近几年来，兖州矿业（集团）有限责任公司及其下属各矿（厂）在将变频节能技术应用于各种煤矿生产设备控制系统的基础上，又根据已有的变频节能技术进一步在地面各种设备广泛地进行了推广应用，针对运行实践中发现的问题进行了认真分析和归纳，不断总结运行经验教训，制定了改进方案并进行了实施，同时还取得了一批研究成果，取得了良好的节能效果。

　　1 在提升系统应用

　　1 )装煤火车钢丝绳牵引系统应用变频调速

　　兖州矿业（集团）公司济宁三号煤矿原先采用的钢丝绳牵引“铁牛”变极调速存在着不能够平滑调速，使得装载出现偏载、集载的现象；对传动系统造成频繁的机械冲击，降低了使用寿命；电气系统的故障率高，不利于维护等缺点。为此，他们改用ABB ACS601-0120-6重型变频器及其配套设备，实现了无级变速调速，具有缺相、短路、过载等保护功能，提高了火车装煤的质量，在50Hz以下的时候还具有节能的效益。

　　①采用能耗制动，避免了中间回路电压上升对变频器的损坏。钢丝绳牵引“铁牛”属于大惯性设备而且操作频繁，如果变频器中没有采取消耗能量的措施，这部分能量就会导致中间回路的储能电容器电压上升。在减速制动过快或者紧急停车的时候，这部分能量会对变频器造成损坏。与通用变频器常用的动力制动状态和再生制动状态处理方式不同，他们选用了能耗制动的方法。其优点是构造简单、对电网无污染、成本低廉。缺点是运行效率低，特别是在频繁制动的时候要消耗掉大量的能量而且制动电阻的容量将增大。

　　②“铁牛”自动回窝控制。原有的控制是利用磁控限位开关来实现的，现在改为磁控开关与变频器控制回路相结合。为了避免“铁牛”回窝出现过位的事故，要在牛窝附近增加一个磁控限位开关。当“铁牛”经过的时候，开关动作使相应的继电器得电，常开触点闭合使变频器以比较低的恒速锁定。当“铁牛”回窝到位的时候触动另外一个磁控限位开关，相应的继电器得电，其常闭触点断开从而使变频器停止工作。为了避免“铁牛”出窝的时候该回窝系统动作，电源取用变频器反转信号。

　　③两套变频系统的电气隔离。考虑到钢丝绳牵引“铁牛”变频系统出现不可控的故障情况而影响生产，采用了备用变频系统，这样就面临两套变频系统的电气隔离问题。他们在两套变频器电源以及负荷侧各增加一个接触器并且相互电气闭锁。在单独的“铁牛”回窝控制箱内增加两个相互电气闭锁的继电器，当在用变频调速系统电动机反转的时候相应继电器才得电并且接通回窝系统电源。

　　⑤对再生能量的处理。变频器的主回路采用双向逆变方案。

　　2）井下绞车电控系统变频技术应用

　　在中高压变频领域，目前的功率器件耐压能力在相当长的时间内还不可能满足高压变频调速的需要。为此，人们创造了一些电路拓扑，如交-交变频、功率单元串联多重化电压源型高压变频、电流源型中高压变频以及IGBT直接串联中高压变频。其中的IGBT直接串联中高压变频新技术彻底地解决了功率器件的耐压问题，使得直接高压变频成为现实。此项技术已经被兖州煤矿机械厂应用到新研制的矿用隔爆型变频器中。

　　在IGBT直接串联的二电平电压型中高压变频器的主电路中，系统由电网高压6kV直接经断路器进入变频器，经过二极管全桥整流、电容滤波，再经逆变器逆变，加上正弦波滤波器，简单易行地实现高压变频输出，直接供给高压电动机。

