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探讨在煤矿电机中变频调速技术的应用

时间:2020-02-10 05:20:00

摘要:本文对煤矿电机中变频调速技术的长处和亮点进行了阐述,结合实际应用分析和总结了现阶段变频调速技术中存在的不足和缺陷,收集资料对该技术的操作技术和理论原理进行了介绍,深入研究了变频调速系统的主要构成部件。
  关键词:煤炭电机;变频调速技术;操作技术
  1.关于变频调速技术的长处和亮点
  一直以来,直流串激电机都是煤矿企业主要使用和推广的电机类型,该种电机采用的是直流驱动方式,具有较强的牵引性,转速与负载转矩呈反向关系。其转速调整方式主要有直流斩波器调速与主回路串电阻调速两种,二者各有特点,直流斩波调速的能耗低,主回路串电阻调速的简单容易,但二者都有着直流电机无可避免的问题。变频调速技术与直流调速技术比较来说,简单易维护,修理频率低,具有较大的起动转矩,从而形成了其能耗低,调速性能好,维护成本低,且起动平缓,调速稳定,可以极大地降低其对电网的冲击力,是现代电机调速技术的趋势和进步。在现代工业高速发展的时代背景下,变频调速技术的低能耗及绿色环保的特点符合时代需求,同时伴随科技的日益发展,该技术成本小、能耗低的特点将更加成熟,在煤矿企业的应用和推广也将越来越广泛。
  2.关于变频调速技术应用中存在的不足和缺陷
  对于变频调速技术的实际应用,必须避免以下几个不足:(1)变频调速技术在实际应用中会因为电流过大对电机产生一定程度的损坏。一般情况下,电机的转速取决于电源的频率,二者属正相关关系。可通过正弦脉宽调制电路,有效应对电流损坏电机的不足,正弦脉宽能够灵活的改变电源输出频率,也可灵活转换电机转速,从而达到无级调速的目的。(2)电机的运转虽然平稳,但有时也会发生死区。通过生产实验可看出,死区的出现主要是因为低奇次谐波,可通过多重化结构降低死区发生率,采用设置适宜的输出变压器负极绕组、各重之间的相位差、输出变压器变比,对输出波形进行调整,从而促使谐波得以降低。(3)逆变功能。6个可控型器件IGBT组成了三相正弦脉宽调制逆变电路的主电路。生产实践中的脉冲控制应因地制宜,各相上下桥臂控制脉冲要达到相位上的互补关系,确保始终保持3个高位控制脉冲。 (4)变频调速功能。可采用感应加热电源调整AC/DC的更替,从而将交流电源转为直流电源,再经由AC/DC的更替转为交流电,确保负载所需的频率。
  3.变频调速技术的操作技术和理论原理
  3.1变频调速技术的理论原理
  根据电机学基本理论, 是其同步转速的表达式, 其中f代表着电机电源频率;p代表着电机定子绕组的磁极对数。每台电机都有既定的磁极对数,所以可以通过调整电源频率来改变同步转速。从中可看出,电源频率的高低取决于同步转速和实际转速的的高低。此种通过调整电源频率来控制速度的技术就是变频调速技术。
  是异步电机的转速表达式,s代表电机的转差率。在转差率处于最适宜的位置时,若对异步电机的转速进行调整,也和同步电机一样仅对电源频率进行调整就可以了。以确保电机转速能够在额定磁通内运转为目的,对电源频率进行调整的过程中一定要保证同时且按照最佳比例对输出电压的基波幅值进行调整。对定子供电的频率进行调节可帮助在更大范围内实现电机转速的无级调节。若是闭环控制设备,使用异步电机就会极大的提升传统与拖动装置的传动性能。
  3.2正弦脉宽调制法
  变频调速技术中的正弦脉宽调制法,是使用范围最广的调制方法,即指通过三角载波信号与正弦信号的比较促使信号的形成,若改变了正弦参考信号幅值,脉宽也将随之变化,从而调整回路输出电压值至正常值。若改变了正弦参考信号频率,就会使得输出电压频率发生变化。此种方法的主要特征是周期过半之时,以等距的脉冲中心线和等幅的脉冲来调整脉冲宽度,促使各脉冲面积之和随着正弦波下的面积的变化而正向变化,将波形调制的与正弦波相契合。在生产实践中,三相逆变器是将一个公用的三角载波信号与经三相正弦波发生器形成三相参考信号相比较,从而形成三相调制波(见图1)。
  3.3关于变频调速技术的操控措施
