矿山按产品类型可分为煤矿、金属矿和非金属等;按采掘方式可分为露天开采矿山和地下开采矿山两大类。本文主要介绍变频调速器在金属矿山中的应用的现状和应用前景，对煤矿亦有参考价值，因为露天煤矿和露天金属矿开采方式和生产设备基本相同，地下矿山除需要考虑设备的防爆问题外，大部分生产设备也与金属矿大同小异。露天采矿和地下采矿所用的生产设备有很大不同。
露天矿山是以大型设备为主要特点，要求优良的电气传动系统，以保证这些大型设备的高效率运行。露天矿山的这些大型设备包括用于穿孔的牙轮钻机，用于装载矿、岩石的电铲(挖掘机)，用于运输矿、岩石的大型汽车等。它们都要求电气传动系统具有良好的调速性能，目前这些大型设备大多采用直流调速传动系统。
地下矿山的生产较露天矿山复杂。由于井下生产的空间窄小，使生产设备环境潮湿、阴暗，粉尘大、噪音大、振动大、并有塌方的危险，工作条件十分恶劣。因此，井下生产设备的体积受限，这些设备以小型化为主，体积小、重量轻，对电气传动的要求不高。但提升、排水、通风、压气等固定设备是地下矿山的要害部门，也是耗电大户，因此，这些设备的安全运行和节能就显得至关重要。
根据我们多年来从事矿山电气传动的经验及在矿山进行变频调速的应用实践，我认为，在矿山应用变频调速技术对于提高矿山生产设备的效率，节约电能都是至关重要的。但遗憾的是在矿山应用变频调速技术还很不普遍，除了因变频器的投资问题外，与人们对变频器的认识不夠有关，也与不能正确了解矿山设备对变频器的特殊要求、不能正确地应用变频器、因此所带来的负面影响有很大关系。
本文主要介绍目前矿山应用变频器的状况，矿山设备对电气传动的特殊要求，以及如何正确地选用变频器等。
2变频器在露天矿山设备中的应用
2.1电铲
电铲用于装载矿岩，其工作条件非常恶劣，特别是在爆破不好的情况下挖根底作业，经常出现过大的冲击载荷，甚至堵转。因此，电铲对电气传动系统就有较高的要求:要求电气传动系统的机械特性曲线的包络面积大，有足够的有用功率;要求有良好的调速性能，能四象限运行，能快速地进行加、减速和反转，动态响应速度快;要求系统制动性能好，并能回收能量;要求系统运行可靠，维修方便等。由于电铲对电气传动系统的这些特殊要求，所以，我国电铲目前应用的电气传动系统主要还是直流传动系统。例如:WK-4M、WK10、WD-1200和195-B等型号的电铲都是采用直流发电机-直流电动机系统(简称机组系统);从美国Harnischfeger公司引进制造的P&H-2300XP和P&H-2800XP型电铲则是采用晶闸管变流器-直流电动机系统(简称晶闸管直流系统)。虽然后者比前者技术先进，效率也有所提高，但这两种系统都还存在直流电机的固有的缺点，即维修工作量大、效率较低等。
自上世纪90年代后期，我国有个别矿山从美国B-E公司引进了变频器-鼠笼型电动机系统(简称交流变频调速系统)，这是全交流化的电铲电气传动系统。例如:385-B、295-BⅡ、290-BⅢ型电铲就是全交流化电铲，变频调速由德国SIEMENS公司开发、提供的电压型变频器。现以395-B电铲为例作一简要说明:高压交流电由电缆经集电环引入电铲，由1600kVA主变压器将6kV变为575V，由1950A的整流器将交流变为直流，经滤波后送入公共直流母线。在直流母线上有4台容量为750kVA的逆变器，其中2台并联供电给1台容量为1066kW的提升电动机;第三台逆变器供电两台容量各为243kW的回转电动机;第四台逆变器供电给容量为294kW推压电动机。当某工作机构处于再生制动工作时，逆变器将再生制动能量反馈到公共直流母线上，可供其它工作机构使用，使能量得到充分利用。使用不完的制动能量，可以通过制动电阻消耗掉。
实践证明，交流变频调速电铲和前两种直流调速电铲相比，具有节约电能、调速性能好、可靠性高、维护量小、生产效率高、功率因数高(0.95以上)等优点，是公认的电铲电气传动系统的发展方向。
2.2变频器在牙轮钻机中的应用
牙轮钻机是露天矿山、尤其是大型露天矿山的主要穿孔设备。为使牙轮钻机在不同的岩层中都能保持较佳的钻进状态，要求钻机的回转机构能根据岩层的性质进行无级调速。钻机的提升/行走机构也需要无级调速。目前，牙轮钻机的回转机构和提升/行走机构一般都是直流电动机传动。主要有三种调速装置:(1)采用晶闸管直流调速装置的牙轮钻机有:YZ-55，YZ-35和YZ-12型;(2)采用大功率磁放大器调速装置的有KY-250型牙轮钻机和从美国进口的45R型牙轮钻机;(3)采用直流发电机组调速装置的有从美国进口的60R型牙轮钻机。
牙轮钻机上应用变频调速技术不仅是为了节能，更重要的是为了提高钻机的生产效率，降低维修工作量。回转机构电动机安装在钻杆的顶端，工作条件异常恶劣，以往使用的直流电动机经常损坏，维修工作量大，影响牙轮钻机的正常作业和效率的提高。因此采用坚固耐用的交流鼠笼型电动机代替直流电动机，用变频调速装置代替直流调速装置，就成为人们公认的牙轮钻机电气传动的发展方向。在牙轮钻机上应用变频调速技术的难点在于:钻机的转机构等对调速装的性能要求高，因为由于岩层地质条件的不同，钻机在钻进工作时有可能被卡钻，使回转机构堵转，这就要求调速装置的机械特性曲线具有挖土机特性，并具有立即反转和立即重新起动、钻进功能;牙轮钻机振动大，对调速设备的防振要求高。变频调速在牙轮钻机中的应用首先是由美国B-E公司在55R型牙轮钻机上应用。我国矿山的牙轮钻机的变频调速还在开发试验之中，尚未在推广应用。
2.3电动轮汽车的电气传动
目前，大型露天矿山的运输主要是采用无轨运输，而主要运输设备是大型汽车，特别是电动轮汽车成为了大型露天矿山的主要运输设备。这是因为电气传动比机械传动有更多的优点。如调速性能好，响应速度快，调速平滑无冲击;可实现恒功率调节，能充分利用柴油发动机的功率，耗油少;制动安全，牵引特性好等。目前，世界各国大型露天矿，包括我国的大型露天矿都普遍采用电动轮汽车。我国自1975年以来，引进了不少电动轮汽车，并成功研制开发了SF3102型100t和LN-3100型108t电动轮汽车，与美国UnitRig公司合作制造了MARK-36型154t电动轮汽车。
电动轮汽车的电气传动系统主要有柴油发动机带动的直流发电机-直流电动机系统和柴油发动机带动的交流发电机-交流电动机系统，它通过控制发电机的励磁来控制电动机的转速。随着变频调速技术的发展，人们也在探讨将变频调速技术应用于电动轮汽车电气传动的可能性。但目前尚未见到成功的先例。不过，作为大型露天矿山的主要运输设备的电动轮汽车，人们会继续努力，研究将变频调速技术应用于电动轮汽车，以进一步改善其调速性能，提高其运输能力。
3变频器在地下矿山中的应用
3.1变频调速技术在矿井提升机中的应用
矿井提升机是地下矿山运输的主要设备。它是用一定的装备沿井筒运出矿石、废石、升降人员及材料、设备等运输环节。矿井提升设备按井筒倾角可分为竖井提升设备和斜井提升设备;按提升容器可分为罐笼提升机和箕斗提升机等;按提用途可分为主提升机(专们或主性提升矿石，一般称为主井提升机)，副井提升机(提升废石、升降人员、运送材料和设备等，一般称为副井提升机)和辅助提升机(如天井电梯、检修提升等)。
矿井提升是地下矿山生产的咽喉，所以，无论哪种提升机，对电气传动的要求都很高，因为电气传动系统性能的优劣，可靠性的高低，都直接关系到矿山生产的效率和矿山生产的正常进行。对矿井提升机电气传动系统的要求是:有良好的调速性能，调速精度高，四象限运行，能快速进行正、反转运行，动态响应速度快，有准确的制动和定位功能，可靠性要求高等。
目前，我国地下矿山矿井提升机的电气传动系统主要有:对于大型矿井提升机，主要采用直流传动系统，有采用直流电动机-直流发电机系统和晶闸管变流器-直流电动机系统;这两种系统都存在着直流电动机固有的缺点，如效率不高，维修工作量较大等。对于中、小型提升机，则多采用交流电气传动系统，如采用交流绕线式电动机，使用电机转子切换电阻调速，这种电气传动系统虽然设备简单，但它是有级调速，调速性能差，效率低，大量的电能消耗在电动机转子电阻上，而且可靠性也差。
将变频调速技术应用于矿井提升机是矿井提升机电气传动系统的发展方向。我国已有几台大型矿井提升机采用交-交变频调速系统，取得了很好的效果，但其缺点是功率因数不高，谐波大，需加谐波和功率因数补偿装置。随着变频调速技术的发展，交-直-交电压型变频调速技术已开始在矿井提升机中应用。例如国外已有矿山将有源前端三电平变频器应用于矿井提升机上，据介绍，采用这种变频调速的交流提升机可以克服直流调速系统和交-交变频调速系统的缺点，是提升机电气传动的发展方向。对于小型交流提升机已有成功应用变频器的实例，如山东风光电子有限公司和东营市东萃科技有限公司合作开发的变频器，成功地应用于山东宁阳县华宁煤矿的380V,180kw的交流提升机上。
