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案例頻道 近幾年來，變頻節能技術兗州礦區的地面和井下提升、通風、采煤、運輸、選煤等各種礦山設備控制系統得到了廣泛的應用，對國內同行具有很好的參考價值。
1 在提升系統應用
1）礦用提升機變頻調速控制的特殊功能
兗州礦業（集團）公司南屯煤礦通過對礦用提升機變頻調速控制的研究，使其特殊功能得到正常應用，取得了良好的效果。
①直流制動的作用。當重車需在井筒中間停車時，變頻器由高速平滑地降到低速，隨之施加一個直流制動信號使提升機停止，機械制動起作用后方可去掉直流制動信號，使重車靠機械抱閘的作用停在中間。啟動時先對電機施加一個直流制動信號，當檢測到機械抱閘打開方可去掉直流制動信號，加上啟動電壓，提升機轉動。機械抱閘抱緊狀態一直在變頻器檢測下，一旦機械抱閘打開馬上給電機施加直流制動信號，確保避免重車“溜勾”現象。
②S形速度曲線。為減少運行的機械沖擊，在變頻器啟動與停止過程中最好做到加速度是連續的，即S形加、減速曲線。當井下及井口停車傾角很小時，要求提升機運行速度很低，否則會出現“松繩”現象。另外，井筒罐道要求變頻器能以不同頻率工作。根據現場情況，變頻器可設置5個頻率段主令控制器的不同位置對應不同的直流控制電壓，即對應不同的運行頻率。
③自動限速保護。當運行接近終點時給出一個減速信號，接到此減速信號后，如主令控制器已操作減速，則變頻器按主令控制器的操作改變運行速度；若收到減速信號后主令控制器沒有正常操作，則自動啟動機內的自動減速程序，將變頻器工作頻率按預定要求逐步改變為低速運行。這對于預防“過卷”是十分必要的。此外，當提升機帶有測速發電機給出超速信號時，變頻器也能自動減速。
④連鎖開機功能。提升機開機須按給出命令操作。當給出“上行”或者“下行”命令的時候，如人員操作與命令不符，連鎖功能就對此操作不響應，變頻器不啟動。連鎖功能是保證安全運行的重要措施。
⑤對再生能量的處理。變頻器的主回路采用雙向逆變方案。
2）井下絞車電控系統變頻技術應用
兗州礦業（集團）公司興隆莊煤礦在十采區JBT-2×1.8絞車電控系統成功采用變頻技術。其設計滿足《煤礦安全規程》、GB3836.1-4-2000《防爆規程》、GB50070-1994《礦山電力設計規范》、《煤礦提升絞車安全檢驗規范》、JB4263-2000《交流傳動礦井提升機電控設備技術條件》、JB8516-1997《礦用提升機和礦用提升絞車安全要求》、MT/T834-1999《煤礦用提升信號裝置通用技術條件》等要求，使絞車運行系統得以優化。
電控系統和保護系統采用變頻調速技術，輸入電源660V、50Hz，電壓允許波動范圍－15%～＋10%，允許頻率波動范圍±2.5%，輸出功率200kW，輸出頻率0～50Hz連續可調。過載能力強，在負載變化為－120%～＋120%額定負載時能滿足四象限運行要求；低頻運轉時，有自動轉矩提升功能，能保證100%額定轉矩；有過壓、欠壓、過流、斷相和功率元件過熱等保護。
