浅谈煤矿生产中隔爆变频器的应用:矿用隔爆兼本质安全型变频器

　　【摘 要】在煤矿生产中，合理应用防爆变频技术可以明显提高企业经济效益。本文以某矿的电控系统改造为背景，介绍了隔爆变频器在煤矿电气控制系统中的应用。　　【关键词】煤矿；电气控制；隔爆变频器；ZJT
　　前言
　　某矿是年产600万t的大型现代化矿井,其原有的提升运输大型设备多采用以继电器、接触器、切除电阻和直流调速为主的电气传动系统。系统的电气控制设备完全由有触点系统构成,触点氧化、弹簧疲劳、绝缘老化等问题严重,系统安全可靠性差,电控系统故障率高;并且电耗较高,吨煤成本居高不下,严重影响了企业的经济效益。因此,该矿先后在井下主要提升绞车、副井绞车和主井绞车电控系统改造中选择使用了变频调速技术,取得了明显的节能效果。
　　1 推广防爆变频技术的目的和意义
　　矿井提升系统在静止或运行时,绞车钢丝绳内贮积了大量能量,绞车启动过程中,如果启动加速度、启动速度过大,在钢丝绳中形成张力波,一旦张力波过大,极易撕断钢丝绳,因而主提升绞车控制系统必须具备良好的启动特性和安全高效的运行状态。虽然直流调速系统也可以达到预期效果,但其难以实现防爆,不能满足《煤矿安全规程》对设备选型的要求。而变频调速装置在频率范围、调速精度、低频转矩、通信功能、智能控制、功率因数、工作效率等方面的优越性,都是以往的直流调速方式无法比拟的。该矿和某电器有限责任公司共同开发研制了隔爆兼本安四象限变频调速系统,各项技术指标满足钢丝绳缠绕式主提升绞车的设计和《煤矿安全规程》的要求。防爆变频技术应用在井下主提升绞车且属于高突矿井中的,该矿在该地区是第一家。
　　2 ZJT系列隔爆变频器的功能和特点
　　2.1 功能
　　ZJT系列隔爆变频器具有下列功能:过流保护;过载保护;过/欠压保护;变频器过温保护;电动机过温保护;内部故障保护;漏电闭锁保护;输出短路保护;还可实现0.5Hz时输出200%额定转矩的最大启动转矩,启动电流不大于2倍额定电流,速度调节方便,免维护。
　　2.2 特点
　　(1)采用SPWM磁通矢量控制方式,低频运行时输出1.5～2.0倍额定转矩,适于重载启动。
　　(2)采用APE自换向新技术,使钢丝绳缠绕式主提升绞车在减速或乘人出现负力时,系统自动转入发电反馈状态。
　　(3)解决了多台电动机同时使用的电动机同步、功率匹配问题,确保多机功率平衡,偏差不大于5%。
　　(4)采用真空热管散热技术,较好地解决了防爆壳内大功率器件的散热问题。
　　(5)可以调整各驱动电动机之间的功率分配,从而达到系统的最佳工作状态。
　　(6)变频器采用ModBus网络进行通信,提高传动系统的输出精度。具有显示、记忆、自诊断及总线型网络通信报警功能。
　　(7)网侧变频器采用PWM斩波调制,使输入波形为正弦波,大大减少了对电网的谐波污染。
　　3 改造方案设计
　　北翼轨道提升系统是该矿通往北翼采区的主运输系统,全长为1200m,原设计采用4部液压绞车,运输功率达到1000kW,耗能大,故障率高，维护量大,功能单一,每台额定电压660V,额定电流150A。
　　改造时，在驱动设计上,根据北翼采区的实际生产能力和交流电动机的性能等因素,采用ZJT系列隔爆变频器实现变频调速,可实现软启动,即电动机能够实现低速启动。在井下环境中电动机具有防爆功能和散热性能,因而选用了“隔爆型三相交流异步风冷电动机”,采用2×315kW隔爆型三相交流异步风冷电动机进行拖动。缠绕式主提升绞车具有2个滚筒带动2条钢丝绳运行以带动矿车进行上下交替运行。每个滚筒由1台减速机拖动,输出轴一端与驱动轮相连,双输入轴两端各由1台防爆电动机拖动,每台电动机各由1台变频器供电并变频调速。
