通览矿用防爆变频器的发展历程 专家有话说

矿用变频器应用相对其它变频器较晚，但近五年来发展态势迅猛，有各行业之首的趋向。最根本的原因在于落后的电气设备满足不了工业化生产的需要，陈旧的老设备效率低、能耗大，防爆行业发展中出现的技术问题亟待解决。同时，节能降耗、低碳排放是社会发展的客观需要，国家对防爆行业的技术升级改造也十分重视。从“十一五”计划至今，防爆行业技术发展日新月异，矿用防爆变频器的应用也日趋广泛。 　　 　　在今天，矿用防爆变频已涌现越来越多的本土品牌，并且在标准接轨、行业需求把握方面具有极强的本土优势。 　　 　　专家言论 　　 　　韩菊娣：1982年黑科大毕业分配至煤科总院上海分院电气自动化所工作。94年后任电气自动化所经营所长。 　　 　　2002年退休后，创办上海申地自动化科技有限公司。在晋城矿务局的支持下，她带领所在团队的技术人员开发了矿用大功率系列变频器、高低压软起动器，并在国内第一个建成了两电机对拖四象限变频器回馈的变频器加载试验装置。 　　 　　2006年底，年已60岁的她第二次退休。 　　 　　2007年7月在煤矿部分老领导支持鼓励下又创办了上海地澳自动化科技有限公司。她带领所在技术团队开发了矿用1140V、630KW以上大功率变频器，并首次将630KW/1140V四象限变频器成功应用在国投新集刘庄煤矿大巷及顺槽等多条下运皮带上。 　　 　　韩菊娣：防爆变频器的“前世今生” 　　 　　变频器的诞生给电机提供了一个频率可调的电源，这使其调速性能：高精度的转矩、多机联动时的功率平衡及双闭环控制性能在电机的运行中得到了最佳的发挥。实践证明：变频器给电机节能、环保运行带来了福音。 　　 　　1998年底我们所研发成功矿用软起动器后，就计划开发矿用变频器。99年10月，向院申报项目时，正值亚洲经济危机，同时煤矿又处在部局机构调整中，故科研费下拨很少。当时主管科研的院长说只能给2万元，这点钱买IGBT模块都不够，无奈，只能放弃。 　　 　　2002年3月我退休了，接了我们老院长的公司，把它改制后，第一个项目就搞矿用变频器。当时，研发变频器还有许开诚同志，他是第一个吃“螃蟹”的人。他带领唐山开诚的技术人员在研发，他们于2001年研发成功取得了煤安证。我公司是2002年9月完成了MA认证。 　　 　　在我公司变频器的发展中，晋城矿务局的机电总工、租赁站站长陈汉英同志给了我很大的支持，从经费、技术、试验场地等各方面给予了全面支持；更可贵的，还是陈站长和他的团队及各矿的同仁们那种锲而不舍的执着精神，给了我很大的鼓舞，他们理解且包容我们的一次次失败，又给了我们一次次的鼓励和机会，晋城局成了当时大量使用矿用变频器的中心，带动了周边各单位来参观学习，这才有今天防爆变频器发展的大好局面。 　　 　　防爆变频器的诞生，带动一批产业和产品的提升。首先是我院防爆电气检验站。当时变频器刚出来，防爆站的检验规范和检验标准都不全，有的检验项目还没有标准依据。时任防爆站的副站长张建同志收集了国内外有关变频器的技术资料和标准后初步编制了一份检验规范，并在检验实施中逐条进行，成功一条，肯定一条，在实践中不断完善了检验规范，并在此基础上升级了检验设备，增添了有关检验仪表，为生产防爆变频器厂家的MA认证创造了条件，提供了方便。 　　 　　2003年后变频器得到了广泛的应用。随着现代电力电子技术及计算机控制技术的迅速发展，促进了电气传动的技术革命,交流调速取代直流调速，已大势所趋。 　　 　　据国家统计局统计，2002年我国消耗电力16200亿度，其中有60%—70%的电能，约1万亿度被各种类型电动机所消耗。到2002年底，我国的各类电动机的总容量是5亿千瓦，1亿台左右，85%是异步电机，其中只有不到2000万千瓦的电动机是带变频器控制的。而带变动负载，具有节能潜力的电机在我国至少有1.5亿千瓦。 　　 　　在过去的几年内，我国变频器市场保持着12%—15%的增长率，这个速度已经远远超过了近几年的GDP增长水平，而且预计至少在未来的5年内，行业内还将保持着10%以上的增长率。考虑到大约6%—8%的价格下降因素，我国市场上变频器安装容量（功率）的增长实际应在20%左右。按照这样的发展速度和我国市场的需求计算，至少在10年以后市场才能饱和并逐渐成熟。 　　 　　因此，我国变频器制造企业具有很好的发展空间。特别是煤炭工业领域，大功率的传动机械中，风机、水泵占据主要地位，如：煤矿的排水泵和排风扇以及自来水供水泵等，驱动电动机多般功率在400-10000KW、电压在6KV-10KV的大功率高压交流电动机。