3.2变频调速技术在空压机中的应用
空气压缩机是地下矿山生产的重要设备之一，它生产压缩空气，用以带动风动凿岩机、风动装岩机等设备以及其它风动工具，其耗电量在矿山总耗电量中占有相当大的比重。深入分析空气压缩机的电能消耗情况，找出节能潜力，实现空气压缩机的节能运行，将会降低矿山生产成本，提高其经济效益。现以凡口铅锌矿为例说明:
凡口铅锌矿坑口空压机站共有6台空气压缩机，其中4台为日本日立空气压缩机。4台日立压缩机型号:BTD2，排气压力7kg/cm2，排气量103m3/min属两级压缩活塞式压缩机，其拖动电机型号EFOU，额定功率450kW，额定电压380V，额定电流892A，采用Y/Δ降压起动方式;2台国产空气压缩机(活塞式空气压缩机)，其拖动电机为高压(6kV)同步电动机。6台空气压缩机采用并联运行方式。一般情况下，只运行2～3台(其中一台国产空气压缩机)其余的空气压缩机作为备用。空气压缩机站的容量是按最大排气量并考虑备用来确定的，然而在实际的使用过程中，用气设备的耗气量是经常变化的，当耗气量小于压缩空气站的排气量时，便需对空气压缩机进行控制，以减少排气量使之适应耗气量的变化，否则空气压缩机排气系统的压力会升至不能允许的数值，使空气压缩机和用气设备的零部件负载过大，并有发生爆炸的危险。凡口铅锌矿4台日本日立空压机采用的是多级压力节流进气控制方式:即当压力低于6.2Mpa时,打开全部进气阀,压缩机组以100%负荷率状态运行;当压力达到6.2~6.5Mpa时关闭隙阀，压缩机组以75%负荷率运行;当压力达到6.8~7Mpa时,关闭一个进气阀,压缩机组以50%负荷率运行,当压力达到7Mpa时关闭所有进气阀,压缩机组进入空载运行状态.由于活塞式空气压缩机的起、停有着严格而复杂的规程，不允许频繁起停。为了满足井下用气量的变化，一般由调度人员根据井下用气量的时间变化特点,把一天分为几个时段，每一个时段需要开的空压机台数由该时段内最大用气量决定。在该时段内，空压机不允许增开或停开(特殊情况除外)。地下矿金属矿山的空压机站多采用这种方式，但这种控制方式很显然存在一些比较大的缺点:
(1)据统计，压缩机组75%负荷运行率为41%，50%负荷运行率为14%。无论空气压缩机是处于75%、50%还是空载运转状态，管网压力较正常供气压力要高，井下用气量很显然要小于供气量，而这时各台空气压缩机仍然全速生产压缩空气，带来了不必要的电能浪费。
(2)节精度低，在某一进风量工作状态下压力波动大，特别在生产用风量变化频繁时期内(用风量大且变化频繁)，不能稳定风压;
(3)阀门动作值在一次整定后经常会变，有时会使整个压风系统工作压力偏高，增大了单位压风量的功耗;
(4)当空压机运行在75%、50%进气量的工作状态下，进气流速增大，造成进气过程压风量的损失，降低了压风机的效率。
因此有必要对现有的调节方式进行改进，以节约电能，提高空压机的运行效率。我院和凡口铅锌矿合作，用变频调速对其空压机站进行技术改造。
空压机恒压自动控制变频调速系统结构如图1所示:
空压机恒压自动控制变频调速系统可实现对5#空压机和6#空压机的轮换控制。5#空压机和6#空压机均可由新老两套系统拖动，这样做有两个目的:伒5#空压机出现故障需要检修时，新系统可迅速切换到6#机，以提高恒压控制变频调速系统的利用率;当新系统出现故障需要停车检修时，能够很快地投入老系统运行，不致于影响正常生产;当管网压力超出恒压调节范围时，系统发出增开或者减开一台空压机。
系统于1999年4月2日在凡口铅锌矿通过了验收，正式移交生产使用，系统运行十分正常，满足了生产的需要，达到了预期的目的。本系统的目的是为了节能，根据广州金粤节能服务站对本系统做的节能测试:采用本空气压缩机恒压控制变频调速系统平均每天节电量2226kWh。按照年工作日330天计，则采用恒压控制变频调速系统每年可节电734629kWh，按照凡口铅锌矿现行电价0.7元/kWh计，每年可节约电费51.42万元。本系统总共投资98万元，两年内即可收回全部投资。本系统应用的成功为活塞式空气压缩机的节能运行提供了重要的新手段，对于企业节能降耗，提高企业经济效益有重要意义，有广阔的推广应用前景。
3.3变频调速技术在矿井通风机中的应用
矿井通风机是地下矿山生产的主要用电设备之一，其节能运行在矿山节电中占有重要的地位。矿井通风机一般采用异步电机或同步电机拖动，恒速运转，一般容量大，电机供电电压高(6kV或10kV)。
矿山建设的特点是:巷道逐年加深，产量逐年增加，所需的通风量逐年上升。但矿井通风机在设计选型时，往往是按最大开采量时所需的风量为依据的，一般都留有余量，因此矿井在投产后几年甚至十几年内，矿井通风机都是处在低负载下运行。此外，通常矿山井下作业不均衡，一般夜班工作人员少，所需风量也小，在节假日时，可能只有泵房等固定的井下场所的值班人员工作。尽管井下人员少，但也得照常向井下送风，矿井通风机一般不调节风量，若要调节风量时，传统的方法是调节档板。这种办法虽然简单，但从节能的观点看，是很不经济的。图2所示为几种调节风量的方法节电比较。
图2中:1—挡板法;2—前导器法;3—液力耦合器;4—绕线电动机切换转子电阻调速法;5—变频调速法。
由图2可见，变频调速法在各种风量调节方法中是最理想、最有效、最节能的调节方法。有关变频调速技术在矿井通风机中的应用，仍以凡口铅锌矿为例说明。
该矿的矿井通风机都采用高压电机传动，有高压同步电机和高压异步电机两大类。由于矿井通风机是矿山的耗电大户，节电潜力很大，但它又是高压电机传动，实现变频调速有一定困难。于是，长沙矿山研究院与凡口铅锌矿、冶金自动化研究院等单位合作，以老南风井的6kV，800kW同步电机传动的矿井通风机为对象，研制开发了同步电机直接高压变频器。1997年8月投入运行，并于1998年4月28日通过了中国有色金属工业总公司的技术鉴定，获得了部级科技进步二等奖。这是国内第一台同步电机直接高压变频器，节电效果十分显著。新南风井的矿井通风机采用6kV,880KW高压异步电机传动，高压变频器采用SIEMENS公司的SIMOVERTMV型三电平高压变频器。于2002年9月投入运行，节电效果也是十分显著的。下面分别简要介绍这两种高压变频器。
(1)同步电机直接高压变频器
同步电机高压变频器主要有两类，即他控式变频调速系统和自控式变频调速系统。他控式变频调速系统所用的变频装置是独立的，其输出频率直接由速度给定信号决定，属速度开环控制。自控式变频调速系统可以使同步电机不存在失步和振荡等问题，所以一般都采用自控式运行。
我们与有关单位合作研制开发的这种同步电机直接高压变频调速装置是采用交-直-交电流型变频调速系统，属自控式变频调速系统，它由变频器、同步电机、转子位置检测器以及控制系统组成。变频器主电路采用晶闸管串联组成的高压阀串作为功率元件，它是利用同步电机的反电势来关断逆变器的晶闸管，它没有强迫换流电路，因而主电路结构简单。变频器的框图如图3所示。
图3中，硬件全套设备由高压开关切换柜(图中未表示出)、整流柜、逆变柜、励磁柜、控制柜、操作台及交流进线电抗器、直流平波电抗器、转子位置检测器、光电编码器等到部分组成。
根据凡口矿生产的情况需要，本高压变频器按周期性的固定频率运行，早班(7:00~16:00)变频装置运行在40Hz，中班(16:00~19:00)运行在35Hz，在19:00~20:00期间为放炮时间，变频器运行于40Hz，20:00~23:00运行在35Hz，23:00~24:00期间为放炮时间，变频器运行于40Hz，0:00~3:00井下作业人员很少运行于28Hz，3:00~4:00期间为放炮时间，变频器运行于40Hz，4:00~7:00运行于28Hz。
经广州金粤节能服务站的节能测试及能量平衡测试，以及凡口矿老南风井的实际记录，在正常生产期间，节电率达42%;节假日时变频器运行于28Hz，节电率达73%。年节电为192.3万kWh，在不到一年的时间内，就由节电费用收回到了高压变频器的全部投资，经济效益十分显著。
(2)异步电机三电平高压变频器