　　4 存在的问题及应对措施
　　变频器在交流拖动系统应用中呈现优良的控制性能,可以实现软启动和无级调速,进行加减速控制,使电动机获得高性能,而且具有显著的节能效果。提高了生产机械的控制精度、生产效率和产品质量,利于实现生产过程的自动化。采用变频技术后启动功率可调(0～50Hz),启动电流可以由0缓慢上升至90A,降低了启动电流,解决了大负载启动对电网和机械设备的冲击,节能达到15%。但变频器在实际应用和维护检修中也暴露出一些问题应引起重视。
　　4.1 主提升绞车运行中的紧急停车
　　系统频繁出现急停,将会给机械设备带来很大的机械冲击,缩短设备使用寿命。经过技术人员的研究分析,找出了问题所在:
　　(1)变频器数据干扰引起的紧急停车问题。系统在运行中经常出现急停,经查明是由于系统正常运行中,变频器脉冲触发板(PIB板)与控制板的数据连线受到了静电耦合干扰,致使数据线中传输的数据改变或丢失,造成控制板接收到错误的数据,引起变频器误动作。
　　应对措施:将PIB板到中央处理器(控制板)之间的数据线加上屏蔽层以减少干扰,并将变频器显示屏由原来使用的铁板固定架改为胶板固定架。经过改进解决了变频器数据线静电耦合干扰的问题,此改进被厂家采纳,新出厂的数据线均带上了屏蔽层。
　　(2)编码器传输数据误差引起系统急停。由于编码器的不同步,造成编码器传输给PLC的电平信号不一致,致使系统误认为滚筒之间或滚筒与驱动电机之间转动不同步,而发出急停指令。
　　应对措施:重新校准编码器与减速机大轴及电机主轴基准,将编码器与减速机大轴及电机主轴连接的插接对轮改为十字连接,有效减小了编码器与大轴之间的间隙,保证了数据传输的同步性。
　　4.2 谐波
　　谐波问题是所有变频器的共同问题,尤其在高压大功率变频调速中更为突出。谐波会污染电网,殃及同一电网上的其他用电设备,甚至影响电力系统的正常运行;谐波也会干扰通信和控制系统,严重时会使通信中断、系统瘫痪;谐波电流还会使电动机损耗增加,因而发热增加,效率及功率因数下降,以至不得不“降额”使用。
　　应对措施:变频系统的供电电源独立,且分开放置距离大于20m,增大供电电缆截面,使用屏蔽电缆。在变频器输入端串联电抗器,变频器的控制电源由另外系统供电;在控制电源输入侧装设线路滤波器;装设绝缘变压器,且屏蔽接地。变频器与电抗器可靠接地,变频器、电抗器、PLC柜通信线均采用屏蔽电缆,与动力线分开敷设,使用独立的接地系统。
　　5 经济效益
　　投入运行后最大运行负荷功率630kW,电流100A,每年节省电费约152万元,提高提升能力后每年间接增加的净利润为3550万元北翼防爆变频主提升绞车的投入运行,消除了北翼轨道运输提升压力,提高了运输效率，满足了矿井快速掘进的需求,合计效益3702万元。
　　6 结束语
　　变频调速技术投入使用以来,体现了其优良的技术特性和高效的节能效果。目前该矿的副井提升系统、北翼摩擦式提升系统、轨道运输巷道都已应用变频调速技术。新的系统调频范围宽,分辨率高,保护齐全而且灵敏度高,主功率器件自保护功能良好,运行平衡,通信接口齐全,有利于上位机和远程控制。目前变频器在煤矿的应用主要还是集中在胶带机和绞车上,随着技术的发展,相信变频技术将会得到广泛应用。
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　　作者简介
　　张军，男，1984生，毕业于太原理工大学，现就职于淮浙煤电公司顾北煤矿保运队从事技术管理工作。