控制箱采用快開門方式，電氣控制采用雙PLC全數字控制系統，兩套PLC與硬件電路互相冗余完成絞車提升控制與數字監控，同時在PLC故障時能分別完成臨時應急提升。控制系統配備正常操作而設置的各種保護，其中的防止過卷裝置、過速裝置、限速裝置和減速功能保護設置為相互獨立的雙線形式。系統還具有各種保護試驗功能。聲光信號與控制回路具有閉鎖功能，未發信號不能開車，發出信號的時間次數記憶不少于30天。深度指示采用數字顯示，能準確清楚顯示出礦車在巷道中運行位置。深度指示一旦失效能迅速斷電停車。絞車控制具有手動、自動、檢修運行及遠程控制等操作方式。檢修時能手動操作，運行速度0.3～0.5m/s，操作方便可靠。變頻器采用模塊式結構，出現故障時能方便查找故障點并及時進行更換，維修簡單。操作臺除有正常的各種操作開關與按鈕外，還有深度、速度、電壓、電流、油壓和溫度等指示，比較直觀。
2 礦井主扇風機實現自動化調頻控制
兗州礦業（集團）公司楊村煤礦和山東省煤炭科學研究所將可編程序控制器成功應用于該礦南、北風井主扇風機自動化變頻系統，與國內使用單片機、工控機進行改造的類似項目相比，無論是可靠性還是參數變更靈活性都具有不可比擬的優越性。
此項成果的主要功能如下：
①系統自動化控制。PLC接到運行指令時，判斷運行機號和運行方式。若為低頻方式則驅動低頻接觸器吸合，延時0.4s發出變頻器運行令，電機啟動至設定頻率風門絞車開啟扇風機進風門，前導器執行機構打開扇風機前導器，使扇風機進入工作狀態。若為工頻方式則控制風機降壓啟動，當啟動電流降至設定值時停掉降壓啟動接觸器，吸合運行主接觸器，風機轉入全速運行狀態，30s后風門及前導器自動打開。
②風量閉環控制。風機低頻運行時，風量由給定信號控制。該信號與風量傳感器反饋信號同時進入PLC的A/D模塊，經CPU比較調節后，輸出信號由D/A模塊送至變頻器頻率設定接口，調節變頻器輸出頻率，從而改變風機轉速。
③風機低頻故障轉換。PLC在風機低頻運行中自動檢測變頻器運行情況，變頻器出現高中時自動切除低頻系統使風機轉入工頻運行。
④電機過流保護。電機變送器將主回路電路電流信號轉換后送入CPU內部功能存貯器，CPU在每個掃描周期將該數據與內部電流設定值比較，超過設定值即進行保護。
⑤風門行程精確控制。PLC開閉風機風門時，安裝在風門絞車主軸上的軸編碼器將風門行程轉換為數據信號送至高速記數模塊，待其譯為BCD碼后存入內部存儲器，CPU在每個掃描周期將BCD數據與行程設定值比較，超出設定值即停車。
3 在井下采煤系統應用
1）采煤機ACS-800變頻器的調試運行
ACS-800變頻器有著優良的調速性能和顯著的節能效果被廣泛應用于煤礦及其它眾多行業。正確設置變頻器的基本參數是十分重要的。兗州礦業（集團）公司濟寧二號煤礦總結了采煤機ACS-800變頻器調試運行的經驗。
①選擇語言，設置電動機啟動數據。有十五種語言可供選擇，應選（ENGLISH）英語，（FACTORY）基本應 用于工廠、（NO）不恢復出廠設置、（DTC）直接轉矩控制。根據電動機銘牌選擇合適的電壓、頻率范圍、電動機轉速和電動機功率等。
②通過設置數字輸入端，實現外部啟動、停機和旋轉方向。加速時間就是變頻器輸出頻率由零頻升到最大頻率所需時間，一般8～10s。減速時間是從給定最大值降至零頻所需時間，一般3～5s。確保加速時不過流、減速時不過壓。加、減速時間可根據電動機功率進行計算，實際應用時根據現場情況適當調整，以不出現過電流、過電壓為原則。
③加減速模式選擇。變頻器加減速有線形、非線形和S形曲線運行模式。采煤機啟動和運行負載變化較大，且加速度要緩慢，變頻器可選擇S形曲線運行模式，以滿足不同的復雜地質條件需要。
④設置轉矩補償。以此來提高電動機在低速啟動時轉矩提升，應采取自動補償功能，確保電動機加速順利進行。
