變頻器在礦用機械設備中的應用探析

俞國弘

[摘 要]礦用生產往往是多小時連續作業，即使短時間的停機維修也會給生產帶來很大損失。礦用機械設備的技術改造要求迫在眉睫。鑒于提升絞車的特殊性，本文將研制開發礦用機械設備系列變頻器，用該系列變頻器對原礦用提升機進行改造，具有良好的安全運行及節能效果。

[關鍵詞]變頻器；礦用機械設備；應用

中圖分類號：U463.8 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2014）10-0032-01

現在大多數礦用機械設備還在沿用傳統的線繞轉子異步電動機，用轉子串電阻的方法調速。這種系統屬于有級調速，低速轉矩小，轉差功率大，起動電流和換擋電流沖擊大；中高速運行振動大，制動不安全不可靠，對再生能量處理不力，斜井提升機運行中調速不連續，容易掉道，故障率高，因此，開發原礦用機械設備勢在必行[1]。

1 使用礦用機械設備系列變頻器的優點

1）可以實現電動機的軟起動、軟停車，減少了機械沖擊，使運行更加平穩可靠。2）起動及加速換檔時沖擊電流很小，減輕了對電網的沖擊，簡化了操作、降低了工人的勞動強度。3）運行速度曲線成S形，使加減速平滑、無撞擊感。4）安全保護功能齊全，除一般的過電壓、欠電壓、過載、短路、溫升等保護外，還設有聯鎖、自動限速保護功能等。5）設有直流制動、能耗制動、回饋制動等多種制動方式，使安全性更加可靠。6）該系統四象限運行，回饋能量直接返回電網，且不受回饋能量大小的限制，適應范圍廣，節能效果明顯[2]。

2 變頻器在礦用機械設備應用的原理

該系統的運行過程主要分為兩個過程：1）絞車電機作為電動機的過程，即正常的逆變過程。該過程主要由整流、濾波和正常逆變三大部分組成。其中，正常逆變過程是其核心部分，它改變電動機定子的供電頻率，從而改變輸出電壓，起到調速作用。2）絞車電機作為發電機的過程，即能量回饋過程。該過程主要由整流、回饋逆變和輸出濾波三部分組成。其中，該部分的整流是由正常逆變部分中IGBT的續流二極管完成。二極管VD1和VD2為隔離二極管，其主要作用是隔離正常逆變部分和回饋逆變部分[3]。電解電容C2的主要作用是為回饋逆變部分提供一個穩定的電壓源，保證逆變部分運行更可靠?；仞伳孀儾糠质钦麄€回饋過程的核心部分，該部分實現回饋逆變輸出電壓相位與電網電壓相位的一致。因為回饋逆變輸出的是調制波，故為保證逆變的正常工作以及減少對電網的污染，我們增加了一個輸出濾波部分，使該系統的可靠性更加穩定。鑒于礦區電壓的波動性可能比較大的事實，由于變頻器的回饋條件是要和電網電壓有一個固定的電壓差值，假若某時刻電網電壓比較高，再加上回饋時的固定電壓差值，則此時變頻器的母線電壓就會達到一個比較高的電壓值：如果再有重車下滑，則母線電壓會更高。此時的高電壓就有可能威脅到變頻器的大功率器件的安全，為此，該系統又加了一個剎車部分，以保證變頻器的安全[4]。

3 工程應用

3.1 礦用提升機概況

礦井提升機是煤礦、有色金屬礦生產過程中的重要設備。提升機的安全可靠運行，直接關系到企業的生產狀況和經濟效益。目前，大多數中小型礦井采用斜井串車提升，這種提升方式建井快、地面布置簡單、投資少。傳統斜井提升設備采用繞線轉子電動機串電阻調速，電阻的投切用繼電器-交流接觸器控制。這種控制系統由于調速過程頻繁，設備運行的時間較長，交流接觸器主觸頭氧化，引起設備故障[5]。

