時間：2022-07-10 15:13:04
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關(guān)鍵詞：礦山井下供電系統(tǒng)煤礦安全規(guī)程
1.礦上供電的基本要求
礦山企業(yè)在國民經(jīng)濟建設(shè)中起著重要作用，是電能的重要用戶。隨著生產(chǎn)的迅速發(fā)展，自動化水平不斷提高，對供電的要求也就更加嚴格。特別是煤礦井下作業(yè)，工作面不斷移動，生產(chǎn)環(huán)境非常復(fù)雜，因此對供電的要求更高。對供電的基本要求主要有以下幾個方面：
1.1供電可靠
礦山企業(yè)供電中斷，不僅會造成減產(chǎn)，而且有可能引起人身事故，甚至可能毀壞礦井。因此，礦山企業(yè)對供電的最重要要求是供電可靠和不間斷，即使在電力系統(tǒng)發(fā)生故障的情況下，也必須保證不間斷供電，至少也得供應(yīng)一部分電能以保證人身安全和設(shè)備部收損壞。
1.2供電安全
由于煤礦井下瓦斯和煤塵爆炸的危險，所以在使用電氣設(shè)備時必須特別注意其防爆性。另外，井下潮濕，工作空間小，光線差，易發(fā)生人身觸電事故，必須采取一系列的安全技術(shù)措施，以確保對煤礦企業(yè)供電的安全性。
1.3供電質(zhì)量
在供電質(zhì)量上煤礦企業(yè)要求供電電壓穩(wěn)定和交流頻率的穩(wěn)定。煤礦中廣泛使用三相異步電動機，這種電動機的轉(zhuǎn)矩與外加電壓的平方成正比；轉(zhuǎn)速與交流頻率成正比。若供電電壓和頻率發(fā)生較大變化，就會嚴重影響電動機的正常運轉(zhuǎn)，甚至?xí)股a(chǎn)機械不能工作。
1.4供電經(jīng)濟
一般考慮下列三個方面：第一，盡量降低礦山變電所一點往的基本建設(shè)投資。第二，盡量降低設(shè)備材料即有色金屬的消耗量。第三，注意降低供電系統(tǒng)中的電能損耗反維護費用。
2.礦山供電的電壓等級
所有電器設(shè)備都是按一定的標準電壓設(shè)計制造的，這個標準電壓稱為電器設(shè)備的額定電壓。電力線路的額定電壓等于其連接的用電設(shè)備的額定電壓。發(fā)電機的額定電壓是指額定負荷下的輸出端電壓，比同級用電設(shè)備額定電壓高出5%。以補償電網(wǎng)電壓損失。礦區(qū)供電的電壓，一般采用35kv、110kv。礦井地面和井下高壓供電電壓目前一般采用6kv，條件允許時，亦可采用10kv。
供電電壓等級是礦山供電的只要問題之一，這是因為供電線路的電壓等級與輸送功率，供電距離有密切的聯(lián)系。
我國礦山地面的低壓動力照明電網(wǎng)（380/220V系統(tǒng)）采用中性點直接接地的方式，并且將中性點引出，可同時供給380V和220V兩種電壓。此時，中性點接地并不是為了防止電弧接地，預(yù)防高壓竄入低壓系統(tǒng)增加人身觸電的危險性。
我國《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，除向架線式電機車供電的整流變壓器外，箱井下供電的變壓器中性點禁止接地。向井下供電的電網(wǎng)，不準采用中性點接地方式運行的主要原因是為了保證井和人身安全。因為煤礦井下空間狹窄、黑暗、潮濕，并有煤塵、瓦斯，如使用中性點接地系統(tǒng)，當人體觸及一相導(dǎo)體。便接觸到相電壓，有致命危險。另外，在中性點接地系統(tǒng)中如出現(xiàn)接地故障。可能會外漏電火花，有點燃礦井內(nèi)瓦斯的危險。
