控制装置内直流母线电压升高，变频控制装置内控制芯片发出指令，使输入电流相位与电源电压相位相反，将电动机再生能量反馈到电网中。
3 技术方案的对比分析
3.1 转子串电阻调速
改造前绞车提升的电力拖动方式为交流拖动电控方式，将金属电阻接入转子回路，利用控制器逐步切除转子电阻的方法进行调速。此种调速控制方式用转子串电阻的方法调速。该调速方法属于有级调速，启动电流和换挡电流冲击大，造成了很大的机械冲击，导致电动机的使用寿命大大缩短，而且极易出现“掉道”现象，且低速转矩小，转差功率大，中高速运行振动大，制动不安全、不可靠。对下放过程中再生的能量不能回馈电网，只能通过所串电阻消耗掉，浪费大量电能。同时，传统的调速方法故障率高，闸皮损耗大，电阻易烧毁，维护工作量大且经常因临时故障维修影响生产。该种技术的缺点：
1）提升机在减速和爬行阶段的速度控制性能较差，特别在负载变动时很难实现均衡减速控制，经常造成蹾罐和过卷事故。
2）提升机频繁启动和制动过程会使转子串电阻调速产生相当严重的能耗，且转子串电阻调速控制电路复杂。
3）串电阻调速属于有级调速，低速转矩小，转差功率大，启动电流和换挡电流冲击大，中高速运行振动大，制动不安全，对再生能量处理不力。
4）斜井提升运行中调速不连续，容易掉道，接触器、电阻器、绕线电动机电刷等容易损坏，故障率高，影响生产。
3.2 变频调速
针对串电阻调速在提升绞车控制中存在以上严重问题，矿方决定对现有技术进行改造，将串电阻调速改为变频调速控制系统。在转子变频调速的运行过程中，通过采集电动机运行时转子电流、频率和电压信号，变频装置将工频电源变为和转子电流同频率的电源，加在电动机转子回路中，改变转子电流的频率，从而改变电动机的旋转速度。变频器在改变频率的同时，还可以改变转子电流和转子电压的相位关系，进而通过磁场改变电动机定子电流和定子电压的相位关系，提高电動机自身的功率因数。电动机自身运行的功率因数提高，定子电流下降，电动机自身的铜损和温升降低，过载能力增大，运行状况得到改善。变频调速可使电动机综合功率因数提高到 0.93 以上，无功功率降低 60%，可降低电动机定子电流10%～20%，节约线损铜损 20% ～30%。改造后达到以下效果：
1）实现软启动、软停车，减少了机械冲击，使运行更加平稳可靠。
2）启动后加速换挡时冲击电流很小，减轻了对电网的冲击，简化了操作，降低了工人的劳动强度。
3）运行速度曲线呈 S 形，使加减速平滑，无撞击感。
4）安全保护功能齐全，除一般的过压、欠压、过载、短路、温升等保护外，还设有过卷、等速超速、定点超速、PLC 编码器断线、错向、传动系统故障及自动限速等保护功能。
5）设有回馈制动、抱闸制动两种制动方式，更加安全可靠。
6）该系统四象限运行，可实现绞车的调速、换向、能量回馈制动等功能，且不受回馈能量大小的限制，适用范围广，节能效果更加明显。
7）采用双 PLC 控制回路，实现双回路保护，当其中一回路出现故障时，另一回路还可继续运行。
4 结语
变频技术在当今是比较成熟的技术，应用在各个行业，而在煤炭企业的应用还处于起步阶段。通过对绞车变频改造技术的分析以及经济、安全性比较，说明变频技术可以在煤炭企业中很好地推广和应用。煤矿的设备系统复杂、能耗高、用电量大，变频技术应用于煤矿固定设备系统，不但能够提升设备的运行稳定性和安全性，还可节能，降低电耗，这与我国的节能减排指导方针是一致的，可为企业带来较大的经济效益。在今后的设计和施工中，应该将变频技术全方位地应用在煤矿设备运行系统中，为煤炭企业提升安全性能，降低成本，创造更好的经济效益。通过对变频技术的分析和阐述，对煤矿提升绞车控制系统改造前后的对比分析，充分说明煤矿系统设备变频改造的应用是成功的，给煤矿带来了较大的经济效益和社会效益，使煤矿系统运行的经济性、安全性、稳定性得到了保障。
参考文献：
[1] 孙鹤旭，董砚，郑易. 变频器应用技术丛书———电气传动与变频技术[M]. 北京： 化学工业出版社，2011.
[2] 魏召刚. 工业变频器原理及应用[M]. 2 版. 北京： 电子工业出版社，2011.