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1、12004 级机电一体化专业级机电一体化专业毕毕业业论论文文论文题目：防爆高压变频器在煤矿主胶带机中的应用论文题目：防爆高压变频器在煤矿主胶带机中的应用学生姓名：学生姓名： 学校：山东科技学校济宁农学院函授站学校：山东科技学校济宁农学院函授站年月日年月日2摘要：摘要：本文以学生所在单位兖矿集团济三煤矿井下北部胶带机所用的唐山开诚电气有限责任公司生产的 ZJT 型 1140V 矿用隔爆兼本质安全型智能变频调速装置为对象，着重介绍了防爆高压变频器在煤矿主胶带输送机中的应用，通过现场的实际情况论述了变频器的原理；使用变频器相对于其他软启动设备的优缺点；使用变频器的谐波干扰与防干扰；变频器的市场、性能
2、以及其在煤矿行业中的应用等知识。关键字：关键字：变频器，软启动，节能，谐波，防爆3目目 录录封面第页摘要第页关键字第页目录第页第一章 引言第页第二章 变频器简介第页第一节 变频器概述 第页第二节 变频器的技术指标与应用第页第三节 国内变频器的市场状况第页第四节 变频器的选用 第页第三章 变频器改造给济三煤矿带来的效益第页第四章 总结第页致谢第页参考文献第页4第一章第一章 引言引言兖矿集团济三煤矿井下有七部主胶带输送机，其中北部胶带机于 2007年 4 月安装了由唐山开诚电气有限责任公司生产的 ZJT 型 1140V 矿用隔爆兼本质安全型智能变频调速装置，北部胶带机全长 473m，运量 2500
3、t/h，负责北区煤流系统的全部运输任务，地位非常重要。改造前北部胶带机有 4 台1140V315KW 电机驱动，采用液力耦合器软启动驱动两个主驱动滚筒，由于液力耦合器天生的缺点，已经不适合继续使用，存在着如下几个严重问题。（1）各液力耦合器由于工作条件苛刻,现场条件较差,使得闭环伺服系统功能丧失。导致四台耦合器内部充油压力不匀,滑差不等,传动效率不一致,造成1 号和 2 号同轴传动系统周期性震动剧烈。成为系统共振的主要振源。（2）液力耦合器技术条件要求严格，工作条件苛刻，自身故障率高。由于以上两个问题的存在而又衍生出以下几个问题，这几个问题互相依赖，恶性循环（1）由于液力耦合器技术要求高，输入
4、及输出端的联轴同轴度均不得大于20mm，现场也很难达到要求，即使达到，也由于系统震动剧烈而又难以保持。反过来即加剧震动，又使自身轴承寿命缩短。（2）由于同轴传动的液力耦合器滑差不等，传动效率不同，使得减速机各级齿轮变差液啮合状况变差，滚动啮合过程存在着滑动，从而导致二轴及三轴齿出现疲劳片状剥蚀，高速轴轴承易损，机箱壳体研磨等，既增加自身震动烈度，又反过来影响各联轴节的同轴度。（3）由于液力耦合器因工作压力高而导致油温高，其专用水冷却器为 266根 12101200 紫铜管组成，细管内结垢后不易清除，即使每次目检都安排专人“捅” ，也不能恢复其冷确效果。使液力耦合器长时期在高压，高温,高速的工况
5、下工作，使得工作油稀释，化学成分变化，轴承润滑状况恶化，泵轮平衡铅块因孔壳膨胀飞脱，而导致动静失衡,自身震动加剧,现场维护难度加大,故障频繁,成为制约矿井生产的一个重要原因。5另外，北部胶带机的运行速度为 4.75m/s，胶带机的运转速度过快，给胶带机托辊及胶带本身都带来了很大的磨损，胶带机的清扫器及转载点附近的挡煤板等配件的使用寿命也非常短，这些都给我矿带来了巨大的材料开支；胶带机的速度过快，还使胶带巷的撒煤量大大增加，皮带队每天都要组织清煤工沿线清煤，造成人力资源的巨大浪费。北一胶带机使用的是液力耦合器+减速箱的传动方式，这种方式已经落后，其落后之处体现在液力耦合器的效率低下，尤其是在低速