高压大功率变频调速装置主要用来对这类高压电动机进行调速控制。 　　 　　据统计，仅1987-1991年全国高压电动机的总产量就达到38196.5MW，并且产量还在以10%的速度在年增加，1996、1997年两年全国高压电动机产量达1000万KW。从技术工艺、节能方面出发，变频调速是性能最好、也是最经济合理的调速技术，所以高压变频器在煤矿行业中有很大的需求。 　　 　　调整阶段的煤矿市场 　　 　　目前，煤矿市场虽处于结构调整阶段，但是这是煤炭生产向着更加集约、更加环保、价格更加合理方向发展，煤炭产品向着煤层气、煤变油、洁净煤及煤炭综合利用方向发展，这些发展离不开高新技术、少不了变频调速技术，主要依据是： 　　 　　1、国家政策需要矿用大功率高压变频器 　　 　　A、《中华人民共和国节约能源法》第39条第2款规定：国家鼓励节能技术，发展电机调速节能技术，逐步实现电动机、风机、泵类设备和系统的经济运行，提高电能利用率； 　　 　　B、煤炭工业是国家经济命脉和能源安全的重要基础工业。国家“十一五”扶植13个亿吨矿区，500对1000万吨的矿井，至2011年底仅有6个亿吨矿区。2012年颁布的《煤炭工业发展“十二五”规划》明确提出：“加强科技创新，提升科技支撑能力，推广先进适用技术，提高煤矿装备现代化、系统自动化、管理信息化水平”；“推进煤矿重大装备国产化，重点开展矿井新型辅助运输装备、矿井信息网络自动化系统，以及关键元部件的研制及示范应用”；并要求“十二五”期间结合结构调整，实现矿井综合自动化，提升矿井安全生产能力； 　　 　　C、为贯彻《能源法》，煤炭协会提出：“凡200KW以上电动机，均需高压供电，以减少降压次数”。 　　 　　以上法规为大功率矿用高、低压变频器的推广应用提供了法律法规和政策依据。 　　 　　2、新技术发展和应用助推矿用大功率高压变频器 　　 　　为贯彻执行《能源法》，我国煤炭开采领域经第十一个五年计划后，井下供电布局：由地面及井口10KV和6KV、工作面1140V、大巷660V、选煤厂380V升级为：地面及井口10KV、大巷6KV、工作面3.3KV、选煤厂660V的全数字化微电子综合保护供电系统，为煤矿使用3300V以上高压大功率变频器提供了安全供电保障。 　大功率高压变频器现状 　　 　　目前，国外各大品牌的高压变频器生产商，已形成系列化产品。依据其变换方式可以分为交—交和交—直—交两类。其中，交—直—交高压变频器根据中间直流的处理方式，还可以分为电流源型和电压源型两类。而电压源型高压变频器又可依照其拓扑结构，分为高—低—高式、器件串联两电平式、三电平式、功率单元串联多电平式等几种。 　　 　　依据其所驱动的电动机的类型，可以分为同步电动机高压变频调速系统和异步电动机高压变频调速系统两类。但是国外品牌公司没有煤矿井下用的防爆高压变频器。目前国内也有不少变频器生产商，其电压为AC10000V，但没有矿用防爆高压变频器。随着煤炭自动化水平不断提高，矿用变频器在煤矿井下也得到了广泛的应用。制造矿用变频器厂家也逐渐增加，但高压防爆变频器制造厂家屈指可数，原因是国内目前尚无矿用高压变频器的统一标准，同时也存在以下问题： 　　 　　1、产业基础不足、技术积累太少 　　 　　国内现今比较活跃的高压变频企业大都是一些刚刚成立几年或者从其他行业转型过来的，在电气传动类产品上先天没有技术积累，生产加工配套条件也没有太大优势，所以其在产品技术开发、产品设计、产品生产质量控制等方面，与国外大企业相比相差较大，这也造成了国产产品在产品稳定性、产品与现场的适应性等方面存在这样或那样的问题。 　　 　　我国国内高压电动机的电压等级与西方发达国家不太相同，国内高压电动机的额定电压大都是6KV和10KV，尤其近几年为了减少降压次数，煤矿直接用10KV下井，而国外高压电动机的最高电压为4160V，所以国外某些大公司的产品拿到国内后往往无法适应国内的高压电动机，需做各种改造。因此国产高压变频器在这一方面具有一定优势。 　　 　　当前我国高压变频器处于市场开发的初期，市场竞争还不太激烈，随着市场的进一步开发和拓展，竞争必将日趋激烈，有关厂家都在进行技术储备，将现有的高压变频器的功能进一步细分，面向自身的优势行业和重点领域投入，为今后的市场开拓作充分准备。 　　 　　2、企业规模小，抗风险能力和技术投入严重不足 　　 　　在电气传动领域，国际上一些大型企业，如西门子、ABB、Rockwell等公司，其年营业额均在几百亿美元，而国内电气传动领域最大的企业年营业额仅有几十亿人民币，与国际知名企业同台竞争，无论在企业信誉、产品、技术、资金、服务体系等各方面均处于劣势。 　　 　　