礦井的用電電源。一般來源于電力系統(tǒng)的區(qū)域變電站活發(fā)電站，電能送到礦山后在變、配給礦山的用戶，組成礦山的供電系統(tǒng)。
礦山受電電壓為6~110KV，礦山類型及所在地區(qū)的電力系統(tǒng)的電壓而定，一般為35~110KV的雙電源受電，經(jīng)總降壓站以高壓車間，井下變電所及高壓用電設(shè)備等配電，組成低壓供電系統(tǒng)。
3.礦山供電系統(tǒng)的接線方式
按網(wǎng)絡(luò)接線布置方式分為放射式、干線式、環(huán)式等接線系統(tǒng)。按接線運行方式分為開式和閉式系統(tǒng)。按對負荷供電可靠性的要求可分為無備用和有備用接線系統(tǒng)。有備用接線系統(tǒng)中，其中一回路發(fā)生故障時，其余回路保證全部供電的稱為完全備用系統(tǒng)；如果只能保證對重要用戶供電的，則稱為不完全備用系統(tǒng)。備用系統(tǒng)的投入式分為手動投入、自動投入和經(jīng)常投入等幾種。
3.1無備用系統(tǒng)接線
無備用系統(tǒng)接線簡單，運行方便，易于發(fā)現(xiàn)故障；缺點是供電可靠性差。所以這種接線主要對于三級負荷和一部分次變的二級負荷供電。
放射式接線的主要優(yōu)點是供電線路獨立，線路故障互不影響，易于實現(xiàn)自動化，停電機會少，繼電保護簡單且易于整定，保護動作時間短，缺點是電源出現(xiàn)回路較多，設(shè)備和投資業(yè)多。
干線式接線的主要優(yōu)點是線路總長度較短，造價較低，可節(jié)約有色金屬；由于最大負荷一般不同時出現(xiàn)，系統(tǒng)中的電壓波動和電能損失較??；電源出線回路少，節(jié)省設(shè)備。缺點是前段線路公用，增多了故障停電的可能性。
3.2雙回路放射式
雙回路供電這種供電方式，線路總長度長，電源出線回路數(shù)和使用開關(guān)設(shè)備多，投資大，如果負荷不大，常會造成有色金屬的浪費。優(yōu)點是當雙回路同時工作時，可減少線路上的功率損失和電壓損失。這種接線適用于負荷大或單獨供電的重要用戶。對容量大，而且特別重要的用戶，可采母線用斷路器分段接線，從而可以實現(xiàn)自動切換，以提高供電的可靠性。
3.3環(huán)式
環(huán)式接線系統(tǒng)所用設(shè)備少，各線路途經(jīng)不同，不易同時發(fā)生故障，故可靠性較高且運行靈活。因負荷由兩條線路負擔，故負荷波動時電壓比較穩(wěn)定。缺點是故障時供電線路較長，電壓損失大。線路的導(dǎo)線截面應(yīng)按故障情況下能負擔環(huán)網(wǎng)全部負荷考慮，所以有色金屬消耗量增大，兩個負荷大小相差越懸殊，其消耗就越大。故這種系統(tǒng)適于負荷容量相差不大，所處地點離電源都較遠，而彼此又較近的情況。平?？梢蚤_環(huán)運行，也可以閉環(huán)運行。但閉環(huán)運行繼電保護較復(fù)雜，因此一般采用開環(huán)運行方式。
4．礦井供電系統(tǒng)
大、中型礦井的供電電源取自110kV或35~60kV的電力網(wǎng)經(jīng)兩回架空線路迭到礦井總降壓站。比如一次電壓為35~60kV兩臺變壓器的內(nèi)橋式接線的典型變電所主接線，其斷路器外側(cè)設(shè)兩組隔離開關(guān)組成跨橋，上面接有35~60/0.4kV的所用變壓器，工變電所直流操作電源等用。
在一次側(cè)進行計量的變電所，進線和母線應(yīng)設(shè)有準確等級負荷要求的電流互感器（CT）和電壓互感器（PT）。