礦山井下采礦作業，采好的礦石通過斜井用串車拖到地面上來。串車與火車的運貨車廂類似，只不過高度和體積小一些。在井口有一提升機，由電動機經減速器帶動卷筒旋轉，鋼絲繩在卷筒上纏繞數周，其兩端分別掛上兩列串車車廂，所示為提升機卷簡機械傳動系統結構示意圖，在電動機的驅動下將裝滿礦石的列車從斜井拖上來，同時把一列空車從斜井放下去，空車起著平衡負載的作用，任何時候總有一列重車上行，不會出現空行程，電動機總是處于電動狀態。這種拖動系統要求電動機頻繁地正反轉起動、減速制動，而且電動機的轉速按一定規律變化。斜井提升機的動力由75kW繞線轉子電動機提供，采用轉子串電阻調速。繞線轉子電動機轉子串電阻調速，是消耗轉差功率的調速，是耗能的低效調速方式。

3.2 提升機工作過程

提升機無論是正轉，還 工是反轉其工作過程是相同的，都有起動、加速、中速運行、穩定運行、減速、低速運行、制動停車等七個階段。每提升一次運行，的時間，與串車的運行速度、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，運行時間由操作工人根據現場的狀況自定。

（1）第一階段0～t1。串車車廂在井底工作面裝滿礦石后，發聯絡信號給井口提升機操作工人，操作工人再回復信號到井底，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t1～t2。重車起動后，加速到變頻器頻率為五的速度運行，中速運行的時間較短，只是過渡階段，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t2～t3。再加速段。

（4）第四階段t3～t4。重車以變頻器頻率為以的最大速度穩定運行，一般這段過程最長。

（5）第五階段t4～t5。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，不致因減速過快而跳閘。

（6）第六階段t5～t6。重車減速到低速，以變頻器頻率為^的速度低速爬行，便于在規定的位置停車。

（7）第七階段t6～t7?？斓酵＼囄恢脮r，變頻器立即停車，重車減速到零，操作工人發聯絡信號到井下，整個提升過程結束。

3.3 方案實施

斜井提升負載是典型的摩擦性負載，即恒轉矩特性負載。重車上行時，電動機的電磁轉矩必須克服負載阻轉矩，起動時還要克服一定的靜摩擦力矩，電動機處于電動工作狀態，且工作于第一象限。在重率減速時，雖然重卒在斜井面上有一向下的分力，但重車的減速時間較短時，電動機仍會處于再生狀態，工作于第二象限。當另一列重車上行時，電動機處于反向電動狀態，工作在第三象限和第四象限。另外，如果單獨運輸工具、炸藥到井下時，電動機也處于第二和第四象限。由上述可見，提升機的負載特性為恒轉矩位能負載，起動力矩較大，選用變頻器，由于提升機電動機絕大部分時間獨處于電動狀態，僅在少數時間有再生能量產生，考慮變頻器接入制動單元和制動電阻，就可以滿足再生制動、平穩的下行。井口還有一個圓盤機械制動器，類似于電磁抱閘，此制動器用于重車靜止時的制動，特別是重車停在斜井的斜坡上，必須有圓盤機械制動器制動。

結論

總之，對于礦用機械設備變頻器系統改造后效果明顯，尤其是斜井單溝和直井礦井，節電率都在30%以上，同時變頻改造后絞車運行的穩定性和安全性都大大增加，因此大減少了運行故障和維修時間，礦區的產量也提高不少，用戶反應普遍較好。

參考文獻

[1] 羅貞平.礦用機械式挖掘機技術探索[J].煤礦機械，2012，11：224-226.

[2] 陶勇.礦用機械滾動軸承潤滑維護探索[J].煤礦機械，2012，12：192-194.

[3] 秦成緒，高龍，武景濤，陳閃.礦用機械設備高速滾動軸承優化分析[J]. 煤礦機械，2013，02：93-95.

[4] 孫鵬飛，侯大勇，康凱，魏學孔.靜止變頻器礦用在電機拖動中的應用研究[J].科技創新與應用，2013，14：36-37.