  变频调速技术的控制措施和方法有很多种,其中最简单易行的就是V/F控制法,特别是该方法具有较低的转速控制精度要求和不高的动态性标准,使其更受煤矿企业的欢迎。牵引负载是煤矿电机车负载的主要方式,其不要求有很高的转速控制精度,因此大部分使用V/F控制阀进行变频调速工作。在煤企的生产现场,有很长的井下直流架线且相互间的距离较大,供电电压波动幅度也很大,所以推广电压闭环、电流截止负反馈、转速开环的V/F控制方式对于调速系统最为合适。如果有过强的电机负载甚至是堵转现象,就会短时间内大大提高电机电流,通过电流限制调节器将电机特性调整至类似于挖土机的特性,最终保证调速装置与电机的正常运转。因为供电距离会影响煤矿直流架线供电电压的稳定,为了杜绝该电路存在的不足和问题,利用闭环控制系统调节变频器的输出电压,从而确保V/F控制之下的恒压频比。同时,电压闭环控制还可保护电机不受压力负载过重的危害,使由变频器直流母线电压过强而带来的电机过压反应持续时间过长的现象得到最大程度的缓解,从而确保电机的正常运转。
  4.变频调速系统的主要构成部件
  变频调速系统的主要构成部件包括,DSK核心控制板,系统保护电路、主电路、IGBT驱动电路、电压电流检测电路等组成的系统外围保护电路。
  4.1系统保护电路
  系统过载电流保护、IGBT短路过流保护、过热保护、过压保护、故障信号处理电路等都是系统保护电路的主要组成部分。系统过载保护可以将电机过载运行所经历的时间和过程降至最短,利用对直流母线电流的实时检测对系统进行过载保护,这是通过电压比较器额定电压与检测所得的母线电流信号比较而产生过载保护信号,从而实现系统的过载保护。过热保护可以将因IGBT模块过热而受到损伤的程度降至最低,通过热继电器检测散热器的实时温度,当检测到IGBT模块温度大于热继电器的额定温度时,就会促使热继电器作出反应动作,产生过热故障信号,从而对系统进行过热保护。过压保护电路可疑杜绝发生因过强的直流母线电压对功率模块与电机绝缘受损的缺陷,利用分压电阻采集母线电压完成欠压保护工作,对母线电压和额定电压进行比较而产生过压保护信号。
  4.2主电路
  滤波电路、逆变电路、制动电路、充电电路四个部分组成了电机的主电路。在设备运转当中,首先直流母线电压被滤波电容过滤至平滑,其次通过逆变电路把直流母线电逆变成可进行调整和改变的三相交流电压和电流。TMS320LF2407A的DSK板是该系统的核心控制面板,其主要组成部分有10路直流信号采样、3路CAp输入模块、2M采样转换速率的6路交流信号采样、SpI接口的D/A转换输出模块、6路pWM输出模块。对于变频调速系统来说,DSK板的应用极大的降低了DSp外围电路设计调试的难度,同时也将系统性能样机的设计期缩至最短。
  5.总结
  综上所述,对于煤矿企业的电机使用来说,变频调速方式比起电阻调速方式来说,其在保持设备的正常运转、降低修理率,降低日常维护费用、减少资金投入量、节约成本费用等方面都有着极大的优势。所以,变频调速技术不仅能够得到广泛应用还顺应了技术进步的趋势。在现代工业高速发展的时代背景下,变频调速技术的低能耗及绿色环保的特点符合时代需求,同时伴随科技的日益发展,该技术成本小、能耗低的特点将更加成熟,在煤矿企业的应用和推广也将越来越广泛。在我国经济发展的关键阶段,通过利用三相交流传动技术应用变频调速技术对煤矿电机实施技术改造与创新,不仅可以最大程度的提高直流电动机的使用效率,解决降压调速电阻耗能高等问题,确保电机车的运行质量。从而进一步提高电机车的运行质量,不仅适用于煤矿企业生产还可以应用于城市轨道建设、有色冶金、城市隧道等各个经济建设的各个领域。
  参考文献:
  [1]李宏晓.变频调速技术在煤矿的应用前景[J].科技信息.2010年19期
  [2]姚化伟.变频泵流量调节在输油系统中应用分析[J].当代化工.2011年05期
  [3]刘小川.矿业机电领域中变频调速技术的节能作用探究[J].科技传播.2013年04期.
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