⑤電子過流保護功能設置。這是為了保護電動機因過流而燒毀，漏電保護功能對電動機及電纜實時監視絕緣情況。工作電流超過設定值時過流保護功能動作，絕緣值下降至設定值以下時漏電保護功能將切斷電源，實現保護牽引電動機的要求。
⑥模擬加載調試采煤機。接上電源后仔細觀察有無異常現象，然后進行初加速。在加速時限制頻率給定時要緩慢，頻率上升率不要太陡，以防止出現過電流保護。此時觀察電動機轉速是否由小到大過渡運行平穩確保電動機接近滿載情況下可靠運行。
2）電牽引采煤機變頻器故障分析與處理
電牽引采煤機應用變頻器替代了原先的液壓牽引方式，提高了采煤機運行的可靠性。兗州礦業（集團）公司鮑店煤礦通過大量現場實踐，總結出使用和維護變頻器的經驗，保障了電牽引采煤機的正常運行。變頻器位于牽引控制箱的右前側，主要用于控制采煤機的左右行走速度。
對于采煤機只能進行單向行走的單向牽引事故，除平時經常清理按鈕表面的粉塵，并做好防銹處理以防出現按鈕卡住現象外，還要加強對插座的維護和保護，控制線在壓接時用力適度，線頭壓得過緊易出現斷絲，采煤機振動時易造成線頭虛接。
對于采煤機運行時能牽引，但在行走過程中經常出現突然停機，停機后有時有故障顯示有時無故障顯示，復位后仍能開機的病態牽引事故，先不要急于動手，首先詢問司機關于采煤機工作運行情況和故障現象，觀察功能顯示和參數顯示，仔細傾聽采煤機運行聲音，分清是機械故障還是電氣故障，確定故障范圍，由點到面層層分析，然后再進行事故處理。
對于采煤機不牽引的事故，其原因可分為硬故障和軟故障。硬故障是指采煤機出現不牽引后信息顯示直觀，能直接從顯示窗口上獲得故障信息。軟故障是指采煤機出現不牽引后從顯示窗口查不出各種信息，故障點信息較模糊，難以對事故進行處理。現場處理是更換功率平衡板。該板是易損件，出現類似事故時應及時更換。平常應加強對變頻器電源輸入聯接線的維護，采取隔離和包扎等措施，使變頻器電源輸入線不與器壁和其它元件接觸，可有效防止事故發生。
3）交流電牽引采煤機綜合試驗臺
兗州礦業（集團）公司機械制修廠研制的電牽引采煤機綜合試驗臺，可對ＭＣＬＥ600-DR102102、SL300、MGTY400/900-3.3D三種常用交流電牽引采煤機的電氣系統進行測試，并可同時對2臺變頻器進行試驗，由2臺變頻器分別拖動2臺交流電動機，也可一拖一或一拖二。
該綜合試驗臺由3個部分組成。
①交流變頻調速試驗單元：主要設備有油自冷式調壓器、三相異變電動機、直流電動機和數字式直流調速裝置、轉速轉矩傳感器、控制臺，實現交流變頻調速裝置電氣性能和牽引電機及機械性能的測試，完成變頻調速裝置保護功能的測試。能測試的項目主要有變頻器在空載狀態下的工作性能試驗、加載試驗、溫升試驗、電網電壓波動試驗、速度調節范圍試驗、制動與正反轉運行試驗、機械調速特性試驗。
②計算機信號數據處理單元：核心設備有工業控制用計算機（含模擬量、數字量、輸入輸出接板）、寬行彩色打印機、信號調理變送電路，主要用來采集來自交流變頻調速單元的信號和數據，按照測試項目的要求進行數據處理和顯示。
③采煤機控制、監測系統試驗單元：共包括監測信號模擬發生電路（分別模擬采煤機牽引部、截割部等處的電流、溫度、壓力等檢測信號，能在規定量程內變化，并具備計量校準的功能，可以代替原信號送檢測中心）、采煤機操作信號模擬發生電路（模擬采煤機的各種信號，如送電、牽啟、左行、右行等，可以代替原信號控制采煤機各部的動作）、采煤機動作響應顯示電路（代替采煤機各部在控制中心輸出信號后作出的響應指示），主要對采煤機控制監測系統的功能進行測試。