[5] 毛吉昌.礦用減速器的安裝調試及維護[J].科技風，2013，19：39.endprint

[摘 要]礦用生產往往是多小時連續作業，即使短時間的停機維修也會給生產帶來很大損失。礦用機械設備的技術改造要求迫在眉睫。鑒于提升絞車的特殊性，本文將研制開發礦用機械設備系列變頻器，用該系列變頻器對原礦用提升機進行改造，具有良好的安全運行及節能效果。

[關鍵詞]變頻器；礦用機械設備；應用

中圖分類號：U463.8 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2014）10-0032-01

現在大多數礦用機械設備還在沿用傳統的線繞轉子異步電動機，用轉子串電阻的方法調速。這種系統屬于有級調速，低速轉矩小，轉差功率大，起動電流和換擋電流沖擊大；中高速運行振動大，制動不安全不可靠，對再生能量處理不力，斜井提升機運行中調速不連續，容易掉道，故障率高，因此，開發原礦用機械設備勢在必行[1]。

1 使用礦用機械設備系列變頻器的優點

1）可以實現電動機的軟起動、軟停車，減少了機械沖擊，使運行更加平穩可靠。2）起動及加速換檔時沖擊電流很小，減輕了對電網的沖擊，簡化了操作、降低了工人的勞動強度。3）運行速度曲線成S形，使加減速平滑、無撞擊感。4）安全保護功能齊全，除一般的過電壓、欠電壓、過載、短路、溫升等保護外，還設有聯鎖、自動限速保護功能等。5）設有直流制動、能耗制動、回饋制動等多種制動方式，使安全性更加可靠。6）該系統四象限運行，回饋能量直接返回電網，且不受回饋能量大小的限制，適應范圍廣，節能效果明顯[2]。

2 變頻器在礦用機械設備應用的原理

該系統的運行過程主要分為兩個過程：1）絞車電機作為電動機的過程，即正常的逆變過程。該過程主要由整流、濾波和正常逆變三大部分組成。其中，正常逆變過程是其核心部分，它改變電動機定子的供電頻率，從而改變輸出電壓，起到調速作用。2）絞車電機作為發電機的過程，即能量回饋過程。該過程主要由整流、回饋逆變和輸出濾波三部分組成。其中，該部分的整流是由正常逆變部分中IGBT的續流二極管完成。二極管VD1和VD2為隔離二極管，其主要作用是隔離正常逆變部分和回饋逆變部分[3]。電解電容C2的主要作用是為回饋逆變部分提供一個穩定的電壓源，保證逆變部分運行更可靠?；仞伳孀儾糠质钦麄€回饋過程的核心部分，該部分實現回饋逆變輸出電壓相位與電網電壓相位的一致。因為回饋逆變輸出的是調制波，故為保證逆變的正常工作以及減少對電網的污染，我們增加了一個輸出濾波部分，使該系統的可靠性更加穩定。鑒于礦區電壓的波動性可能比較大的事實，由于變頻器的回饋條件是要和電網電壓有一個固定的電壓差值，假若某時刻電網電壓比較高，再加上回饋時的固定電壓差值，則此時變頻器的母線電壓就會達到一個比較高的電壓值：如果再有重車下滑，則母線電壓會更高。此時的高電壓就有可能威脅到變頻器的大功率器件的安全，為此，該系統又加了一個剎車部分，以保證變頻器的安全[4]。

3 工程應用

3.1 礦用提升機概況

礦井提升機是煤礦、有色金屬礦生產過程中的重要設備。提升機的安全可靠運行，直接關系到企業的生產狀況和經濟效益。目前，大多數中小型礦井采用斜井串車提升，這種提升方式建井快、地面布置簡單、投資少。傳統斜井提升設備采用繞線轉子電動機串電阻調速，電阻的投切用繼電器-交流接觸器控制。這種控制系統由于調速過程頻繁，設備運行的時間較長，交流接觸器主觸頭氧化，引起設備故障[5]。