　　①自动均压的IGBT串联技术。利用容性母排技术1+N（只）串联及采用2/3限压动态均压、钳压技术，克服了IGBT动态电阻及极电阻不同步引起的动态和静态电压不均衡的问题。不管主电路电压有多高，但是分配给每个管子的工作电压是在其额定电压之内的，使单个IGBT不容易损坏，即使损坏了但是由于有冗余也不会影响到输出波形。

　　②正弦波技术。中高压电动机对变频器的输出电压、电流波形有着严格的要求。直接串联技术从优化PWM波形即SVPWM技术和研制特种滤波器两方面着手。由于三电平的11、 13、17谐波含量特别高，处理起来特别困难，若不加滤波器则只能用供应商的专用电动机。而二电平只要波形优化得好，60次以下的谐波皆可大大降低，而且对于60次以上的谐波滤波自然容易得多。交-交变频器、功率单元串联多重化电压源型高压变频器、电流源型中高压变频器都是利用变压器协助间接解决功率开关的耐压问题，而IGBT直接串联中高压变频器彻底去掉了变压器，真正实现了高进高出，为高压变频开拓了新的领域。

　　2 矿井主扇风机实现自动化调频控制

　　兖州矿业（集团）公司杨村煤矿和山东省煤炭科学研究所将可编程序控制器成功应用于该矿南、北风井主扇风机自动化变频系统，与国内使用单片机、工控机进行改造的类似项目相比，无论是可靠性还是参数变更灵活性都具有不可比拟的优越性。

　　此项成果的主要功能如下：

　　①系统自动化控制。PLC接到运行指令时，判断运行机号和运行方式。若为低频方式则驱动低频接触器吸合，延时0.4s发出变频器运行令，电机启动至设定频率风门绞车开启扇风机进风门，前导器执行机构打开扇风机前导器，使扇风机进入工作状态。若为工频方式则控制风机降压启动，当启动电流降至设定值时停掉降压启动接触器，吸合运行主接触器，风机转入全速运行状态，30s后风门及前导器自动打开。

　　②风量闭环控制。风机低频运行时，风量由给定信号控制。该信号与风量传感器反馈信号同时进入PLC的A/D模块，经CPU比较调节后，输出信号由D/A模块送至变频器频率设定接口，调节变频器输出频率，从而改变风机转速。

　　③风机低频故障转换。PLC在风机低频运行中自动检测变频器运行情况，变频器出现高中时自动切除低频系统使风机转入工频运行。

　　④电机过流保护。电机变送器将主回路电路电流信号转换后送入CPU内部功能存贮器，CPU在每个扫描周期将该数据与内部电流设定值比较，超过设定值即进行保护。

　　⑤风门行程控制。PLC开闭风机风门时，安装在风门绞车主轴上的轴编码器将风门行程转换为数据信号送至高速记数模块，待其译为BCD码后存入内部存储器，CPU在每个扫描周期将BCD数据与行程设定值比较，超出设定值即停车。

　　3 在井下采煤系统应用

　　1）采煤机ACS-800变频器的调试运行

　　ACS-800变频器有着优良的调速性能和显著的节能效果被广泛应用于煤矿及其它众多行业。正确设置变频器的基本参数是十分重要的。兖州矿业（集团）公司济宁二号煤矿总结了采煤机ACS-800变频器调试运行的经验。

　　①选择语言，设置电动机启动数据。有十五种语言可供选择，应选（ENGLISH）英语，（FACTORY）基本应 用于工厂、（NO）不恢复出厂设置、（DTC）直接转矩控制。根据电动机铭牌选择合适的电压、频率范围、电动机转速和电动机功率等。

　　②通过设置数字输入端，实现外部启动、停机和旋转方向。加速时间就是变频器输出频率由零频升到频率所需时间，一般8～10s。减速时间是从给定值降至零频所需时间，一般3～5s。确保加速时不过流、减速时不过压。加、减速时间可根据电动机功率进行计算，实际应用时根据现场情况适当调整，以不出现过电流、过电压为原则。