4 在運輸系統應用
1）隔爆變頻調速裝置在膠帶輸送機的應用
兗州礦業（集團）公司機電設備制造廠生產的膠帶輸送機配置4臺大功率電機驅動裝置（采用3+1模式，3套工作、1套備用）。整部輸送機由3臺電壓為1140/660V異步電機并聯拖動，通過減速器與輸送機驅動滾筒連接，電動機與減速器、減速器與驅動滾筒之間采用蛇簧聯軸器相連接。該機采用同軸電機，即2臺電機同時控制一個驅動滾筒，要求電機啟動有良好同步性來保證系統功率平衡。通過對各種調速方式分析比較，決定每臺電機配置1臺QJR400型隔爆變頻調速裝置，采用隔爆變頻調速裝置對輸送機進行調速控制。
隔爆變頻調速裝置的操作可在本機控制，也可遠程控制。此機控制是靠變頻調速系統內置的觸摸屏來設定運行參數。在觸摸屏上進行運行和停止操作。遠控時，通過工作臺對變頻調速系統進行外控操作。應用變頻調速裝置時，一般采用一拖一控制。當3臺電機同時啟動且2臺電機同軸時，在隔爆變頻調速裝置間增加主從控制功能，可任意設置其中1臺為主機、其余2臺為從機。在現場中設置同軸的1臺電機為主機、其余2臺電機為從機，同軸的另一臺電機設置為轉矩跟蹤，不同軸的第三臺設置為速度跟蹤。主機是調速裝置群控中的首機，其它變頻器都是從機。主機只有1臺。在運行中只對主機控制，全部從機同步自動跟隨主機動態運行，實現良好的主從關系目標控制運行模式。
經過較長時間的運行檢驗證明，真正實現了電機軟啟動和膠帶輸送機軟啟動合二為一。通過電機慢速啟動帶動膠帶機緩慢啟動，將膠帶內貯存的能量緩慢釋放，幾乎對膠帶不造成損害，設備啟動特性平穩，極大降低了設備的維護檢修量，同時節能效果明顯。隔爆變頻調速裝置以其特有的軟啟動特性和較高的性價比，成為礦山井下膠帶輸送機驅動的發展方向。
2）變頻器軟啟動在膠帶機中的應用
兗州礦業（集團）公司濟寧三號煤礦井下主煤流運輸由7條膠帶輸送機運輸系統組成。其中，北部膠帶機共有4個驅動單元，每臺電機的功率為31.5kW，額定電壓1140V，原先一直采用電機+耦合器的方式驅動。自從投入ZJT型1140V礦用隔爆兼本質安全型智能變頻器以后，實現了膠帶輸送機軟啟動運行，使用效果非常理想。
使用變頻器后，驅動電機直連滾筒，通過設置變頻器輸出電流頻率由0Hz到設定頻率的變化時間，就可設置膠帶機軟啟動的啟動時間。為盡量減少膠帶機啟動時對電機及膠帶機各部件的沖擊，啟動時間可設置成10s以上。變頻器啟動力矩大，尤其適合重載啟動，這對膠帶機十分有利。膠帶機運行時，由于環境惡劣，經常發生各類緊急停車故障，一旦重載停車，由于耦合器在軟啟動時啟動速度過快，且對多電機驅動的膠帶機無法做到各電機的功率平衡，易造成電機過載停車，對滾筒和聯軸器等設備的損害十分大。改用變頻器后可通過調節變頻器輸出頻率的大小來實現各電機的功率平衡，在啟動過程中通過降低電機的頻率可實現在小電流下的大功率輸出，最大程度降低了對電機及膠帶機的損傷。
變頻器的另一重要用途是驗帶功能。膠帶機的日常檢修工作中一個很重要的任務就是在膠帶運行時檢修膠帶的磨損情況。但是，如果在滿速情況下很難清楚地看到膠帶的破損部位。該礦北部膠帶輸送機使用的4套變頻調速裝置可以設置兩種頻率啟動。在現場應用中，將第一個頻率設置為40Hz（根據采區煤量多少自行調節）、第二個頻率設置為10Hz，對應4.5m/s的滿速速度，能實現接近0.9m/s的驗帶速度。與使用耦合器作為傳動裝置相比，空載時電耗僅為50%，重載時節省30%。