在成功研制开发了老南风井同步电机直接高压变频器的基础上，根据深部开采的需要，对新南风井的矿井通风机进行改造，我院和有关单位合作，经过论证，最终决定采用引进WOODS轴流式风机和Siemens公司的SIMOVERTMV三电平高压变频器。该变频器的原理图如图4所示。
但SIEMENS公司实际提供的这种三电平高压变频器的系统如图5的框图所示。
由图5可见，6kV高压电源经三绕组降压变压器降压，2组二次侧绕组(接法、Y)，电压各为1.2kV，经各自的6脉冲整流桥整流成直流，直流电压为3240V(正负电压各为1620V)经三电平逆变器变频变压，可输出频率可变的0~2300V的三相交流电压;经滤波器滤波后，再经升压变压器升压至6kV，供给6kV高压电动机调速。
新南风井高压变频器原订为直接高压变频器，但由图5可见，这实质上是一台高低高式高压变频器，因为它不仅有降压变压器，而且也有升压变压器。不过经我们对其进行了计算机仿真，其结果表明，尽管它是高-低-高式高压变频器，但并不影响它在生产中的应用。
根据凡口矿目前的生产情况，高压变频器的运行情况是:白班和中班，高压变频器运行于40Hz，在晚班，由于井作业人员很少，高压变频器则运行于30Hz，在节假日，则运行于更低的频率。据此，计算出节电效果，年平均节电为56%，年节电357.9万kWh，节电效果显著达到了原计划的节电目标。
3.4关于球磨机、井下排水泵等是否可用变频调速的问题
球磨机、井下排水泵等设备容量大，都是矿山的高耗能设备。对于这些设备是否可以采用变频调速来实现节能运行呢？我认为，在这些设备上采用变频调速是达不到节能目的的。
我们应某金矿的委托，采用变频器对球磨机进行调速节能试验。当变频器的输出频率调整到48Hz和45Hz时，球磨机的电能消耗虽有所降低，但磨矿质量有很大降低，此时球磨机的出矿粒度由原来不调速时的300目粒度占99%，分别下降到90%和58%。可见这种工艺、设备条件下，不宜采用变频调速节能运行。
另外，我看到有的文章说，变频器用于井下排水泵站的节能[3]。我认为，这是不现实的。因为任何矿山为排出井下的涌水，都在井底设有水仓。值班工人根据水仓水位确定开仃水泵及开仃几台水泵，因此它不需进行流量的调节。所以，它不需要采用变频器。对于地面生活供水或工业供水的泵站，由于需要根据用水量的多少来调节供水量，在这种情况下，采用变频调速以调节流量，可达到节能的目的。
在矿山中，还有一些小型设备可以采用变频调速节能，如螺旋给料机、沙泵等，在此就不一一介绍了。
4选择变频器应注意的事项
变频器，特别是高压变频器价格昂贵，如选择不当，达不到节电和提高生产效率的目的，以致造成浪费和不必要的麻烦和损失。在这里，提供一些选择变频器的意见，供参考。
4.1根据工艺要求选择变频器
(1)电机调速虽是风机、水泵节能的有效途径，但并非凡是风机、水泵都能采用调速节电。对于工艺参数基本稳定，不需要调速的风机、水泵可以采用高效节能电机和高效节能风机，以提高系统效率。对于已建成而配置不合理的风机可以通过采用更换电机，调节叶片角度等方法达到节电的目的。选择调速节能时应注意:风机、水泵的转速变化范围不宜太大，通常最低转速不少于额定转速的50%，一般调速范围在100%~70%之间为宜，因为当转速低于额定转速的40%~50%时，风机、水泵本身的效率明显下降，是不经济的;调速范围确定时，应注意避开机组的机械临界共振转速，否则调速至该谐振频率时，将可能损坏机组。
(2)进行可行性分析
在选择要进行的变频调速的设备对象以后，应从提高效率或提高产品质量的需要情况，从节约电能的情况进行分析、计算，并与变频器的投资进行比较，计算出变频器的投资回收期。一般来说，如能从节约的电费或从提高产品质量、提高效率等方面所得的收益中，在两年内偿还变频器的投资，都应认为是可行的。同时还应分析外部条件是否满足变频器的使用要求。
(3)变频器的可靠性
变频器的可靠性如何，直接决定了变频器能否成功地应用于生产。这是选择哪种变频器的首要条件。有的矿山所购买的变频器可靠性不高，加之自身的维修技术力量不强，变频器出了故障，只好仃下，甚至弃用。造成损失，同时也为变频器的继续推广应用带来负面影响。
(4)根据生产厂家提供的技术规格和技术参数来选择变频器在按工艺要求、电源条件、场地及容量等选择了变频器方案后，再具体到选择哪个厂家的哪种高压变频器。在选择变频器时可以根据厂家提供的产品样本等技术资料及报价表来选择。
变频器的制造厂家和经销商都会向准备购买变频器的用户提供样本及报价。在样本中，厂家公开说明其产品种类、特性、技术指标和特点，用户在订货前通过对产品样本资料可以对其产品有大概了解。因此对产品样本的阅读和了解是比较各厂家变频器性能的重要依据。
4.2主要应考虑的技术规格和技术参数
(1)型号
各厂家生产的变频器的型号多是系列号和容量的组合，通过对型号和规格得了解，
可以确认该厂家生产的品种，对用户来说，不一定会使用到全系列的变频器，但可以从型号、规格、所采用的功率元件、控制技术等方面判断厂家的实力和生产态势，甚至可以从一个方面判断其产品质量。产品品种齐全，容量覆盖范围大，功率元件及控制技术先进的厂家，一般来说其实力强，生产态势好，产品质量一般来说也会有较好的保障。
(2)效率
变频器效率的高低，直接关系到变频器调速节能的多少，因为在变频器运行时，变频
器本体也要消耗一部分电能。一般来说直接高压变频器的效率都可达到0.97~0.98,而高-低-高式高压变频器由于多一个变压器的损耗，使其系统效率有所降低。
(3)功率因数
在整个调速范围内，功率因数的变化是一项重要指标。最好是在整个调速范围内功率因数都保持在0.95以上，以使其符合国家标准GB3485-83的标准，这只有电压型变频器和IGBT单相变频器串联的高压变频器能够满足此项规定。而电流型变频器较难满足这项要求。
(4)谐波
国家对电网谐波有严格要求。限制用户非线性谐波设备注入电网的谐波电流，是限制电网电压正弦波畸变的关键。所用的高压变频器的谐波(即装置对电网产生的谐波)必须符合国标GB/T14549-93“电能质量、公用电网谐波”的规定，在国际上要符合IEEE-519标准的规定。对于电流型变频器如采用六脉冲整流，则5次、7次谐波都超过了这个标准，应采用12脉冲整流或附加谐波补偿措施。
(5)输出容量和额定输出电流
变频器输出容量以kVA或kW表示，它代表可以供给电动机的输出功率。用kW表示时，一般以四极标准电机为基础考虑;用kVA表示，需进行核算。额定输出电流是在额定电压下变频器能够连续输出的电流值。在以输出容量为标准选择了变频器以后，还应对额定输出电流进行核算，以使电动机的额定电流不要超过变频器的额定输出电流。
(6)率范围
由最低使用频率和最高频率定义调速范围。最低使用频率的意思与起动频率不同。起动频率很小时，并不一定能使电机从该频率起动。变频器要对最高频率设定，对风机、水泵的最高频率应设定(即箝位)在50Hz，所有的变频器都可满足这个要求，在选择变频器时可不作考虑，但使用中需注意此点。
(7)电源容量和允许电压变化范围
供给变频器的电源容量应足够大，电源电压变化范围应在变频器允许的范围。用户在选择变频器时应根据自己电网容量及电网电压的变化情况，对变频器进行选择。曾有一个矿山因电压波动范围超过了变频器的允许范围，而使变频器不能正常应用。
(8)保护功能
变频器样本中一般表明其保护功能，这是为了检测出变频器的异常情况和防止外部原因及内部异常对变频器造成损害，保护变频器正常运行和变频器安全可靠。因此保护种类是否齐全、完善，从一个方面反映变频器质量和运行的安全可靠性。
(9)价格
变频器价格是用户最关心的问题之一，用户应了解厂家或经销商所报出的价格的具体含义和具体内容，及服务内容，以及任选件价格等。还应与其它厂家的变频器进行综合比较。
5结束语
《中华人民共和国节约能源法》第39条，已将变频调速技术列为通用节能技术加以推广。在矿山推广应用变频器节能是重要目的之一，如风机、水泵;同时也有提高生产效率、降低维修工作量、提高产品质量等目的，如电铲、牙轮钻机、矿井提升机等。在矿山应用变频器和其它工业部门有相同之处，也有不同之处，如电铲、牙轮钻机、矿井提升机等设备应用变频器有一豺特殊要求，所用的变频器还有一些技术开发工作要做。建议有关科研院所、变频器生产厂家和矿山用户共同合作，开发我国矿山设备使用的变频器。
本文的目的在于抛砖引玉。由于作者的水平有限，资料不够，经验不足，所述内容错误之处在所难免，所论观点也属一孔之见，欢迎读者和朋友们批评指正。
参考文献
[1]采矿手册[M].冶金工业出版社,1991,(6).