　　③加减速模式选择。变频器加减速有线形、非线形和S形曲线运行模式。采煤机启动和运行负载变化较大，且加速度要缓慢，变频器可选择S形曲线运行模式，以满足不同的复杂地质条件需要。

　　④设置转矩补偿。以此来提高电动机在低速启动时转矩提升，应采取自动补偿功能，确保电动机加速顺利进行。

　　⑤电子过流保护功能设置。这是为了保护电动机因过流而烧毁，漏电保护功能对电动机及电缆实时监视绝缘情况。工作电流超过设定值时过流保护功能动作，绝缘值下降至设定值以下时漏电保护功能将切断电源，实现保护牵引电动机的要求。

　　⑥模拟加载调试采煤机。接上电源后仔细观察有无异常现象，然后进行初加速。在加速时限制频率给定时要缓慢，频率上升率不要太陡，以防止出现过电流保护。此时观察电动机转速是否由小到大过渡运行平稳确保电动机接近满载情况下可靠运行。

　　2）电牵引采煤机变频器故障分析与处理

　　电牵引采煤机应用变频器替代了原先的液压牵引方式，提高了采煤机运行的可靠性。兖州矿业（集团）公司鲍店煤矿通过大量现场实践，总结出使用和维护变频器的经验，保障了电牵引采煤机的正常运行。变频器位于牵引控制箱的右前侧，主要用于控制采煤机的左右行走速度。

　　对于采煤机只能进行单向行走的单向牵引事故，除平时经常清理按钮表面的粉尘，并做好防锈处理以防出现按钮卡住现象外，还要加强对插座的维护和保护，控制线在压接时用力适度，线头压得过紧易出现断丝，采煤机振动时易造成线头虚接。

　　对于采煤机运行时能牵引，但在行走过程中经常出现突然停机，停机后有时有故障显示有时无故障显示，复位后仍能开机的病态牵引事故，先不要急于动手，首先询问司机关于采煤机工作运行情况和故障现象，观察功能显示和参数显示，仔细倾听采煤机运行声音，分清是机械故障还是电气故障，确定故障范围，由点到面层层分析，然后再进行事故处理。

　　对于采煤机不牵引的事故，其原因可分为硬故障和软故障。硬故障是指采煤机出现不牵引后信息显示直观，能直接从显示窗口上获得故障信息。软故障是指采煤机出现不牵引后从显示窗口查不出各种信息，故障点信息较模糊，难以对事故进行处理。现场处理是更换功率平衡板。该板是易损件，出现类似事故时应及时更换。平常应加强对变频器电源输入联接线的维护，采取隔离和包扎等措施，使变频器电源输入线不与器壁和其它元件接触，可有效防止事故发生。

　　3）交流电牵引采煤机综合试验台

　　兖州矿业（集团）公司机械制修厂研制的电牵引采煤机综合试验台，可对ＭＣＬＥ600-DR102102、SL300、 MGTY400/900-3.3D三种常用交流电牵引采煤机的电气系统进行测试，并可同时对2台变频器进行试验，由2台变频器分别拖动2台交流电动机，也可一拖一或一拖二。

　　该综合试验台由3个部分组成。

　　①交流变频调速试验单元：主要设备有油自冷式调压器、三相异变电动机、直流电动机和数字式直流调速装置、转速转矩传感器、控制台，实现交流变频调速装置电气性能和牵引电机及机械性能的测试，完成变频调速装置保护功能的测试。能测试的项目主要有变频器在空载状态下的工作性能试验、加载试验、温升试验、电网电压波动试验、速度调节范围试验、制动与正反转运行试验、机械调速特性试验。

　　②计算机信号数据处理单元：设备有工业控制用计算机（含模拟量、数字量、输入输出接板）、宽行彩色打印机、信号调理变送电路，主要用来采集来自交流变频调速单元的信号和数据，按照测试项目的要求进行数据处理和显示。