3）變頻調速技術在電機車電動機的應用
山東科技大學和兗州礦業（集團）公司機電設備制修廠對變頻調速技術在礦山牽引電機車上的應用情況進行了分析研究。電機車是礦井軌道運輸的主要牽引設備。其中，架線式牽引機車多年來一直沿用結構復雜、故障率高和維修費用大的直流電動機，而且目前國內絕大多數礦山牽引機車還在使用觸頭電阻調速方式，處于耗電量大與維修量大的狀態。變頻調速牽引機車采用故障率低和性能可靠的三相異步交流鼠籠式電動機，結合技術先進與節電效果顯著的變頻調速器，取代了直流電機車比較落后的驅動技術，達到當代世界先進技術水平。
由于工作環境特點所致，礦用電機車調速系統處于頻繁的啟動、制動和加減速等狀態，還要適應負荷上下坡和顛簸路況等情況，因此要求電動機啟動轉矩大、過載能力強。另外，調速系統不但要能四象限運行，還要能再生制動到低速。這樣，當負載轉矩增大時，轉速就能迅速下降，而電動機輸出功率基本不變，從而使電動機不易因負載增大而引起過載。反之，當負載變小時，電動機轉速能自然上升，以利于提高生產效率。此外，為防止主輪打滑，調速系統還應考慮具有最大轉矩限幅的功能。由于逆變器和電動機都安裝在電機車上，所以整個調速系統應盡可能設計得體積小、重量輕、硬件結構簡單和控制方便。對于直接轉矩控制而言，在高速運行階段，除電動機定子電阻，不需知道其它參數，所以直接轉矩控制對電動機參數的依賴性比矢量控制要低許多。其產品包括5t、8t和10t隔爆型電動機斬波調速控制裝置，目前已廣泛應用于以電池為動力源的、交流電動機牽引驅動的礦山電機車上。
5 地面選煤廠裝車系統變頻技術改造
兗州礦業（集團）公司濟寧三號煤礦裝車系統主要設備為4JDM-30SM調車絞車，裝車速度慢、調速能力差、故障率高。為此，他們采用變頻技術將其改造成為新型裝車系統。
變頻改造的具體實施如下：
①在五、六股控制室各安裝1臺ACS600變頻柜，輸入和輸出分別跨接到原進線及輸出到電機的高速連線端。原牽引控制柜仍舊保留，作為備用。為防止誤動作，變頻控制回路與原控制回路是互鎖的。要啟動變頻牽引系統，必須是原控制回路的主交流接觸線圈均無施加電壓，即串聯在變頻器啟動回路的常閉接點均閉合的情況下，合上變頻總開關才能使變頻啟動回路通電，變頻器啟動主交流接觸器吸合，其常開接點吸合自保，使電機處于4極運轉狀態。此時，串聯在原控制回路的常閉接點均打開，所以在變頻器運行時，原控制回路是無法運行的。反之，在啟動原控制回路電機運行后（4極或8極狀態），變頻器也是無法啟動運行的。
②在集控室增加1套控制與報警顯示裝置。正常運行時操作人員可調整旋鈕使其改變運行速度。如在運行中出現短路或電機缺相過載，操作臺上將顯示并報警自動停車。
③在五、六股道的變速點處安裝電磁開關，其接點串入控制回路。當牽引車經過變速點時將自動改變牽引速度，保證它低速回窩。此外，還在車窩處安裝2臺監視器作為后備監視，出現故障時由人工操作回車。
此項改造完成以后，牽引車實現了無級調速，機械的沖擊性有效改善，設備的檢修及維護周期延長，裝車能力比原來提高25%，保障了年產800萬t的外運能力。采用變頻調速盡管增加一些投資，但僅節省電費一項就能在兩年多一點的時間內回收全部投資。
6 在電動機的應用
1）在提升機主電動機冷卻風機應用
