變頻技術在煤礦中的應用畢業設計

　　平頂山工業職業技術學院

　　畢 業 設 計 (論文) 任 務 書

　　姓名 田雨

　　專業 礦山機電

　　任 務 下 達 日 期 年 月 日

　　設計(論文)開始日期 年 月 日

　　設計(論文)完成日期 年 月 日

　　設計(論文)題目： 變頻技術在煤礦中的應用

　　A·編製設計

　　B·設計專題(畢業論文)

　　指 導 教 師

　　係(部)主 任

　　年 月 日

　　平頂山工業職業技術學院

　　畢業設計(論文)答辯委員會記錄

　　機電係 係 礦山機電 專業，學生 田雨 於 2010年 4 月 18 日

　　進行了畢業設計(論文)答辯。

　　設計題目：

　　專題(論文)題目： 變頻技術在煤礦中的應用

　　指導老師：

　　答辯委員會根據學生提交的畢業設計(論文)材料，根據學生答辯情況，經答辯委員會討論評定，給予學生 畢業設計(論文)成績為 。

　　答辯委員會 人，出席 人

　　答辯委員會主任(簽字)：

　　答辯委員會副主任(簽字)：

　　答辯委員會委員： ， ， ，

　　， ， ，

　　平頂山工業職業技術學院畢業設計(論文)評語

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　　共 頁

　　學生姓名： 田雨 專業 礦山機電 年級 07級

　　畢業設計(論文)題目： 變頻技術在煤礦中的應用

　　評 閱 人：

　　指導教師： (簽字) 年 月 日

　　成 績：

　　係(科)主任： (簽字) 年 月 日

　　畢業設計(論文)及答辯評語：

　　目錄

　　一、前沿……………………………………………………………1

　　1.1 變頻調速技術的發展………………………………………2

　　1.2我國變頻調速技術的發展概況……………………………4

　　1.3目前國內主要的產品狀況…………………………………5

　　1.4國外現狀……………………………………………………6

　　1.5國內現狀……………………………………………………7

　　1.6未來的發展方向……………………………………………7

　　1.7變頻調速技術的應用………………………………………9

　　二、變頻技術在煤礦中的應用

　　2.1采用變頻調速係統的優點..........................11

　　2.2接口電路……………………………………………………12

　　2.3主回路結構…………………………………………………13

　　2.4提升機變頻器主要功能簡述………………………………15

　　2.5係統方案………………………………………………… .16

　　2.6操作與控製…………………………………………………19

　　三、變頻技術在煤礦通風機中的應用

　　3.1礦井通風設備與風機節能原理概述……………………. 20

　　3.2風機選用變頻器的要求……………………………………23

　　3.3 變頻器應用舉例…………………………………………23

　　四、變頻調速在空氣壓縮機上的應用

　　4.1 煤礦空氣壓縮機係統概述.........................24

　　4.2 空氣壓縮機選用變頻器時的有關要求………………….27

　　五、變頻調速技術在煤礦帶式輸送機中應用……………………27

　　六、變頻技術在水泵控製中的應用………………………………31

　　結語……………………………………………………………….32

　　參考資料………………………………………………………….33

　　前言

　　近年來，隨著電子技術、計算機技術、自動控製技術、大功率輸出技術的迅速發展，交流調速取代直流調速、計算機數字控製技術取代模擬控製技術已成為發展趨勢。點擊交流變頻調速技術成為當今節點和改善環境、推動技術進步的一種主要手段。變頻調速以其優異的調速和起製動性能，高頻率、高功率因數和節電效果，廣泛的適用範圍及其他許多優點而被國內外公認為是最有發展前途的調速方式。煤炭企業是耗電大戶，其點好成本占其生產成本相當大的比例，其中有很大一部分電能是白白浪費掉的。眾所周知，企業在最初設備設計選型時，都是按最大生產需求量來確定的，而實際應用中大多數中大多數時候達不到最大聲場能力，設備不能再最佳工礦區域內運行。特別是水泵、風機等流體類負載，平均運轉效率隻有20%—50%，如果能將效率提高到95%以上，就可節約30%—50%的電費。所以說，煤炭企業的節電潛力是很大的。利用變頻調速技術對煤礦企業現有設備進行改造，完全能達到改善工況、節省電費、提高效率的目的