　　③采煤机控制、监测系统试验单元：共包括监测信号模拟发生电路（分别模拟采煤机牵引部、截割部等处的电流、温度、压力等检测信号，能在规定量程内变化，并具备计量校准的功能，可以代替原信号送检测中心）、采煤机操作信号模拟发生电路（模拟采煤机的各种信号，如送电、牵启、左行、右行等，可以代替原信号控制采煤机各部的动作）、采煤机动作响应显示电路（代替采煤机各部在控制中心输出信号后作出的响应指示），主要对采煤机控制监测系统的功能进行测试。

　　4 在运输系统应用

　　1）隔爆变频调速装置在胶带输送机的应用

　　兖州矿业（集团）公司机电设备制造厂生产的胶带输送机配置4台大功率电机驱动装置（采用3+1模式，3套工作、1套备用）。整部输送机由3台电压为1140/660V异步电机并联拖动，通过减速器与输送机驱动滚筒连接，电动机与减速器、减速器与驱动滚筒之间采用蛇簧联轴器相连接。该机采用同轴电机，即2台电机同时控制一个驱动滚筒，要求电机启动有良好同步性来保证系统功率平衡。通过对各种调速方式分析比较，决定每台电机配置1台QJR400型隔爆变频调速装置，采用隔爆变频调速装置对输送机进行调速控制。

　　隔爆变频调速装置的操作可在本机控制，也可远程控制。此机控制是靠变频调速系统内置的触摸屏来设定运行参数。在触摸屏上进行运行和停止操作。远控时，通过工作台对变频调速系统进行外控操作。应用变频调速装置时，一般采用一拖一控制。当3台电机同时启动且2台电机同轴时，在隔爆变频调速装置间增加主从控制功能，可任意设置其中1台为主机、其余2台为从机。在现场中设置同轴的1台电机为主机、其余2台电机为从机，同轴的另一台电机设置为转矩跟踪，不同轴的第三台设置为速度跟踪。主机是调速装置群控中的首机，其它变频器都是从机。主机只有1台。在运行中只对主机控制，全部从机同步自动跟随主机动态运行，实现良好的主从关系目标控制运行模式。

　　经过较长时间的运行检验证明，真正实现了电机软启动和胶带输送机软启动合二为一。通过电机慢速启动带动胶带机缓慢启动，将胶带内贮存的能量缓慢释放，几乎对胶带不造成损害，设备启动特性平稳，极大降低了设备的维护检修量，同时节能效果明显。隔爆变频调速装置以其特有的软启动特性和较高的性价比，成为矿山井下胶带输送机驱动的发展方向。

　　2）变频器软启动在胶带机中的应用

　　兖州矿业（集团）公司济宁三号煤矿井下主煤流运输由7条胶带输送机运输系统组成。其中，北部胶带机共有4个驱动单元，每台电机的功率为 31.5kW，额定电压1140V，原先一直采用电机+耦合器的方式驱动。自从投入ZJT型1140V矿用隔爆兼本质安全型智能变频器以后，实现了胶带输送机软启动运行，使用效果非常理想。

　　使用变频器后，驱动电机直连滚筒，通过设置变频器输出电流频率由0Hz到设定频率的变化时间，就可设置胶带机软启动的启动时间。为尽量减少胶带机启动时对电机及胶带机各部件的冲击，启动时间可设置成10s以上。变频器启动力矩大，尤其适合重载启动，这对胶带机十分有利。胶带机运行时，由于环境恶劣，经常发生各类紧急停车故障，一旦重载停车，由于耦合器在软启动时启动速度过快，且对多电机驱动的胶带机无法做到各电机的功率平衡，易造成电机过载停车，对滚筒和联轴器等设备的损害十分大。改用变频器后可通过调节变频器输出频率的大小来实现各电机的功率平衡，在启动过程中通过降低电机的频率可实现在小电流下的大功率输出，降低了对电机及胶带机的损伤。