礦山井下采礦作業，采好的礦石通過斜井用串車拖到地面上來。串車與火車的運貨車廂類似，只不過高度和體積小一些。在井口有一提升機，由電動機經減速器帶動卷筒旋轉，鋼絲繩在卷筒上纏繞數周，其兩端分別掛上兩列串車車廂，所示為提升機卷簡機械傳動系統結構示意圖，在電動機的驅動下將裝滿礦石的列車從斜井拖上來，同時把一列空車從斜井放下去，空車起著平衡負載的作用，任何時候總有一列重車上行，不會出現空行程，電動機總是處于電動狀態。這種拖動系統要求電動機頻繁地正反轉起動、減速制動，而且電動機的轉速按一定規律變化。斜井提升機的動力由75kW繞線轉子電動機提供，采用轉子串電阻調速。繞線轉子電動機轉子串電阻調速，是消耗轉差功率的調速，是耗能的低效調速方式。

3.2 提升機工作過程

提升機無論是正轉，還 工是反轉其工作過程是相同的，都有起動、加速、中速運行、穩定運行、減速、低速運行、制動停車等七個階段。每提升一次運行，的時間，與串車的運行速度、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，運行時間由操作工人根據現場的狀況自定。

（1）第一階段0～t1。串車車廂在井底工作面裝滿礦石后，發聯絡信號給井口提升機操作工人，操作工人再回復信號到井底，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t1～t2。重車起動后，加速到變頻器頻率為五的速度運行，中速運行的時間較短，只是過渡階段，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t2～t3。再加速段。

（4）第四階段t3～t4。重車以變頻器頻率為以的最大速度穩定運行，一般這段過程最長。

（5）第五階段t4～t5。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，不致因減速過快而跳閘。

（6）第六階段t5～t6。重車減速到低速，以變頻器頻率為^的速度低速爬行，便于在規定的位置停車。

（7）第七階段t6～t7?？斓酵＼囄恢脮r，變頻器立即停車，重車減速到零，操作工人發聯絡信號到井下，整個提升過程結束。

3.3 方案實施

斜井提升負載是典型的摩擦性負載，即恒轉矩特性負載。重車上行時，電動機的電磁轉矩必須克服負載阻轉矩，起動時還要克服一定的靜摩擦力矩，電動機處于電動工作狀態，且工作于第一象限。在重率減速時，雖然重卒在斜井面上有一向下的分力，但重車的減速時間較短時，電動機仍會處于再生狀態，工作于第二象限。當另一列重車上行時，電動機處于反向電動狀態，工作在第三象限和第四象限。另外，如果單獨運輸工具、炸藥到井下時，電動機也處于第二和第四象限。由上述可見，提升機的負載特性為恒轉矩位能負載，起動力矩較大，選用變頻器，由于提升機電動機絕大部分時間獨處于電動狀態，僅在少數時間有再生能量產生，考慮變頻器接入制動單元和制動電阻，就可以滿足再生制動、平穩的下行。井口還有一個圓盤機械制動器，類似于電磁抱閘，此制動器用于重車靜止時的制動，特別是重車停在斜井的斜坡上，必須有圓盤機械制動器制動。

結論

總之，對于礦用機械設備變頻器系統改造后效果明顯，尤其是斜井單溝和直井礦井，節電率都在30%以上，同時變頻改造后絞車運行的穩定性和安全性都大大增加，因此大減少了運行故障和維修時間，礦區的產量也提高不少，用戶反應普遍較好。

參考文獻

[1] 羅貞平.礦用機械式挖掘機技術探索[J].煤礦機械，2012，11：224-226.

[2] 陶勇.礦用機械滾動軸承潤滑維護探索[J].煤礦機械，2012，12：192-194.

[3] 秦成緒，高龍，武景濤，陳閃.礦用機械設備高速滾動軸承優化分析[J]. 煤礦機械，2013，02：93-95.

[4] 孫鵬飛，侯大勇，康凱，魏學孔.靜止變頻器礦用在電機拖動中的應用研究[J].科技創新與應用，2013，14：36-37.