主电机采用变频电机，电机功率为5.5KW，合理采用传动比，尽量减少传动轴及滑移齿轮的数量，我们通过合理分配变速区域，来实现主电机低速大扭矩和高速恒功率切削，整个住传动系统照比原有普通型产品所需零件数量大量减少。该主传动系统转速主要分为低、中、高三个区域：1、0——63r/min为低速区，主电机处于恒扭矩输出状态（降速比为23.13）。2、64——283r/min为中速区，主电机出于恒扭矩输出状态（降速比为5.14）。3、284——1743r/min为高速区，主电机处于恒功率输出状态（降速比为0.835）。
主传动轴由原有的6根减少为4根，传动齿轮减少5种。进给传动系统同样沿用主传动的设计思路，采用变频电机作为动力源，因考虑其使用范围，整个传动链采用定比传动来获得较大的扭矩。传动轴由原有5根减少为2根，传动齿轮由原有12种，减少为3种。通过以上设计，使摇臂钻床主轴箱部分加工难度大大降低，传动类零件大幅度减少。该机床试制完成后，我们采用与Z3063验收要求一致的切削参数进行切削，该机床完全能够满足切削要求。
二、液压变速系统设计
FRD6325液压预选变速系统相对于传统摇臂钻床进行了较大的改进，取消原有的操纵阀和预选阀，改用电磁换向阀进行控制，使整个液压变速系统大大简化。如图1所示，原有Z3063液压预选变速系统原理图，该系统通过预选转阀预选主轴的转速和进给量，通过操纵阀手把的5个位置进行主轴正转、反转、停车、空档4个动作的控制。图2为FRD6325液压原理图，变速泵自带溢流阀控制整个系统压力，通过电磁换向阀来控制两个变速轴变速档位，主轴正转、反转、停车、空档由控制面板上相关按钮实现。因取消原有“缓速”机构，为避免滑移齿轮变速时出现打齿现象，我们通过程序控制，在主轴变速时，主电机先进行3-5秒的缓慢转动，保证变速齿轮顺利啮合。样机试制完成后，我们通过实践变速证明该程序能够顺利保证齿轮啮合，变速过程中无打齿现象。通过以上改进，液压预选系统零件减少80%以上，而且结构简单，利于故障排除及产品维修。
三、结语
如何利用先进技术解决空压机组运行中存在的不足，成为亟待解决的问题。具体改造思路如下：（1）将空压机的人工操作改为计算机操作。（2）利用当前成功的电控技术开发研制螺杆式空气压缩机组联锁控制系统，实现空压机组的集中控制；各台空压机的运行参数24h实时在线监测，实现空压机异常即报警。（3）利用变频技术实现压力稳定、恒压供风，达到节约电能的目的。（4）1台变频器经过切换可拖动4台空压机，节约投资。（5）在完善空气压缩机组电控的基础上，实现空压机房车间无人值守，安全管理上做到“无人则安、少人则安”。（6）应用集中控制与变频控制技术，消除空压机卸荷状态的空载运行时间、减少空压机启动次数，达到节能、降低对设备冲击的目的。
2技术改造实施方案
空压机组控制系统如图1所示，包括工控机（上位机）系统、微机控制系统（集控柜）、压力、温度传感器、高压变频控制系统、高压切换系统等。（1）新建集中控制系统，在空压机房安装集中控制柜、监视操作用工控计算机（上位机）。其主要完成空气压缩机组远程参数的监视、控制、运行参数设置、实时曲线、历史报表查询及其他数据的处理等功能。选用ACS4000型集控柜：由电源开关及熔断器、触摸显示屏、PLC控制器、输出继电器、24V直流电源、通讯转换模块、指示及报警装置等组成。高压变频器、高压启动柜、空气压缩机与集控柜通讯模块通过通讯电缆进行通讯，将空压机运行、变频器运行参数、高压启动柜电压、电流、储气罐温度传输到集控柜进行数据处理、显示。根据运算数据控制空压机与变频器运行。运行状况及各种参数、数据在上位机上显示。（2）在主供风管路上安装压力变送器。主要是检测供风出口压力并把压力信号传输给集控柜PLC，PLC运算后根据总管压力和空压机运行状态智能地控制变频器的运行频率，从而达到根据设定压力范围来控制空压机的运行状态的目的。（3）增设高压变频器，控制空压机在需要的工况下运行。（4）增设高压切换柜，如图2所示，内装4台高压真空接触器，与空气压缩机高压启动柜一一对应，并相互闭锁，达到有选择性地控制空压机在变频状态下运行的目的。（5）空压机组控制。1）每台空压机启动、停止、变频状态下运行均由PLC控制，PLC内设空压机运行程序。2）工作方式设定为5种：就地启动／停止、远程启动／停止、紧急停机、联机控制、单台控制。3）风压设定：5．5～6．2kg／cm2；空压机转速调节范围：电机额定转速的60％～100％。4）空压机启动停止全部由PLC程序控制。空压机运行规定，连续运行不得超过72h，按照空压机编号设定主机1、主机2、主机3、主机4，程序控制每72h更换一次主机，辅机每24h更换一次。主机、辅机分别在工频、变频状态下运行。变频频率达到50Hz、10min内风压达不到设定值，该台空压机自动转为工频运行，同时启动第3台空压机变频运行，以控制风压稳定。空压机变频方式运行频率30Hz及以下达10min以上时，该台空压机自动停止运行，同时原辅机或主机自动转为变频方式运行。
3技术关键及创新点
（1）工频、变频状态下空压机运行曲线的智能拟合。（2）ACS400集控系统、高压变频的配合控制。（3）变频方式与工频方式转换控制。（4）主机、辅机按时切换控制。
4经济效益、社会效益分析
2011年1月系统改造完成并投入工业性运行，实现了多台空压机组联动控制，运行状况良好。（1）节能降耗效果显著：通过实际测定，技术改造后比原运行方式节能13％～15％，年节电耗43．2万kW•h，约21．6万元，节能效果明显。（2）实现了大型设备车间真正无人值守。机组自动24h稳定高效运行，减少操作人员9人，年可节约人工费用54万元。（3）稳定的压力输出，减少了对生产的影响，为矿井安全生产奠定基础。（4）维护量小，运行效率高。集控系统及变频的投入运行减少了空压机配件的磨损，延长了电机及空压机的使用寿命，年可维修及配件费用可减少10余万元。（5）实时设备运行状况，便于人员观察和及时掌握，发生异常及时处理，避免机械事故的发生。（6）采用变频控制，实测减少噪声15dB，减少噪声污染。
5结语
东滩煤矿是山东兖矿集团下属重点煤矿，143下04综采工作面，工作面回采3下煤层，位于十四采区，工作面倾斜长333.67m，走向长：轨顺1238.27m，运顺1263.27m。本工作面采用SGZ-1000/2×700刮板输送机，适用于煤矿井下缓倾斜、中厚、厚煤层回采工作面，具有高强度、高寿命、高可靠性的特点。但在煤矿井下复杂条件下，启动次数频繁及重载荷长时间运转，将加速设备老化，必须加强设备的检修力度，不仅降低设备的使用寿命，而且加大技术人员的工作量。将YJVFT-450M-4矿用隔爆兼本质安全型变频调速一体机作为刮板输送机驱动部电机，实现刮板输送机的变频调速，提高使用寿命，减少维修量，同时实现了软启动，电机启动电流远远小于额定电流，启动时间延长，减轻了起动机械转矩对设备的机械损伤，延长了使用寿命，减少了设备故障率，提高了煤矿生产效率，从而更好地适应综合机械化采煤的需求。
2变频调速一体机的性能
变频调速一体机的输入电源为1140V、50Hz，变频器输出频率在5～50Hz时为恒扭矩、在50～60Hz时为恒功率，变频调速一体机隔爆等级为Exd[ib]IMb，防护等级均为IP55，耐温等级为H级，冷却方式为外壳水冷式；适用于皮带输送机、乳化液泵站、转载机、刮板输送机及其他煤矿井下与电动机相匹配且连接尺寸相符合的设备。
3变频调速一体机电气系统主要组成部分
变频调速一体机电气系统主要由变频部分和电动机部分组成，其中变频部分又分为主回路、主控器、驱动单元、显示屏。
3.1主回路
YJVFT-450M-4采用十二脉冲整流（需两组相位差为30°的1140V、50Hz的电源供电）。变频器为交-直-交、电压型变频器。电源经接触器、电抗器后又经过整流，成为直流，在直流支撑电容滤波稳压后，再经过IGBT组成的逆变电路，将直流电逆变成频率可调的交流电（即VVVF电源）。
3.2主控器
主控器是变频部分的心脏，各种信息的处理、控制以及指令的发送都是由它来完成。它采集大部分实时信号，经过运算后产生IGBT的驱动信号，一方面通过光纤与驱动单元完成数据交换；另一方面把变频器的各种信息处理后送到显示屏显示，并且接收外部操作指令控制一体机运行。