　　变频器的另一重要用途是验带功能。胶带机的日常检修工作中一个很重要的任务就是在胶带运行时检修胶带的磨损情况。但是，如果在满速情况下很难清楚地看到胶带的破损部位。该矿北部胶带输送机使用的4套变频调速装置可以设置两种频率启动。在现场应用中，将个频率设置为40Hz（根据采区煤量多少自行调节）、第二个频率设置为10Hz，对应4.5m/s的满速速度，能实现接近0.9m/s的验带速度。与使用耦合器作为传动装置相比，空载时电耗仅为50%，重载时节省30%。

　　3）变频调速技术在电机车电动机的应用

　　山东科技大学和兖州矿业（集团）公司机电设备制修厂对变频调速技术在矿山牵引电机车上的应用情况进行了分析研究。电机车是矿井轨道运输的主要牵引设备。其中，架线式牵引机车多年来一直沿用结构复杂、故障率高和维修费用大的直流电动机，而且目前国内绝大多数矿山牵引机车还在使用触头电阻调速方式，处于耗电量大与维修量大的状态。变频调速牵引机车采用故障率低和性能可靠的三相异步交流鼠笼式电动机，结合技术先进与节电效果显著的变频调速器，取代了直流电机车比较落后的驱动技术，达到当代世界先进技术水平。

　　由于工作环境特点所致，矿用电机车调速系统处于频繁的启动、制动和加减速等状态，还要适应负荷上下坡和颠簸路况等情况，因此要求电动机启动转矩大、过载能力强。另外，调速系统不但要能四象限运行，还要能再生制动到低速。这样，当负载转矩增大时，转速就能迅速下降，而电动机输出功率基本不变，从而使电动机不易因负载增大而引起过载。反之，当负载变小时，电动机转速能自然上升，以利于提高生产效率。此外，为防止主轮打滑，调速系统还应考虑具有转矩限幅的功能。由于逆变器和电动机都安装在电机车上，所以整个调速系统应尽可能设计得体积小、重量轻、硬件结构简单和控制方便。对于直接转矩控制而言，在高速运行阶段，除电动机定子电阻，不需知道其它参数，所以直接转矩控制对电动机参数的依赖性比矢量控制要低许多。其产品包括5t、8t和10t隔爆型电动机斩波调速控制装置，目前已广泛应用于以电池为动力源的、交流电动机牵引驱动的矿山电机车上。

　　5 地面选煤厂装车系统变频技术改造

　　兖州矿业（集团）公司济宁三号煤矿装车系统主要设备为4JDM-30SM调车绞车，装车速度慢、调速能力差、故障率高。为此，他们采用变频技术将其改造成为新型装车系统。

　　变频改造的具体实施如下：

　　①在五、六股控制室各安装1台ACS600变频柜，输入和输出分别跨接到原进线及输出到电机的高速连线端。原牵引控制柜仍旧保留，作为备用。为防止误动作，变频控制回路与原控制回路是互锁的。要启动变频牵引系统，必须是原控制回路的主交流接触线圈均无施加电压，即串联在变频器启动回路的常闭接点均闭合的情况下，合上变频总开关才能使变频启动回路通电，变频器启动主交流接触器吸合，其常开接点吸合自保，使电机处于4极运转状态。此时，串联在原控制回路的常闭接点均打开，所以在变频器运行时，原控制回路是无法运行的。反之，在启动原控制回路电机运行后（4极或8极状态），变频器也是无法启动运行的。

　　②在集控室增加1套控制与报警显示装置。正常运行时操作人员可调整旋钮使其改变运行速度。如在运行中出现短路或电机缺相过载，操作台上将显示并报警自动停车。

　　③在五、六股道的变速点处安装电磁开关，其接点串入控制回路。当牵引车经过变速点时将自动改变牵引速度，保证它低速回窝。此外，还在车窝处安装2台监视器作为后备监视，出现故障时由人工操作回车。

　　此项改造完成以后，牵引车实现了无级调速，机械的冲击性有效改善，设备的检修及维护周期延长，装车能力比原来提高25%，保障了年产800万t的外运能力。采用变频调速尽管增加一些投资，但仅节省电费一项就能在两年多一点的时间内回收全部投资。