6、时，有近 3/4的能量被浪费，另外作为济三煤矿北一胶带机的耦合器，由于其电机功率大，所以其配套耦合器的发热量也很大，需要专门的水冷设备为其降温，这又造成了冷却水资源的浪费。另外，液力耦合器的维修费用也很高，需要定期对其液压油进行更换。且我们采用的是勺杆控制的耦合器，对该胶带机的四个驱动无法精确的做到功率平衡，特别是在遇到重载停车的情况下，很容易单驱动滚筒受力，对滚筒的包胶无疑是一种巨大的磨损。由于北区煤流系统的煤量是随着北部采区的采掘能力而定，煤量的大小波动很大，北部胶带输送机不可能始终维持在 100%的运载量，在很多时候是半载运行或空载运行，而皮带仍然维持着高转速，对托辊、滚筒等就造成了不必
7、要的磨损。基于北部强力胶带输送机所存在的上述问题及其在生产环节方面的重要性，原有的驱动已经不能满足矿井安全及生产的需要，必须立即加以改造，矿党政领导对此问题高度重视，矿机电领导组织本矿技术人员搜集资料，进行技改方案论证。在集团公司领导的大力协助下，经公开招标，决定使用唐山开诚电器有限责任公司生产的“ZJT 系列 IGBT 高压变频器”对该软启动系统进行改造。经过漫长的定货与研究、现场论证，终于在 2007 年 4 月份改造完毕。在了解改造效果之前，让我们对变频器有个大略的认识。第二章第二章 变频器简介变频器简介6第一节第一节 变频器概述变频器概述1.变频器概念所谓变频器，说得通俗一点就是一台电
8、源变换设备，其自身并不消耗能量 （损耗除外） 。变压器也是一台电源变换设备，其自身也不消耗能量 （损耗除外） 。变压器是改变电源电压的设备，并不改变电源的频率。变频器与变压器不同，变频器是改变电源频率的设备。但是我们这里所提到的变频器，是专门为需要调速的三相交流异步电动机提供电源的。因此，这种变频器有其本身的特点。三相交流异步电动机电磁关系为其中： E1为定子每相绕组的感应电动势m为定子每个磁极的磁通量f1为定子供电电源的频率k1W1为定子每相绕组的等效匝数从上面公式可知，对一台其电源额定值为 380V 50Hz（50Hz 称为基底频率）的电动机来说，当变频器的输出频率由 50Hz 向下改变时
9、，为了能维持电动机正常运行，变频器的输出电压也须相应改变。 例如，当变频器的输出频率由50Hz 改变到 25Hz 时，变频器的输出电压也应由 380V 改变到 190V（实际上由于其他原因变频器的输出电压应大于 190V） ，否则电动机就会因为磁饱和引起激磁电流过大而过热。变频器的输出频率由基底频率（50Hz）向下改变这一段称为恒转矩特性段，又称为恒磁通控制段。当变频器的输出频率由50Hz 向上改变时，变频器的输出电压仍维持在 380V，这是因为变频器的输出电压不可能超过电网电压。变频器的输出频率由基底频率（50Hz）向上改变这一段称为恒功率特性段，又称为弱磁控制段。在向交流异步电动机提供电源
10、时，变频器在改变其输出频率的同时，也必须控制其输出电压作相应地改变，这就是变频器输出中电压和频率的协调控制，或称变频器输出的压频特性，简称为变频器的 V/F 特性或模式。7由于改变电源的频率很困难，频率和电压又要协调控制，又要具有很多保护和其他功能，所以变频器的结构远比变压器复杂得多，价格也昂贵得多。价格原因了给变频器的推广应用带来一定的困难。2.变频器的分类变频器的分类方法很多。按频率改变的方式分类交交变频器 将 380V 50Hz 交流电源直接转换成所需频率和电压的电源。交交变频器又称为周波变换器。交直交变频器 将 380V 50Hz 交流电源首先转换成直流电源，然后再转换成所需频率和电压