　　1.1交流變頻調速技術的發展

　　(1)20世紀50年代末發明了晶閘管(SCR)因而生產出了靜止可控整流裝置，推動直流調速控製係統快速發展起來，成為第一代控製器件。70年代陸續發明了功率晶體管(GTR)、門極客關斷晶閘管(GTO)、功率MOS場效應管(POWERMOSFET)、絕緣柵極雙極型晶體管(SIT)、靜電感應晶閘管(SITH)等，成為了第二代控製器件。器件的每一次更新都為調速技術的發展注入了新的活力。電動機的調速衝直流發電機—電動機組調速、靜止晶閘管整流直流調壓調速發展到交流感應電動機變頻調速。與此同時，1971年對於異步電動機的高階、非線性、強耦合多變量係統數學模型，德國專家F B A schkc提出了《感應電機磁場定向的控製原理》，美國專家P C Custman與A A Clank提出了《感應電子定子電壓的坐標轉換控製》，解決了一步電動機矢量控製的理論問題。自己，交流電機變頻調速技術突飛猛進地發展起來，變頻調速由變壓變頻控製的變頻發展到了矢量控製變頻調速，通過控製交流電動機裏相當於並勵直流電動機勵磁繞組的磁通變化，提高變頻器的恒轉矩輸出範圍和動靜態特性，使得交流電動機變頻調速係統的性能超過了直流電動機調壓調速係統的性能，實現了高動態性能的交流變頻調速。到80年代中期，又出現了功率集成電路PIC、保護、檢測和功率輸出單元集中在一塊芯片上，成為第三代控製器件，它的出現被譽為第二次電子革命的前沿，把交流變頻調速技術又推向新的高度，目前，國際上又推出了諧振式逆變器，使開關元件在零電壓或零電流時導通和關斷，將開關損耗較少到最小程度，使開關頻率達到MHz級，減小了主回路體積，這種電源已達到了100KW。10MHzPWM逆變器的體積隻有火柴盒大小，125W共振電源已達到1MHz。新型控製器件的發展，進一步促進了交流調速技術的發展和推廣應用。這項新技術能提高勞動生產率，減低能耗，節約生產成本，已得到人們極大的關注。隨著工業自動化程度的不斷提高和能源全球性短缺，變頻調速技術越來越廣泛地應用在煤礦、機械、紡織造紙、冶金、食品等各個行業以及風機、水泵等節能場合，並取得顯著的經濟效益。

　　(2)交流變頻調速技術的現狀

　　交流變頻調速是微機技術、電子電力技術和電機傳動技術的綜合應用。變頻調速之所以在能源危機中應運而生，是因為它能根據電機負載的變化實現自動、平滑的增速減速，從而大幅度提高工作效率。尤其是用於風機和水泵時，節電率在40%左右。

　　交流變頻調速技術是強弱電混合、機電一體的綜合性技術，既要處理巨大電能的轉換(整流、逆變)，又要處理信息的手機、變換和傳輸，因此它的共性技術分為功率和控製兩大部分。前者要解決與高壓大電流有關的技術問題和新型控製器件的應用技術問題，後者要解決(基於現代化控製理論的控製策略和智能控製策略)硬、軟件開發問題，在目前狀況下主要是全數字控製技術問題。基於電動機和機械模型的控製策略，又矢量控製、磁場控製、直接轉矩控製和機械扭振補償等，基於現代理論的控製策略，又滑模變結構技術、模型參考自適應技術、采用微分幾何理論的非線性解耦、魯棒觀察器，在某種隻是議一下的最優控製技術和逆奈奎斯特陣列設計方法等，基於智能控製思想的控製策略、有模型控製、神經元網絡、專家係統和各種各樣的自由化、自診斷技術等。

　　交流變頻調速的基本原理是通過整流橋將工頻交流電壓，再由逆變器轉換為頻率、電壓可調的交流電壓作為交流電壓作為交流電機的驅動電源，使電動機獲得無級調速所需額的電壓和電流，使一種無附加轉差損耗的高效調速方式之一。目前，變頻調速技術已廣泛應用於低壓電動機的調速傳動中，隨著科學技術的進步和製造工藝的提高，高電壓大電流變頻調速器生產技術也逐漸趨於成熟。