3.3驱动单元
驱动单元接收主控器的IGBT出发指令，经放大后，生产PWM信号，通过光纤控制IGBT导通和关闭时间。同时还进行电流、电压及温度等变量信息的预处理，可以对IGBT进行最短时间的保护。
3.4显示屏
一体机装有高耐温的LED显示屏，通过通讯线接收主控器发送的实时信息并显示出来。一体机正常工作时，显示电压、电流、功率和转速等实时参数，当一体机报故障，采取保护动作时，显示准确故障信息。
3.5外部循环水冷系统
本系统根据用户实际工况有两种配置：一种为使用外部循环水泵、水箱等构成的闭环冷却系统；另一种为用户不使用水箱时，直接由供水管路经减压阀向变频器提供冷却水，出水采用开放式直接排出，采用此方式时供水压力不得大于3MPa。
3.6变频单元附属电路
附属电路包括变频器操作、控制及保护电路，主要由直流接触器、控制变压器、输入输出电路组成。
4变频调速一体机的应用
143下04工作面刮板输送机采用变频调速一体机驱动，供电电压为1140V，额定电流416.4A。由变电站的2台1250kVA变压器（2#和3#变压器）输出4路1140V电源电压通过3*95mm2电缆（A#、B#、C#、D#）给2台9组合开关（Ⅰ和Ⅱ）供电。再从2台9组合开关输出4路电通过3*70mm2电缆分别给机头机尾变频调速一体机供电。通过九组合开关控制变频一体机电源的通断，配合使用CXJ127S矿用隔爆兼本质安全型刮板输送机操作箱，实现对一体机的故障、温度和通讯状态的监测以及启停控制，检修或进入运输机停电时，要对运输机4路隔离开关全部停电闭锁。第一，刮板输送机实现了变频启动，使得运输机链条磨损减小，没有瞬间启动到较大的速度，链条减少了冲击力，从而延长了链条、联接环的使用寿命。同时启动时间可以按照自身的使用情况以及配合煤量适当进行调节。第二，由于启动平缓，在机械传动方面也减少磨损，对轮皮子磨损较小，对于刮板、链条及连接环的磨损较小，减少了断链子事故，连接环也减少了更换次数，同时平缓启动也降低了机械传动的噪音。第三，配合使用矿用隔爆兼本质安全型刮板输送机操作箱，即为一个监测、控制的操作箱，可以方便直观地观察运输机的状态以及方便查询故障，并可以改变一些参数，从而实现机头、机尾单电机启动或反转。第四，刮板输送机使用了变频技术，也在很大程度上降低了能耗，减少了电能消耗。
5结语
关键词：变频器，控制技术，应用
电力电子技术诞生至今已近50年,他对人类的文明起了巨大的作用.近10年来,随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展,电气传动技术面临着一场历史革命,即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。交流电机变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其有益的
调速和起制动性能、高效率、高功率因数的节电效果、适用范围广等优点,而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。
1.变频调速技术的现状
电气传动控制系统通常由电动机、控制装置和信息装置三部分组成。电气传动可分为调速和不调速两大类,调速又分为交流调速和直流调速两种方式。不调速电动机直接由电网供电。但是,随着电力电子技术的发展,原本不调速的机械越来越多地改用调速传动以节约电能,改善产品质量,提高产量。以我国为例,60%的发电量是通过电动机消耗的。因此,调速传动有着巨大的节能潜力,变频调速是交流调速的基础和主干内容,变频调速技术的出现使频率变为可以充分利用的资源。近年来。变频调速技术已成为交流调速中最活跃、发展最快的技术。
1.1国外现状
采用变频的方法,实现对电机转速的控制,大约已有40年的历史,但变频调速技术的高速发展,则是近十年的事情,主要是由下面几个因素决定:
1.1.1市场有大量需求
随着工业自动化程度的不断提高和能源全球性短缺,变频器越来越广泛地应用在冶金、机械、石油、化工、纺织、造纸、食品等各个行业以及风机、水泵等节能场合,并取得了显著的经济效益。
1.1.2功率器件发展迅速
变频调速技术是建立在电力电子技术基础之上的。近年来高电压、大电流的SCR,GTO,IGBT,IG-GT以及智能模块IPM(Intelligent Power Module)等器件的生产以及并联、串联技术的发展应用,使高电压、大功率变频器产品的生产及应用成为现实。在大功率交―交变频(循环交流器)调速技术方面,法国阿尔斯通已能提供单机容量达30000kW的电器传动设备用于船舶推进系统。在大功率无换向器电机变频调速技术方面,意大利ABB公司提供了单机容量为60000kW的设备用于抽水蓄能电站;在中功率变频调速技术方面,德国西门子公司Simovert A电流型晶闸管变频调速设备单机容量为10-2600kVA和Simovert PGTOPWM变频调速设备单机容量为100-900kVA,其控制系统已实现全数字化,用于电机风车,风机,水泵传动;在小功率变频调速技术方面,日本富士BJT变频器最大单机容量可达700kVA,IGBT变频器已形成系列产品,其控制系统也已实现全数字化。
IPM投入应用比IGBT约晚二年,由于IPM包含了1GBT芯片及的驱动和保护电路,有的甚至还把光耦也集成于一体,是一种更为适用的集成型功率器件。目前,在模块额定电流10-600A范围内,通用变频器均有采用IPM的趋向。IPM除了在工业变频器中被大量采用之外,经济型的IPM在近年内也开始在一些民用品,如家用空调变频器,冰箱变频器,洗衣机变频器中得到应用。IPM也在向更高的水平发展,日本三菱电机最近开发的专用智能模块ASIPM将不需要外接光耦,通过内部自举电路可单电源供电,并采用了低电感的封装技术,在实现系统小型化、专用化、高性能、低成本方面又推近了一步。
1.1.3控制理论和微电子技术的支持
在现代自动化控制领域中,以现代控制论为基础,融入模糊控制、专家控制、神经控制等新的控制理论,为高性能变频调速提供了理论基础;16位、32位高速微处理器以及信号处理器(DSP)和专用集成电路(ASIC)技术的快速发展,则为实现变频调速的高精度、多功能提供了硬件手段。
1.2国内现状
从整体上看我国电气传动系统制造技术水平较国际先进水平差距10-15年。在大功率交-交,无换向器电动机等变频技术方面,国内只有少数科研单位有能力制造,但在数字化及系统可靠性方面与国外还有相当差距。而这方面产品在诸如抽水蓄能电站机组启动及运行、大容量风机、压缩机和轧机传动、矿井卷扬机方面有很大需求。在中小频率技术方面,国内学者做了大量变频理论的基础研究。早在80年代,已成功引入矢量控制的理论,针对交流电机具有多变量、强耦合、非线性的特点,采用了线性解耦和非线性解耦的方法,探讨交流电机变频调速的控制策略。进入90年代,随着高性能单片机和数字信号处理的使用,国内学者紧跟国外最新控制策略,针对交流电机感应特点,采用高次谐波注入SPWM和空间磁通矢量PWM等方法,控制算法采用模糊控制,神经网络理论对感应电机转子电阻、磁链和转矩进行在线观测,在实现无速度传感器交流变频调速系统的研究上作了有益的基础研究。在新型电力电子器件应用方面,由于GTR,GTO,IGBT,IPM等全控制器件的使用,使得中小功率的变流主电路大大简化,大功率SCR,GTO,IG-BT,IGCT等器件的并联、串联技术应用,使高电压、大电流变频器产品的生产及应用成为现实。在控制器件方面,实现了从16位单片机到32位DSP的应用。国内学者一直致力于变频调速新型控制策略的研究,但由于半导体功率器件和DSP等器件依赖进口,使得变频器的制造成本较高,无法形成产业化,与国外的知名品牌相抗衡。国内几乎所有的产品都是普通的V/f控制,仅有少量的样机采用矢量控制,品种与质量还不能满足市场需要,每年需大量进口高性能的变频器。