3、融资渠道不畅 　　 　　高压变频对煤矿而言都是一种高投入的项目，用户的采购往往会受到技术改造资金或企业自有资金不足的限制，故生产企业在生产过程中流动资金占压比较严重，资金周转周期较长，而国内现有的环境，对于一些民营企业，尤其是在成长中的民营企业来说，其资金来源除了企业自有资金、股东借贷或增资扩股外，其他渠道非常有限。上述几方面的问题非常不利于高压变频器产品市场的拓展和生产企业的快速成长。 　　 　　井上与井下防爆变频器 　　 　　煤矿井上大型设备主要是：通、压、排、提等四大件，其设备须符合《煤矿安全规范》（2011版）要求，不用防爆，但需要防护等级，一般在户内不低于IP23，户外IP54；地面选煤厂，因煤炭粉尘也会产生爆炸，所以要求隔爆型或隔爆兼本安型。 　　 　　对井下防爆变频器须符合GB3836.1～4-2010标准，但严禁给变频器供电的变压器中性点接地，故多电平的矿用防爆变频器要处理好接地问题。另外，变频器最好单独接地，不与其他电器共地，以减少干扰。如果系统控制涉及井上、井下设备，须要处理好井上不防爆设备与井下防爆设备的电隔离问题，通常要注意隔爆与非隔爆、隔爆与本安设备连接等隔离问题，否则既不如法也不安全。 　　 　　防爆变频器相关变频设备 　　 　　防爆变频器配套煤机有：采煤机、掘进机、皮带运输机、刮板运输机、提升绞车、无极绳绞车、卡轨车、猴车等辅助运输设备，这些设备为变频器的下游设备。变频器的上游设备有：变压器、各种开关等供电设备。对于上游设备，如各种开关类产品，建议其保护选择电流型，电压型不是不能用，要稍作改动。 　　 　　目前国内防爆变频器均为电压型的正弦波脉宽调制方式，在变频的同时又变压，达到磁通恒定。所以开关中的保护若用电阻取样电压的，则在变频又变压过程中会受到干扰。干扰源是谐波干扰，这样的干扰，在取样电阻的两端并一个电容，让谐波有个通路，问题就可以解决。这是因为变频器的谐波虽≤4%达标，但未能做到无谐波，还是有少量谐波的，用电容可以滤掉。下游设备中主要的设备是电机，建议最好用变频电机，这是最佳方案，不管从哪方面都比较“和谐”。若考虑投资成本，则可让电机满足以下要求： 　　 　　1、轴承选择抗绕度强的轴承，如：SKF轴承； 　　 　　2、提高电机绝缘等级至H级，因H级电机耐温可至180℃； 　　 　　3、在电机三相定子中埋设Pt100测温器件，以检测电机瞬时温度变化； 　　 　　4、电子的转子选择一次铸成的工艺，以堵绝应力集中、集肤效应等情况发生； 　　 　　5、带强制风冷，防护等级IP54。以上措施，用户可在订货时跟厂家提出要求。 　　 　　为什么这么做，这是因为变频器在逆变过程中产生的共模电压，使变频器的输出不是完全的正弦波，致使电机发热，久之会降低负载能力和电机绝缘。2005年宁煤石嘴山二矿主扇上采用变频调速，当时运行中连烧7台电机。时任宁煤集团机电副总李品利同志特邀武汉院李书兴和我去现场了解情况。从烧毁的电机的痕迹上判断：西门子变频器没问题，电机轴承有问题，扫膛严重，且转子上压的铜条粗细不一致，拐角处有烧焦的痕迹。我在会上提出：西门子变频器没问题，不用质疑，电机最好用变频电机，如考虑成本的话，只要电机满足上述5条，就没问题。后他们选用变频电机，至今运行正常。 　　 　　鉴于煤矿地下作业的工况，多数煤机制造厂要求变频器厂家将电气开关或电机能与变频器组合在一起。所以，今后变频器的发展是各领域技术的集合，如：变频器与组合开关组合—变频组合开关；变频器与电机组合—变频电机；变频器与永磁电机组合—永磁变频电机等。 　　 　　矿用变频器配套还要注意一个问题，就是矿用变频器用在需要四象限回馈运行的场合时，须注意势能位置，如果角度大于17°时，变频器运行时必须提升容量，通常为额定电流的2～2.5倍为准，否则因为回馈量大会殃及回馈单元和回馈电抗器等。 　　 　　这个教训我在97年6月全国第一套用变频器改造西山煤电西铭矿运人的缆车电控项目上有过教训。当时缆车的工况是17°下山至中间汇车点10m长平台，然后再24°下山，到17路车站终点站，整个过程需2分4秒。当时，国外再生制动的变频器尚在中试阶段，90KW/380V的电机我们选择了能耗制动变频器（美国罗克韦尔公司生产），但因制动单元选了2台110A，合闸后不到2秒钟便炸掉了，当时因着急生产，又没有现货，无奈代理商又从韩国调来2台。然安上后一合闸没几秒钟又炸掉了。找出原因后我们将制动单元增加至3台并联，就没问题了。自97年8月全部调试正常后，至今已无故障运行16年了。