11、的电源。交直交变频器又可根据中间环节分为：电压源型变频器 中间环节由大电容器构成，其输出电压波形为脉冲调制波，其电流波形接近正统波。电流源型变频器 中间环节由大电感构成，其输出电压波形接近正弦波，输出电流波形为脉冲调制波按输出电压调节方式分类PAM 方式 即脉冲幅值调制方式(Pulse Amplitude Modulation)简称 PAM方式。它通过整流单元的可控调压改变直流电压的幅值，通过逆变单元只改变输出电源的频率。由于采用可控整流，对网侧电源的干扰很大，而且功率因数也很低，目前很少采用。正弦 PWM 方式 脉冲宽度调制方式(Pulse Width Modulation)简称 PWM方式
12、。PWM 技术最初由西德人 ASchonung 和 HStemmler 在 1964 年提出，这是一门利用电力电子器件的开通和关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列，以实现变频、变压、及控制和消除谐波为目的的一门技术。它在交流传动、不间断电源和有源滤波器中有广泛的应用。近来均采用较好的正弦脉冲宽度调制(Sinusoidal Pulse Width Modulation)，简称 SPWM。由于采用8IGBT 功率开关管，调制频率已由原来的 2k 左右提高到 15k 左右，大大降低了电动机运行时的电磁噪音及低频运行时的转矩脉动。SPWM 的实现方法也很多，大致可分成三类：电压正弦 PWM 方式
13、其基本原理是在相同区分的时间间隔内，正弦电压波形所围成的面积与此区间内的脉冲波所围成的面积相等。具体的实现可采用模拟电路、数字电路、单片机（或数字信号处理器）及专用大规模集成芯片（如 HEF4752、MA818、ZPS101，MB63H110 等） 。磁通正弦 PWM 方式（又称磁链跟踪控制方式） 即电压空间矢量 SVPWM 方式，它是从电机的角度出发，以三相正弦波电压供电时交流电动机的理想磁通轨迹园为基准，用变频器不同的开关模式去逼近园磁通并由它们决定逆变元器件的开通或关断，以形成 PWM 波形。在直接转矩控制系统中广泛采用这种方法。电流正弦 PWM 方式（又称电流跟踪控制方式） 即滞环比较
14、或无差拍控制。它实质上是电流反馈的数字化应用，过去模拟的 调制就属于这种。除了正弦 PWM 方式外，还有优化 PWM 方式和随机 PWM 方式。按控制方式分类V/f 控制 V/f 控制又称 VVVF 控制根据电动机的电磁特性，给电动机供电时，在改变其供电频率同时必须相应改变供电电压也就是说，供电频率和供电压要协调控制，这就是所谓 V/f 协调控制,或称 V/f 模式最简单最常用的 V/f 控制就是恒磁通控制这种控制方式属于开环控制。转差频率控制 这在不同的书中对“转差频率控制”这一概念有不同的理解。一是仅仅指转差频率补偿，即在输入电动机的额定功率、额定电压、额定电流、极数和额定转差率后，变频器
15、的控制电路根据输出电压和输出电流的测得值可计算出电动机的负载大小和电动机的实际转速，从而适当提高变频器的输出频率，以维持电动机在负载变化时其实际转速基本不变。另一是指在输入上述电动机各参数后，不仅可以维持电动机在负载变化时其实际9转速基本不变，还可以使电动机输出最大转矩而不过电流跳闸，即所谓转矩控制这里应是指后者。 （这里的转矩控制又与下面将要提到直接转矩控制不同） 。这种控制方式属于闭环控制，它是基于电动机稳态模型下电磁转矩与转差率成正比（磁通恒定）的一种控制方式。磁通矢量控制 上述两种控制方式均建立在电动机的静态数学模型基础上。虽然转差频率控制也能维持磁通和转矩不变，但由于其基本关系都是从稳态机械特性上推导出来的，没有考虑到电机电磁惯性的影响，所以动态转矩仍未能得到控制。而磁通矢量控制是建立在电动机的动态数学模型基础上，是基于交直流电动机统一理论分析基础上发展起来的。因此，电动机运行时的动态性能较好。矢量控制（