因此,国内交流变频调速技术产业状况表现如下:(1)变频器控制策略的基础研究与国外差距不大。(2)变频器的整机技术落后,国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力,但由于力量分散,并没形成一定的技术和生产规模。(3)变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎是空白。(4)相关配套产业及行业落后。(5)产销量少,可靠性及工艺水平不高。
2.变频调速技术未来发展的方向
变频调速技术主要向着两个方向发展:一是实现高功率因数、高效率、无谐波干扰,研制具有良好电磁兼容性能的“绿色电器”;二是向变频器应用的深度和广度发展。随着变流器应用领域深度和广度的不断开拓,变频调速技术将越来越清楚地展示它在一个国家国民经济中的重要性。可以预料,现代控制理论和人工智能技术在变频调速技术的应用和推广,将赋予它更强的生命力和更高的技术含量。其发展方向具有如下几项:(1)实现高水平的控制;(2)开发清洁电能的变流器;(3)缩小装置的尺寸;(4)高速度的数字控制;(5)模拟与计算机辅助设计(CAD)技术。。
3变频调速技术的应用
纵观我国变频调速技术的应用,总的说来走的是一个由试验到实用,由零星到大范围,由辅助系统到生产装置,由单纯考虑节能到全面改善工艺水平,由手动控制到自动控制,由低压中小容量到高压大容量,一句话,由低级到高级的过程。。我国是一个能耗大国,60%的发电量被电动机消耗掉,据有关资料统计,我国大约有风机、水泵、空气压缩机4200万台,装机容量约1.1亿万千瓦,然而实际工作效率只有40%-60%,损耗电能占总发电量的40%,已有经验表明,应用变频调速技术,节电率一般可达10%-30%,有的甚至高达40%,节能潜力巨大。
有关资料表明,我国火力发电厂有八种泵与风机配套电动机的总容量为12829MW,年总用电量为450。2亿千瓦小时。还有总容量约为3913MW的泵与风机需要进行节能改造,完成改造后,估计年节电量可达25。。69亿千瓦小时;冶金企业也是我国的能耗大户,单位产品能耗高出日本3倍,法国4。9倍,印度1。9倍,冶金企业使用的风机泵类非常多,实施变频改造,不仅可以大幅度节约电能,还可改善产品质量。
参考文献
[1]何庆华,陈道兵. 变频器常见故障的处理及日常维护[J]. 变频器世界, 2009, (04) .
[2]龙卓珉,罗雪莲. 矩阵式变频调速系统抗干扰设计[J]. 变频器世界, 2009, (04) .
关键词：变频器，控制技术，应用
1.变频调速技术的现状
电气传动控制系统通常由电动机、控制装置和信息装置三部分组成。电气传动可分为调速和不调速两大类,调速又分为交流调速和直流调速两种方式。免费论文。不调速电动机直接由电网供电。但是,随着电力电子技术的发展,原本不调速的机械越来越多地改用调速传动以节约电能,改善产品质量,提高产量。以我国为例,60%的发电量是通过电动机消耗的。因此,调速传动有着巨大的节能潜力,变频调速是交流调速的基础和主干内容,变频调速技术的出现使频率变为可以充分利用的资源。近年来。变频调速技术已成为交流调速中最活跃、发展最快的技术。
1.1国外现状
采用变频的方法,实现对电机转速的控制,大约已有40年的历史,但变频调速技术的高速发展,则是近十年的事情,主要是由下面几个因素决定:
1.1.1市场有大量需求
随着工业自动化程度的不断提高和能源全球性短缺,变频器越来越广泛地应用在冶金、机械、石油、化工、纺织、造纸、食品等各个行业以及风机、水泵等节能场合,并取得了显著的经济效益。
1.1.2功率器件发展迅速
变频调速技术是建立在电力电子技术基础之上的。近年来高电压、大电流的SCR,GTO,IGBT,IG-GT以及智能模块IPM等器件的生产以及并联、串联技术的发展应用,使高电压、大功率变频器产品的生产及应用成为现实。在大功率交—交变频(循环交流器)调速技术方面,法国阿尔斯通已能提供单机容量达30000kW的电器传动设备用于船舶推进系统。
IPM投入应用比IGBT约晚二年,由于IPM包含了1GBT芯片及的驱动和保护电路,有的甚至还把光耦也集成于一体,是一种更为适用的集成型功率器件。目前,在模块额定电流10-600A范围内,通用变频器均有采用IPM的趋向。IPM除了在工业变频器中被大量采用之外,经济型的IPM在近年内也开始在一些民用品,如家用空调变频器,冰箱变频器,洗衣机变频器中得到应用。IPM也在向更高的水平发展,日本三菱电机最近开发的专用智能模块ASIPM将不需要外接光耦,通过内部自举电路可单电源供电,并采用了低电感的封装技术,在实现系统小型化、专用化、高性能、低成本方面又推近了一步。
1.1.3控制理论和微电子技术的支持
在现代自动化控制领域中,以现代控制论为基础,融入模糊控制、专家控制、神经控制等新的控制理论,为高性能变频调速提供了理论基础;16位、32位高速微处理器以及信号处理器(DSP)和专用集成电路(ASIC)技术的快速发展,则为实现变频调速的高精度、多功能提供了硬件手段。
1.2国内现状
从整体上看我国电气传动系统制造技术水平较国际先进水平差距10-15年。免费论文。在大功率交-交,无换向器电动机等变频技术方面,国内只有少数科研单位有能力制造,但在数字化及系统可靠性方面与国外还有相当差距。而这方面产品在诸如抽水蓄能电站机组启动及运行、大容量风机、压缩机和轧机传动、矿井卷扬机方面有很大需求。免费论文。在中小频率技术方面,国内学者做了大量变频理论的基础研究。早在80年代,已成功引入矢量控制的理论,针对交流电机具有多变量、强耦合、非线性的特点,采用了线性解耦和非线性解耦的方法,探讨交流电机变频调速的控制策略。国内学者一直致力于变频调速新型控制策略的研究,但由于半导体功率器件和DSP等器件依赖进口,使得变频器的制造成本较高,无法形成产业化,与国外的知名品牌相抗衡。国内几乎所有的产品都是普通的V/f控制,仅有少量的样机采用矢量控制,品种与质量还不能满足市场需要,每年需大量进口高性能的变频器。
因此,国内交流变频调速技术产业状况表现如下:(1)变频器控制策略的基础研究与国外差距不大。(2)变频器的整机技术落后,国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力,但由于力量分散,并没形成一定的技术和生产规模。(3)变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎是空白。(4)相关配套产业及行业落后。(5)产销量少,可靠性及工艺水平不高。
2.变频调速技术未来发展的方向
变频调速技术主要向着两个方向发展:一是实现高功率因数、高效率、无谐波干扰,研制具有良好电磁兼容性能的“绿色电器”;二是向变频器应用的深度和广度发展。随着变频器应用领域深度和广度的不断开拓,变频调速技术将越来越清楚地展示它在一个国家国民经济中的重要性。可以预料,现代控制理论和人工智能技术在变频调速技术的应用和推广,将赋予它更强的生命力和更高的技术含量。其发展方向具有如下几项:(1)实现高水平的控制;(2)开发清洁电能的变频器;(3)缩小装置的尺寸;(4)高速度的数字控制;(5)模拟与计算机辅助设计(CAD)技术。
3.变频调速技术的应用
纵观我国变频调速技术的应用,总的说来走的是一个由试验到实用,由零星到大范围,由辅助系统到生产装置,由单纯考虑节能到全面改善工艺水平,由手动控制到自动控制,由低压中小容量到高压大容量,一句话,由低级到高级的过程。我国是一个能耗大国,60%的发电量被电动机消耗掉,据有关资料统计,我国大约有风机、水泵、空气压缩机4200万台,装机容量约1.1亿万千瓦,然而实际工作效率只有40%-60%,损耗电能占总发电量的40%,已有经验表明,应用变频调速技术,节电率一般可达10%-30%,有的甚至高达40%,节能潜力巨大。
有关资料表明,我国火力发电厂有八种泵与风机配套电动机的总容量为12829MW,年总用电量为450.2亿千瓦小时。还有总容量约为3913MW的泵与风机需要进行节能改造,完成改造后,估计年节电量可达25.69亿千瓦小时;冶金企业也是我国的能耗大户,单位产品能耗高出日本3倍,法国4.9倍,印度1.9倍,冶金企业使用的风机泵类非常多,实施变频改造,不仅可以大幅度节约电能,还可改善产品质量。