　　1.2我國變頻調速技術的發展概況

　　電氣傳動控製係統通常由電動機、控製裝置和信息裝置3部分組成。電氣傳動關係到合理地使用電動機以節約電能和控製機械的運轉狀態(位置、速度、加速度等)，實現電能-機械能的轉換，達到優質、高產、低耗的目的。電氣傳動分成不調速和調速兩大類，調速又分交流調速和直流調速兩種方式。不調速電動機直接由電網供電，但隨著電力電子技術的發展這類原本不調速的機械越來越多地改用調速傳動以節約電能(節約15%～20%或更多)，改善產品質量，提高產量。在我國60%的發電量是通過電動機消耗的，因此調速春傳動是一個重要行業，一直得到國家重視，目前已有一定規模。

　　近年來交流調速中最活躍、發展最快的就是變頻調速技術。變頻調速是交流調速的基礎和主幹內容。上個世紀變壓器的出現使改變電壓變得很容易，從而造就了一個龐大的電力行業。長期以來，交流電的頻率一直是固定的，變頻調速技術的出現使頻率變為可以充分利用的資源。

　　我國電氣傳動產業始建於1954年當時第一批該專業範圍內的學生從各大專院校畢業，同時在機械工業部屬下建立了我國第一個電氣傳動成套公司，這就是後來天津電氣傳動設計研究所的前身。我國電氣傳動與變頻調速技術的發展簡使見表1。現在我國已有200家左右的公司、工廠和研究所從事變頻調速技術的工作。

　　我國是一個發展中國家，許多產品的科研開發能力仍落後於發達國家。至今自行開發生產的變頻調速產品大體隻相當於國際上80年代水平。隨著改革開放，經濟高速發展，形成了一個巨大的市場，它既對國內企業，也對外國公司敞開。很多最先進的產品從發達國家進口，在我國運行良好，滿足了我國生產和生活需要。國內許多合資公司生產當今國際上先進的產品，國內的成套部分在自行設計製造的成套裝置中采用外國進口公司和合資企業的先進設備，自己開發應用軟件，能為國內外重大工程項目提供一流的電氣傳動控製係統。雖然取得很大成績，但應看到由於國內自行開發、生產產品的能力弱，對國外公司的依賴性嚴重。

　　1.3目前國內主要的產品狀況

　　(1)晶閘管交流器和開關斷器件(DJT、IGBT、VDMOS)斬波器供電的直流調速設備。這類設備的市場很大，隨著交流調速的發展，該時常雖在縮減，但由於我國舊設備改造任務多，以及它在幾百至一千多kW範圍內價格比交流調速低得多，所以在短期內市場不會縮減很多。國產設備能滿足需要，部分出口。自行開發的控製器多為模擬控製，近年來主要采用進口數字控製器配國產功率裝置。

　　(2)IGBT或BJTPWM逆變器供電的交流變頻調速設備。這類設備的市場很大，總容量占的比例不大，但台數多，增長快，應用範圍從單機擴展到全生產線，從簡單的V/f控製到高性能的矢量控製。約有50家工廠和公司生產，其中合資企業占很大比重。

　　(3)負載換流式電流型晶閘管逆變器供電的交流變頻調速設備。這類產品在抽水蓄水能電站的機組起動，大容量風機、泵、壓縮機和軋機傳動方麵有很大需求。國內隻有少數科研單位有能力製造，目前容量最大做到12MW。功率裝置國內配套，自行開發的控製裝置隻有模擬式的，數字裝置需進口，自己開發應用軟件。

　　(4)交-交變頻器供電的交流變頻調速設備。這類產品在軋機和礦井卷揚傳動方麵有很大需求，台數不多，功率大。主要靠進口，國內隻有少數科研單位有能力製造。目前最大容量做到7000～8000kW。功率部分國產，數字控製裝置進口，包括開發應用軟件。

　　變頻調速技術在國民經濟和日常生活中的重要地位是由以下因素決定的。