礦用隔爆兼本質安全性變頻器在煤礦井下皮帶機上的應用

        煤炭堪稱我國第一大能源行業，既是產能大戶、耗能大戶也是節能潛力大戶。節能減排是我國的一項基本國策，但是就我國目前煤礦行業發展狀況來看，存在很大的能源浪費現象；在煤礦行業內，由于井下空間空氣流動性差，變頻器又采用隔爆外殼，所以散熱問題便顯得尤其重要；目前煤礦的散熱主要有熱管自然冷卻、加風機強迫風冷、水冷三種方式。

一、現場工況

        山西朔州某煤業公司井下皮帶運輸機，二臺400KW的電機同時驅動一條1200米的皮帶運輸機，二臺500KW防爆變頻器分別驅動二臺電機同步運行，二臺變頻器之間通過通訊的方式主從運行。

二、系統構成

1.變頻器

電抗器箱：包含LCL電源濾波

變頻器箱：整流回饋單元、逆變單元、二次控制回路

5.6寸人機界面

  

            顯示頻                       人機界面

2.控制系統

本系統包括邏輯處理系統以及預留的上位機擴展系統接口。

邏輯處理系統采用西門子S7-200系列PLC，通過采集現場的故障信號、電機保護信號、皮帶運輸機保護信號來控制變頻器的啟停，傳感器根據皮帶運輸機的煤位或煤量來自動調整變頻器的運行狀態。

預留的上位機擴展接口可以在不加任何硬件的情況下直接連接上位機，可以顯示變頻器運行狀態、皮帶機保護信號狀態、故障查詢等。

3.保護系統

皮帶機的各種保護傳感器、跑偏傳感器、拉線急停開關、煤位、斷帶傳感器、速度傳感器、煙霧傳感器、語音報警、灑水裝置等。

4、電氣方案

煤礦井下皮帶輸送機系統多為雙滾筒或多滾筒驅動，為了保證系統的同步性，首先必須保證機頭的各滾筒同步啟停；同時為了保證系統的運輸能力，應盡量保證各滾筒之間的功率平衡。通過調整相應兩變頻器的速度給定來調整兩電機之間的速度差，便可任意增大或減小兩驅動電機的電流差值。因此可以通過單獨的控制系統控制各電機的電流值，通過調整各電機的速度來使各電機電流值逐步趨于平衡。

防爆變頻器帶動皮帶輸送機工作時，采用主從聯動方式。主機的輸出是從機的給定，從機跟蹤主機的參數，主從機的數據交換通過通訊線路進行。具體可以根據皮帶輸送機機械驅動裝置的布置作調整。

多臺電機驅動同一負載時會出現速度不同步問題，速度快的電機將承受較重負載。這種情況下，變頻器可根據負載變化自動調整運行頻率，從而使負載均衡分配。

系統組成圖

        如上圖，兩臺變頻器一臺設置為主機，另一臺則設為從機。主從機通過通訊線路（Modbus總線、Profibus總線、485通訊）進行數據交換。兩臺電機采用無傳感矢量控制方式同時起動，主機的速度輸出作為從機的速度輸入給定。從機可根據負載變化自動調整運行頻率，跟蹤主機以保持同步，實現電機功率平衡。此方式速度控制精度高、動態響應快，可隨負載變化動態調整速度輸出。在匹配煤流傳感器后，可自動依據煤流大小自動調速，在大量節約電能的同時可提高電機功率因數。

        能量回饋時，二臺整流單元分別將電機發出的能量回饋給電網，經過濾波單元回饋電網的三相波形近似于正弦波，功率因數接近1.

模塊式安裝（配電部份、濾波部份、整流回饋部份、逆變部份），方便維護。

三、 散熱方式

        由于變頻器的所有元件都裝在防爆腔內，空氣不能流動，鑒于這種情況，我們采用了一種新的散熱技術——熱管散熱技術。

（1）熱管是一種具有極高導熱性能的傳熱元件，它通過全封閉真空管內介質的蒸發與凝結來傳遞熱量，冷熱兩側的傳熱面積可任意改變。具有等溫性好、遠距離傳熱、溫度可控制等一系列優點。由熱管組成的換熱器具有傳熱效率高、結構緊湊、流體阻損小等優點。

（2）將變頻器結構設計成一個大單元，安裝在長方體防爆腔內后壁，通過過度散熱器與IGBT模塊、整流模塊等發熱元件接合，防爆外殼外壁加焊槽形散熱器，過度散熱器與槽形散熱器通過熱管相連接。變頻器內部產生的熱量就通過防爆腔后壁熱管槽形散熱器散發出去。

（3）由于散熱功率的增加，變頻器的散熱量=3%X額定功率（KW），熱管自身的散熱量不能滿足要求，所以變頻器采用熱管加風機強迫風冷的方式散熱。外罩采取四周封閉結構，風機采用從下往上抽風的方式進行強迫散熱。如下圖所示：（風機選用品牌風機，并單獨取得煤安證書）。

  

變頻器后部                                                   熱管散熱器

        如上所述，熱管加風機強迫風冷具有對環境要求低、防灰塵、散熱器免維護等優點；選用品牌風機提高了風機的壽命，增加了變頻器穩定性。

四、     節能

        由于變頻器的四象限運行，能夠將負載的慣性能量和電機發出的電能反饋給電網，并擁有再生功能和快速制動功能，變頻器前端采用先進的IGBT PWM整流技術，優化的SVPWM控制算法，功率因數接近1；

節能效果測算（一年300天，一天16小時,每度電0.5元）

電機參數：額定功率400KW；額定電壓1140V；

年節約電能：2400000 x 20%=480000KWh

年節約電費：1200000元-960000 元=240000元

計算結果顯示：采用變頻調速后，系統節能效果顯著，且運行良好。

間接效益：

l  啟動轉矩大，加、減速平穩，全速運行時速度保持度好。啟動和加減速階段基本不存在機械沖擊。

l  閘瓦磨損小，輸入輸出諧波含量低，對電網無污染，對周邊設備無干擾，維護量小；

l  沖擊電流小，安全保護功能齊全，除一般保護功能外，另設有聯鎖保護、自動限速保護功能。

五、 結束語   

在現代工業生產中，隨著煤礦現代化改進步伐的加快與節能減耗政策的持續推進，礦用防爆變頻也應運而生，我公司自主研發的大功率礦用防爆變頻器，采用模塊化設計，在現場應用中運行狀態良好，得到了用戶的一致好評。

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礦用的東西是要安全第一，關系到人的生命啊 ~

不錯哦，搭配煤流傳感器的話就可以根據煤流大小自動調速，這樣在大量節約電能的同時還可以提高電機功率因數。

這個應用在其他礦業也應該推廣一下

既能保證作業時的安全，又還能節能，一舉兩得啊

哈哈~這大熱管散熱器，看著就敦實啊~:lol

樓主資料是很不錯，
不過建議下次這種字兒多的帖子最好把字調大點兒

要不看著費勁~老串行~

呵呵~可能換個變頻器所帶來的這20%的節能在那些煤老板眼里根本不算錢

但是對于國家來說，卻至關重要啊~

這個應用方案做的很不錯·~看來國產大有抬頭之勢啊~

感謝分享，礦用變頻器對于安全的需求其實更高  

是的，我們那里年年都會有礦難，按全鎮的很重要。