我国变频调速技术的应用已取得显著成绩,主要表现在下面二个方面:
3.1变频调速技术的应用范围已发展到新阶段,以石油、石化、冶金、机械等行业为例,都经过了单系统试用、大量使用和整套装置系统使用3个发展阶段。如广东茂名石化公司和九江石油化工厂现已发展到引用常减压和催裂化变频装置,取得了节能、增产的显著效果。
3.2变频调速技术已成为节约能源及提高产品质量的有效措施,很多用户实践结果证明,节电率一般在10%-30%,有的高达40%,更重要的是生产中一些技术难点也得到解决。例如包钢1150轧机采用变频装置后,年平均事故时间达到工作时间的0.1%以下,大幅度提高了产品质量和产量,且年节约电费约50万元。
4.结束语
变频调速技术作为高新技术、基础技术、节能技术,已经渗透经济领域的所有技术部门中。今后我国在变频调速技术方面应积极作好如下工作。
4.1应用变频调速技术来改造传统产业,节约能源及提高产品质量,获得较好的经济效益和社会效益。
4.2大力发展变频调速技术,必须把我国变频调速技术提高到一个新水平,缩小与世界先进水平的差距,提高自主开发能力,满足重点工程建设和市场的需求。
4.3规范我国变频调速技术方面的标准,提高产品可靠性工艺水平,实现规模化、标准化生产。
【关键词】 锁相环 信号 频率
一、锁相环技术的基本原理
现代频率合成技术常应用间接合成法、电路的反馈，通过锁相环技术将主振源的频率和参考信号的频率通过鉴相比较联系起来，所需硬件设备少，可靠性高，频率范围大。其核心是锁相环路，原理框见下图1：
锁相环路是一种典型反馈电路，锁相环的英文全称为Phase-Locked Loop简称PLL。锁相环路（PLL）是一个闭环的跟踪系统，它能够跟踪输入信号的相位。确切地讲，锁相环是一个使输出频率（由振荡器产生的）与参考频率产生频率和相位上同步的电路。在同步（通常称为锁定）状态，振荡器输出信号和参考信号之间的相位差为零，或者保持常数。
二、锁相环技术的基本组成
在PLL中，鉴相器是一个相位比较器，比较参考信号（输入信号）与输出信号之间的相位偏差，并由此产生误差信号；环路滤波器是一个低通滤波器，用来 滤除误差信号中的高频成分，起滤波平滑作用，以保证环路稳定和改善环路跟踪性能，也决定着输出信号相位噪声的好坏。最终输出控制电压，压控振荡器VCO是一个电压、频率变换装置，产生本地振荡频率，其振荡频率受误差信号电压控制，产生频率偏移，从而跟踪输入参考信号的频率。整个锁相环路根据输入参考信号频率与本地振荡信号频率之间的相位误差对压控振荡器产生信号的相位进行连续不断的反馈调节，从而达到使VCO输出信号相位跟参考频率相位一致或保持常数。
1、鉴相器。鉴相器是一个相位比较器，比较两个输入信号的相位，产生误差相位，并转换为误差电压。鉴相器一般由分频器、电荷泵等组成，把参考信号频率和反馈输出信号进行R分频和N分频，对分频完的频率进行相位比较，产生误差电压，误差电压经电荷泵调节，最后输出。
2、环路滤波器 。环路滤波器是一个线性低通滤波器，通常由RC无源滤波器或环路中有放大器的有源滤波器组成，具有低通特性。改变环路的带宽，可以适量调整输出信号的相噪好坏。
3、压控振荡器 。在锁相环路中，压控振荡器是受外控电压来改变振荡频率的器件。起着电压转换为相位的作用。其振荡频率的相位受滤波器输出电压的控制，而其输出信号的相位随参考频率相位变化而变化，从而保持相位跟踪。
4、参考频率。在锁相环中，参考频率一般由晶振产生，晶振是由晶体的压电效应与内部电路产生谐振的频率，晶振的频率稳定性相当的好。常用的参考频率100MHz、10MHz等。
5、单片机分频器。单片机在锁相环中一般对应鉴相器，在开机时起到为鉴相器置数的作用。常用的单片机为51系列。鉴相器一般包含了分频器，分频器在锁相环中很少作为一个单独器件出现。
三、锁相环技术的发展应用
近百年以来，无论是有线相连的电话，还是无线发送的广播电视，很长的时间内都是用模拟信号来传递信号。由于锁相环路结构简单，性能可靠等特点，在当今的调频广播技术中得到广泛应用。
另外锁相环技术应用于频率综合器，由参考信号频率获得不同频率的组件称为频率综合器；也用于调制解调器，其本身就是一个调频解调器，经过合理的设计应用，锁相环路可以做任何方式的调制器和解调器；锁相环也可以用作时钟发生器，锁相环锁定后输出时钟频率是输入参考时钟的N倍，锁相环可以从低频输入时钟产生高频输出时钟，系数N是固定的称为时钟发生器；也可以用于频率合成技术，将一个参考信号频率如晶振参考源，经过电路运算，变成具有同一稳定度和准确度的多个所需频率的技术，称为频率合成技术。该技术广泛应用在超外差接收中进行自动频率控制、标准信号的倍频和分频、空间技术和频率合成中。
四、结论和展望
21世纪注定是通信技术迅猛发展的世纪。而产生信号源的锁相环技术锁出的频率有频率稳定性和准确性非常高的优点，同时也能很好的抑制杂散，避免大量使用滤波器，因而有利于小型化和集成化。而锁相环中鉴相器分频比可以使用单片机进行控制，易于实现输出频率的变换及其频率显示的程控和遥控，促进信号源模块的数字化、集成化和智能化。将广泛的应用于科研、生产、生活中。
参 考 文 献
关键词：汽轮机，振动，傅里叶变换，小波分析
1.前言
“设备故障诊断（Condition Monitoring andFaults Diagnosis）”是近年来发展起来的一门新兴技术，包含两方面的内容：一是对设备的现场运行状态进行检测；二是在出现故障情况时对故障进行分析与诊断。
汽轮机是电力企业中的关键生产设备，对其开展状态监测与故障诊断工作，保障设备安全可靠的运行，可以取得巨大的经济效益和社会效益。汽轮机的故障诊断技术是借助机械振动、转子动力学等理论深入研究和认识设备的故障机理;运用现代测试技术、测量技术、测量与监视伴随设备运行的振动、噪声、温度、压力、流量等参数；利用信号分析与数据处理技术，对这些参数的模拟或数字信息进行处理；建立动态信息与设备故障之间的联系，运用智能科学技术确定设备的诊断思想；以计算机技术为核心，建立故障监测与诊断的系统。
2．汽轮机振动分类
转子及轴系的振动是造成汽轮发电机组振动故障的主要原因。轴和轴系在机组内作旋转运动，其常见故障有不平衡、弯曲、油膜涡动、不对中以及由此而产生的变形碰摩等。。以下就各种情况的振动特征作简要分析。。[1]
2.1不平衡轴的不平衡一般有:静不平衡、双面不平衡，动不平衡和动静不平衡4种。在轴系存在静不平衡的情况下，它是一个截面的不平衡，轴旋转时产生一个不平衡力矩M，并呈周期性变化，形成一阶转频的振动。
其他三种不平衡状态是多个截面的不平衡，每一个截面的不平衡所激发的横向振动与静不平衡是一样的，只是各截面上振动相位和幅值大小有差异，其特征频率仍然是。
不平衡故障特征：振动的时域波形为正弦波；频谱图中能量集中于基频；当转子角速度< (固有频率)时，振幅随的增大而增大;当>时，增大时振幅趋于一个较小的稳定值；当接近时发生共振，振幅具有最大峰值；当工作转速一定时，相位稳定；转子的轴心轨迹为椭圆；转子的进动特征为同步正进动；振动的强烈程度对工作转速的变化很敏感。
2.2轴弯曲轴和轴系安装不良、热变形和自重都会引起轴的弯曲。轴的弯曲实质上是轴的不平衡的又一种表现。在轴旋转时这种不平衡会导致一阶转频的横向振动，同时还会产生一阶转频的轴向振动和二阶转频2的横向振动。
轴弯曲的故障特征：特征频率为1X，常伴频率为2X；振动特性稳定，振动方向为径向、轴向；相位特征稳定；轴心轨迹为椭圆；进动方向为同步正进动；振幅随转速变化较为明显，随负荷变化不明显。。
2.3轴不对中与连轴节的故障轴系安装中轴有弯曲并存在较大间隙等都会导致轴系不对中，从而在旋转时产生振动，使联轴节处于不正常工作状态。轴系不对中分为轴线平行且偏离一段距离、两轴线交叉和两轴线交错等几种形式。
轴系不对中在运转过程中产生振动不对中会激发出一阶转频. 的轴向振动，同时会产生二阶转频2的横向振动。