[5] 毛吉昌.礦用減速器的安裝調試及維護[J].科技風，2013，19：39.endprint

[摘 要]礦用生產往往是多小時連續作業，即使短時間的停機維修也會給生產帶來很大損失。礦用機械設備的技術改造要求迫在眉睫。鑒于提升絞車的特殊性，本文將研制開發礦用機械設備系列變頻器，用該系列變頻器對原礦用提升機進行改造，具有良好的安全運行及節能效果。

[關鍵詞]變頻器；礦用機械設備；應用

中圖分類號：U463.8 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2014）10-0032-01

現在大多數礦用機械設備還在沿用傳統的線繞轉子異步電動機，用轉子串電阻的方法調速。這種系統屬于有級調速，低速轉矩小，轉差功率大，起動電流和換擋電流沖擊大；中高速運行振動大，制動不安全不可靠，對再生能量處理不力，斜井提升機運行中調速不連續，容易掉道，故障率高，因此，開發原礦用機械設備勢在必行[1]。

1 使用礦用機械設備系列變頻器的優點

1）可以實現電動機的軟起動、軟停車，減少了機械沖擊，使運行更加平穩可靠。2）起動及加速換檔時沖擊電流很小，減輕了對電網的沖擊，簡化了操作、降低了工人的勞動強度。3）運行速度曲線成S形，使加減速平滑、無撞擊感。4）安全保護功能齊全，除一般的過電壓、欠電壓、過載、短路、溫升等保護外，還設有聯鎖、自動限速保護功能等。5）設有直流制動、能耗制動、回饋制動等多種制動方式，使安全性更加可靠。6）該系統四象限運行，回饋能量直接返回電網，且不受回饋能量大小的限制，適應范圍廣，節能效果明顯[2]。

2 變頻器在礦用機械設備應用的原理

該系統的運行過程主要分為兩個過程：1）絞車電機作為電動機的過程，即正常的逆變過程。該過程主要由整流、濾波和正常逆變三大部分組成。其中，正常逆變過程是其核心部分，它改變電動機定子的供電頻率，從而改變輸出電壓，起到調速作用。2）絞車電機作為發電機的過程，即能量回饋過程。該過程主要由整流、回饋逆變和輸出濾波三部分組成。其中，該部分的整流是由正常逆變部分中IGBT的續流二極管完成。二極管VD1和VD2為隔離二極管，其主要作用是隔離正常逆變部分和回饋逆變部分[3]。電解電容C2的主要作用是為回饋逆變部分提供一個穩定的電壓源，保證逆變部分運行更可靠?；仞伳孀儾糠质钦麄€回饋過程的核心部分，該部分實現回饋逆變輸出電壓相位與電網電壓相位的一致。因為回饋逆變輸出的是調制波，故為保證逆變的正常工作以及減少對電網的污染，我們增加了一個輸出濾波部分，使該系統的可靠性更加穩定。鑒于礦區電壓的波動性可能比較大的事實，由于變頻器的回饋條件是要和電網電壓有一個固定的電壓差值，假若某時刻電網電壓比較高，再加上回饋時的固定電壓差值，則此時變頻器的母線電壓就會達到一個比較高的電壓值：如果再有重車下滑，則母線電壓會更高。此時的高電壓就有可能威脅到變頻器的大功率器件的安全，為此，該系統又加了一個剎車部分，以保證變頻器的安全[4]。

3 工程應用

3.1 礦用提升機概況

礦井提升機是煤礦、有色金屬礦生產過程中的重要設備。提升機的安全可靠運行，直接關系到企業的生產狀況和經濟效益。目前，大多數中小型礦井采用斜井串車提升，這種提升方式建井快、地面布置簡單、投資少。傳統斜井提升設備采用繞線轉子電動機串電阻調速，電阻的投切用繼電器-交流接觸器控制。這種控制系統由于調速過程頻繁，設備運行的時間較長，交流接觸器主觸頭氧化，引起設備故障[5]。