兗州礦業（集團）公司鮑店煤礦通過把變頻器外部頻率給定端子與電控系統可編程自動化控制器的模擬量輸出端子連接，實現了離心式冷卻風機的風量隨著礦井提升機主電動機定子溫度變化而自動調節，大幅度提高了風機效率。
該礦副井2部提升機主電動機采用離心式風機冷卻方式，利用調節風門開度大小來調節冷卻風量多少。在多年實際運行中發現其存在啟動電流大、風機效率非常低及風量不能自動調節等缺點。經過論證，決定去掉調節風門，改由變頻器來驅動離心式風機的電動機，通過調節電動機轉動速度來調節冷卻風量；并將離心式風機變頻器的控制信號引入到提升機控制系統中，實現了離心式風機狀態實時監控及風量自動調節。結合礦井提升系統實際情況，選用西門子MicroMaster440變頻器，其控制方式為矢量控制，性能穩定可靠。
改造后，由于在變頻器中設定了電動機啟動曲線，離心式風機的電動機不再是全壓啟動，啟動電流由600A以上降到200A以下，大幅度減少啟動電流對電動機的沖擊。如可編程自動化控制器發出“變頻器啟動”命令6s后未得到變頻器“啟動完畢”反饋信號，則會發出離心式冷卻風機故障的信號，并閉鎖提升機；當變頻器發生故障不能正常工作時，離心式冷卻風機控制方式恢復為原先方式。在主電動機定子和轉子中預埋了Ni100測溫電阻，利用S7-400PLC模擬量輸入模塊可很容易檢測到電動機實際溫度，利用變頻器外部頻率跟定功能可實現頻率隨檢測到的電動機實際溫度自動調節，增強系統安全性，有效控制提升機主電動機溫度變化；降低離心式冷卻風機運行時產生的噪音，基本是免維護運行，降低了勞動強度。
2）防爆型交流變頻驅動系統
兗州礦業（集團）有限責任公司開發出一種防爆交流變頻驅動系統，采用最先進的IG-BT模塊以及先進的直接力矩控制方式，使得防爆型交流變頻驅動的各個性能指標如啟動力矩、控制精度和快速響應能夠俊比同類產品有很大的提高，同時，防爆型交流變頻驅動在煤礦井下這一特殊環境中可廣泛使用，具有很大的優越性和巨大的經濟利益。
矢量控制和直接力矩控制是異步電動機變頻調速的主要控制方式。矢量控制技術要做到大范圍調速必須接速度反饋，而速度傳感器的安裝較麻煩且易于損壞。直接力矩控制在無速度傳感器的條件下仍能做到大范圍，而且具有較快的動態響應和大起動力矩（最大能夠達到200%），非常適應礦山大功率電動機的工作需求。
由于直接力矩控制技術發展很快，其力矩脈動較大的缺點得到了改善，現在國內外許多變頻器廠家已把此技術應用到了通用變頻器中。因此，從先進性和實用性兩方面考慮，防爆型交流變頻驅動器采用直接力矩控制技術。
其主要功能器件包括：
①功率器件。根據礦井交流異步電動機的運行特點，同時考慮國內整流裝置的生產使用情況，選用帶浪涌吸收電路且具有軟恢復特性的三相整流橋模塊。
②限流電路。在驅動器剛接通電源后的一段時間里，電路串入限流電阻，將電容器的充電電流限制在允許的范圍之內。
③制動電路。使用制動電阻將再生到直流電路的能量消耗掉，使電壓保持在允許范圍內。制動單元的作用是控制流經制動電阻的放電電流。
④驅動控制系統。由速度控制環和轉矩控制環組成，采用目前最常用的微處理控制芯片和輔助電路。
⑤人機接口。其主要的電氣保護有短路、過電流、過載、斷相及不平衡、漏電、過壓欠壓、變頻器過溫和電動機過熱、接地故障等。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號