　　6 在电动机的应用

　　1）在提升机主电动机冷却风机应用

　　兖州矿业（集团）公司鲍店煤矿通过把变频器外部频率给定端子与电控系统可编程自动化控制器的模拟量输出端子连接，实现了离心式冷却风机的风量随着矿井提升机主电动机定子温度变化而自动调节，大幅度提高了风机效率。

　　该矿副井2部提升机主电动机采用离心式风机冷却方式，利用调节风门开度大小来调节冷却风量多少。在多年实际运行中发现其存在启动电流大、风机效率非常低及风量不能自动调节等缺点。经过论证，决定去掉调节风门，改由变频器来驱动离心式风机的电动机，通过调节电动机转动速度来调节冷却风量；并将离心式风机变频器的控制信号引入到提升机控制系统中，实现了离心式风机状态实时监控及风量自动调节。结合矿井提升系统实际情况，选用西门子 MicroMaster440变频器，其控制方式为矢量控制，性能稳定可靠。

　　改造后，由于在变频器中设定了电动机启动曲线，离心式风机的电动机不再是全压启动，启动电流由600A以上降到200A以下，大幅度减少启动电流对电动机的冲击。如可编程自动化控制器发出“变频器启动”命令6s后未得到变频器“启动完毕”反馈信号，则会发出离心式冷却风机故障的信号，并闭锁提升机；当变频器发生故障不能正常工作时，离心式冷却风机控制方式恢复为原先方式。在主电动机定子和转子中预埋了Ni100测温电阻，利用 S7-400PLC模拟量输入模块可很容易检测到电动机实际温度，利用变频器外部频率跟定功能可实现频率随检测到的电动机实际温度自动调节，增强系统安全性，有效控制提升机主电动机温度变化；降低离心式冷却风机运行时产生的噪音，基本是免维护运行，降低了劳动强度。

　　2）防爆型交流变频驱动系统

　　兖州矿业（集团）有限责任公司开发出一种防爆交流变频驱动系统，采用的IG-BT模块以及先进的直接力矩控制方式，使得防爆型交流变频驱动的各个性能指标如启动力矩、控制和快速响应能够俊比同类产品有很大的提高，同时，防爆型交流变频驱动在煤矿井下这一特殊环境中可广泛使用，具有很大的优越性和巨大的经济利益。

　　矢量控制和直接力矩控制是异步电动机变频调速的主要控制方式。矢量控制技术要做到大范围调速必须接速度反馈，而速度传感器的安装较麻烦且易于损坏。直接力矩控制在无速度传感器的条件下仍能做到大范围，而且具有较快的动态响应和大起动力矩（能够达到200%），非常适应矿山大功率电动机的工作需求。

　　由于直接力矩控制技术发展很快，其力矩脉动较大的缺点得到了改善，现在国内外许多变频器厂家已把此技术应用到了通用变频器中。因此，从先进性和实用性两方面考虑，防爆型交流变频驱动器采用直接力矩控制技术。

　　其主要功能器件包括：

　　①功率器件。根据矿井交流异步电动机的运行特点，同时考虑国内整流装置的生产使用情况，选用带浪涌吸收电路且具有软恢复特性的三相整流桥模块。

　　②限流电路。在驱动器刚接通电源后的一段时间里，电路串入限流电阻，将电容器的充电电流限制在允许的范围之内。

　　③制动电路。使用制动电阻将再生到直流电路的能量消耗掉，使电压保持在允许范围内。制动单元的作用是控制流经制动电阻的放电电流。

　　④驱动控制系统。由速度控制环和转矩控制环组成，采用目前常用的微处理控制芯片和辅助电路。

　　⑤人机接口。其主要的电气保护有短路、过电流、过载、断相及不平衡、漏电、过压欠压、变频器过温和电动机过热、接地故障等。