礦山井下采礦作業，采好的礦石通過斜井用串車拖到地面上來。串車與火車的運貨車廂類似，只不過高度和體積小一些。在井口有一提升機，由電動機經減速器帶動卷筒旋轉，鋼絲繩在卷筒上纏繞數周，其兩端分別掛上兩列串車車廂，所示為提升機卷簡機械傳動系統結構示意圖，在電動機的驅動下將裝滿礦石的列車從斜井拖上來，同時把一列空車從斜井放下去，空車起著平衡負載的作用，任何時候總有一列重車上行，不會出現空行程，電動機總是處于電動狀態。這種拖動系統要求電動機頻繁地正反轉起動、減速制動，而且電動機的轉速按一定規律變化。斜井提升機的動力由75kW繞線轉子電動機提供，采用轉子串電阻調速。繞線轉子電動機轉子串電阻調速，是消耗轉差功率的調速，是耗能的低效調速方式。

3.2 提升機工作過程

提升機無論是正轉，還 工是反轉其工作過程是相同的，都有起動、加速、中速運行、穩定運行、減速、低速運行、制動停車等七個階段。每提升一次運行，的時間，與串車的運行速度、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，運行時間由操作工人根據現場的狀況自定。

（1）第一階段0～t1。串車車廂在井底工作面裝滿礦石后，發聯絡信號給井口提升機操作工人，操作工人再回復信號到井底，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t1～t2。重車起動后，加速到變頻器頻率為五的速度運行，中速運行的時間較短，只是過渡階段，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t2～t3。再加速段。

（4）第四階段t3～t4。重車以變頻器頻率為以的最大速度穩定運行，一般這段過程最長。

（5）第五階段t4～t5。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，不致因減速過快而跳閘。

（6）第六階段t5～t6。重車減速到低速，以變頻器頻率為^的速度低速爬行，便于在規定的位置停車。

（7）第七階段t6～t7?？斓酵＼囄恢脮r，變頻器立即停車，重車減速到零，操作工人發聯絡信號到井下，整個提升過程結束。

3.3 方案實施

斜井提升負載是典型的摩擦性負載，即恒轉矩特性負載。重車上行時，電動機的電磁轉矩必須克服負載阻轉矩，起動時還要克服一定的靜摩擦力矩，電動機處于電動工作狀態，且工作于第一象限。在重率減速時，雖然重卒在斜井面上有一向下的分力，但重車的減速時間較短時，電動機仍會處于再生狀態，工作于第二象限。當另一列重車上行時，電動機處于反向電動狀態，工作在第三象限和第四象限。另外，如果單獨運輸工具、炸藥到井下時，電動機也處于第二和第四象限。由上述可見，提升機的負載特性為恒轉矩位能負載，起動力矩較大，選用變頻器，由于提升機電動機絕大部分時間獨處于電動狀態，僅在少數時間有再生能量產生，考慮變頻器接入制動單元和制動電阻，就可以滿足再生制動、平穩的下行。井口還有一個圓盤機械制動器，類似于電磁抱閘，此制動器用于重車靜止時的制動，特別是重車停在斜井的斜坡上，必須有圓盤機械制動器制動。

結論

總之，對于礦用機械設備變頻器系統改造后效果明顯，尤其是斜井單溝和直井礦井，節電率都在30%以上，同時變頻改造后絞車運行的穩定性和安全性都大大增加，因此大減少了運行故障和維修時間，礦區的產量也提高不少，用戶反應普遍較好。

參考文獻

[1] 羅貞平.礦用機械式挖掘機技術探索[J].煤礦機械，2012，11：224-226.

[2] 陶勇.礦用機械滾動軸承潤滑維護探索[J].煤礦機械，2012，12：192-194.

[3] 秦成緒，高龍，武景濤，陳閃.礦用機械設備高速滾動軸承優化分析[J]. 煤礦機械，2013，02：93-95.

[4] 孫鵬飛，侯大勇，康凱，魏學孔.靜止變頻器礦用在電機拖動中的應用研究[J].科技創新與應用，2013，14：36-37.

[5] 毛吉昌.礦用減速器的安裝調試及維護[J].科技風，2013，19：39.endprint