二阶转频2横向振动和一阶转频的轴向振动是不对中故障状态的特征。如果二阶转频横向振动的振幅是一阶转频横向振动的振幅的30%-75%时，则此不对中度(即不同轴度)联轴节还可承受；若达到75%-150% 时，则联轴节会产生故障；若超过150% 时，则会使联轴节产生严重故障，加速磨损以至不能使用。
轴不对中故障特征：特征频率2X，常伴频率1X、 3X；振动特性稳定，振动方向为径向、轴向；相位特征较稳定；轴心轨迹为双环椭圆；进动方向为正进动；振幅随转速、负荷变化都较为明显。
其他故障还有碰摩和油膜涡动[2]等。
3.振动信号分析
在振动信号分析中，通常采用的是傅立叶变换，虽然傅立叶变换能较好地刻划信号的频域特性，但几乎不提供信号在时域上的任何信息。这样我们在信号分析中面临如下一对基本矛盾:时域与频域的局部化矛盾。即我们若想在时域上得到信号足够精确的信息，就得不到信号在频域上的信息，反之亦然。
从原则上讲，凡传统使用傅立叶分析的地方，都可采用小波分析，小波分析优于傅立叶分析的地方是，采用小波包技术后，它在时域和频域同时具有良好的局部化性质，而且由于对高频成分采用逐渐精细的时域和空域取样步长，从而可以聚焦到对象的任意细节，故小波变换符合高频信号的分辨率较高的要求，而且小波变换适当离散化后能构成标准正交系，这无论是在理论上，还是在应用上都是极其有用的。小波分析克服了傅立叶变换不适用于非平稳信号分析、不能同时进行时间一频率局域性分析等缺点，代表了信号分析发展的一个新阶段。[3]
小波分析是傅立叶分析思想上的发展和延拓。二者是相辅相成的，但有以下不同：
(1) 傅立叶变换的实质是把能量有限信号分解到以{}上;小波变换的实质是把能量有限信号分解到以 (j=1,2,…，J)和所构成的空间上。
(2) 傅立叶变换的基函数为三角函数，具有唯一性；Wavelet变换的小波函数具有多样性。
(3)在频率分析中，傅立叶变换具有较好的局部化能力，特别是对于那些频率成分较简单的确定信号，傅立叶变换很容易把信号表示成各频率成分的叠加;但在时域中，它没有局部化能力。
4.结论 汽轮机振动是影响机组安全运行的一个重要指标。产生振动的原因是多种多样的，不同的原因有不同的振动特征。小波变换是近年来兴起的信号分析手段。在数学领域，它被认为是现代付立叶分析的重大突破。小波变换优于付立叶变换的地方在于它在时域和领域同时具有良好的局部化性质，可以聚焦到信号的任意细节。因此，在汽轮机振动信号的处理中，比傅里叶变换更加有效。
参考文献
[1] 冯志鹏，宋希庚，薛冬新等.旋转机械故障诊断理论与技术进展综述.振动与冲击，2001,Vol. 20No. 4: 36-39
[2]陈进 机械设备振动监测与故障诊断[M].上海交通大学出版社，1999.71-74.
[3]刘贵忠等.小波分析及应用.西安电子科技大学出版社，1995
关键词：变频调速技术；提升机；矿山运输；应用研究
中图分类号：TP872 文献标识码：A
能源是社会发展的基石，随着不可再生能源的枯竭，节能降耗已成为企业最重要的任务。当前变频调速技术可以起到工业生产当中的节能作业，降低企业的生产成本，已在各专业领域得到了广泛的应用。在矿山企业的运输系统当中，变频调速技术更是起到了关键作用。论文就变频调速技术的优势做了详细地阐述，对变频调速技术在矿山运输提升机系统中的应用做了详细地研究。
1.变频调速技术的基本原理分析
当前我国矿山行业中基本上采用的交流电牵引采集技术，其中变频调速设备当中都为异步电机理论原理，其转速的计算公式为，n=60f（1-S）/P。公式当中的n是电机的标准转速，单位为r/min；f是机电的定子频率，单位为Hz；P表示电机定子的绕组极对数。由公式可以看出，只有当电机转速同工作电源输入频率者有正线性关系时，就是变频调速技术所期盼的方向，这时能认定对交流电机的要求就趋向于连续平滑大范围调速性能，通过持续平滑调速来改善电源频率，这样就可以实现其变频调速的性能，以上就是当前我国变频调速技术应用的基本原理。
2.变频调速技术在运输提升机中的优势分析
变频调速设备在当前应用比较广泛，其主要在于它的使用存在着很多的优点。具体在以下几点：
（1）变频调速技术可以调整电机的加减速时间，优化系统的启动与停止，确保速度变化与运行的稳定性，从整体上来看就是提高了提升机系统运行效率。
（2）变频调速技术在装备的过程当中容易调试，后期的维修过程也非常简单。矿山运输当中，不同的阶段和地点提升机的工作状态不同。在安装变频调速装置时，我们只需要根据现场工况来接线就可以，然后再设定相关的参数。
（3）变频调速技术实行矢量控制的闭环方式，以额定转矩输出提升机的运行，来实现零速抱闸运行。可以轻松地实现全速控制，避免抱闸闭合带来的不利影响，从而影响设备的使用。
3.变频调速技术在矿山提升机的应用
3.1 矿山提升机的控制系统
矿山提升机运输系统包括传动系统、附属系统、制动系统和操纵系统四大部分，具体情况如下所述。
（1）PLC系统。提升机系统当中有区别于其他的系统，当前采用双PLC工作模式，主机一台用于正常的工作，副机用于备用。假定工作PLC系统出现故障无法正常工作时，系统将会自动实行切换到备用PLC，保障整个系统的正常工作。应用PLC系统自身的高度集成，就能够整合主滚筒轴、电动机轴、轴编码器、天轮等参数，同时对提升器的运行速度、运行位置等进行监视，保障运行。
（2）信号控制。在矿山运输现场，可以将提升系统中的状态运行参数、故障保护信号、指示操作信号等，引入主控单元中，将数据参数、信号等与操作系统内容进行闭锁或逻辑运算，最终输出相应的控制指令。当系统l现异常信号时，就会根据相应的逻辑运算来进行分析，看是否发生了故障，系统能够接收到的相应信号得到相应的结论，然后就会按程度进行相应的处置措施，发生故障就会在机位中显示不同的故障类型，还可以发生相应的声控报警。另外还有着监视监控系统能查看相应的信号，正常运行时相应的信号可以看到，也可以显示出现故障时运行的各项参数。这样就大大方便了相关维修技术人员根据数据进行故障的判定，可以及时的进行维修，保障系统的运转。
3.2 运输系统中提升机变频调速技术的具体方案
（1）转子回路调速系统。在系统加速过程中，每个交流接触器实现吸合作用，转子的网路电阻有所降低，以此保持加速力的平均值稳定性。若要实现提升机的低速度运行，需要在转子中串入相应的大电阻。一般可以将低频电源施加到定子绕组用来改善减速段的负力状况，这种办法叫做实行动力制动。当提升机的电动机处于工作时间时，方案会存在以下几点问题：①触点控制问题。大容量开关的应用使得系统维护难度增加了，降低了运行的可靠性；②开关有级调速问题，系统的加速度无法精准控制，所以就会导致调速不准；③运行的工作效率偏低，低速运会导致电阻消耗过高，不利于能量的利用效率；④耗费的功率为输出功率的1/3，机械特性偏软。此调速方案具有投资少，操作比较简单，容易上手等优点，在小的矿山运输系统中应用较多。
（2）模糊控制系统。控制提升机转速过程中可采取二维输入变量的方式。通过PLC系统的采样功能，获得精确的被控量，接相应程序与之进行定制对比，获得误差信号及误差变化率等参数。将误差信号以及误差变化率的精确量转化为模糊量，再通过模糊推理理论，获得模糊控制量，实行解模糊处理，最终获得控制信号，通过信号传输进行对象控制。模糊控制系统是属于非线性控制，它的工作工作范围和适用范围都非常大，应用面非常广，缺点在于应用的处理信息简单，精度比较小。
结语
当前我国能源法已将变频调速技术列为节能技术加以全面推广，特别是在矿山等相关的能源需求大的行业。在矿山运输系统当中应用变频器的设备不仅仅起到节约能耗的作用，还可以维护设备的安全性，具有高度，高质量的优势，这对提高企业的工作效率起到了积极的作用。变频调速技术对推动我国矿山相关行业的发展起到了积极的作用。
参考文献
[1]刘太广.浅谈变频调速技术在矿山运输中的应用[J].黑龙江科技信息，2008（30）：3.
[2]胡建成.变频调速技术在矿山运输中的应用[J].企业技术开发，2012（13）：88-89.
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