為了防止雷電波的侵襲，母線和架空進線處接避雷器，主變壓器二次6KV側(cè)多采用單母線分段，用成套配電裝置配電。礦井一、二級負荷如通風機、主副井提升機等有接在不同母線上的雙電源回路供電，以保證可靠。
總之，對礦井供電要求要嚴格，更具不同的礦井進行嚴密而謹慎的設(shè)計，保證礦山供電的安全。
參考文獻：
關(guān)鍵詞:煤礦供電系統(tǒng)諧波；治理方法
1 目前煤礦供電系統(tǒng)中的諧波情況
目前電力系統(tǒng)諧波污染與功率因數(shù)降低、電磁干擾已并列為電力系統(tǒng)的三大公害。煤礦企業(yè)供電網(wǎng)絡(luò)大量的電力電子功率器件、各種裝置在電網(wǎng)中的應(yīng)用，在促進礦井生產(chǎn)運行中的節(jié)能和能量高效轉(zhuǎn)換的同時，也給電網(wǎng)中電能質(zhì)量造成了嚴重的干擾，因此，嚴重影響了正常供電安全，其主要原因就是電網(wǎng)諧波含量的普遍存在和不斷的生成。
在煤礦企業(yè)供電系統(tǒng)，諧波廣泛分布于供配電系統(tǒng)中的各個環(huán)節(jié)，諧波電流的擁塞會在主電網(wǎng)系統(tǒng)上引起電壓畸變，導(dǎo)致電網(wǎng)系統(tǒng)中的電壓和電流波形嚴重失真，對其他電力設(shè)備和裝置也會產(chǎn)生擾動，這將嚴重威脅礦井電網(wǎng)的電能質(zhì)量和供配電設(shè)備的安全正常使用。
所以，我們治理好煤礦供電系統(tǒng)中產(chǎn)生的諧波，不僅能從根本上解決因諧波存在導(dǎo)致的電能不必要的損耗，提高和穩(wěn)定電能質(zhì)量，確保礦井安全運行，而且還能延長供電系統(tǒng)的電氣設(shè)備使用壽命，優(yōu)化電磁環(huán)境，有效提高產(chǎn)品質(zhì)量。
2 諧波的主要來源
電力網(wǎng)絡(luò)的每個環(huán)節(jié)，包括發(fā)電、輸電、配電、用電都可能產(chǎn)生諧波，其中產(chǎn)生諧波最多位于用電環(huán)節(jié)上，而在用電環(huán)節(jié)諧波主要產(chǎn)生于非線性負荷用電設(shè)備。對于煤礦來說，諧波主要來自非線性負荷用電設(shè)備。
在煤礦的輸配電系統(tǒng)中存在大量的電力變壓器。變壓器就是一種非線性特性的用電設(shè)備，因為變壓器內(nèi)鐵心飽和，磁化曲線的非線特性以及額定工作磁密位于磁化曲線近飽和段上等諸多因素，致使磁化電流呈尖頂形，內(nèi)含大量奇次諧波。變壓器鐵心飽和度越高，其工作點偏離線性就越遠，產(chǎn)生的諧波電流就越大，嚴重時三次諧波電流可達額定電流的5%。
由于煤礦電網(wǎng)中的諧波源主要來自于含半導(dǎo)體材料的非線性元器件，煤礦的其他非線性負荷用電設(shè)備主要有礦井提升機、通風機、主排水泵、帶式輸送機、架線式電機車等節(jié)能設(shè)備、交流弧焊機以及控制用的電力電子設(shè)備，諸如各種變頻器、交直流換流設(shè)備、變流器、整流設(shè)備等一些大型礦山設(shè)備以及使用各種變頻器等電力電子設(shè)備產(chǎn)品等。煤礦供電系統(tǒng)中諧波的危害主要表現(xiàn)在諧波含量的增加導(dǎo)致電網(wǎng)功率損耗的增加、供電設(shè)備壽命逐漸縮短、接地保護功能喪失、遙控功能失效、供電線路和設(shè)備過起熱，如果諧波波幅較大，還可能引起變電站局部的并聯(lián)或串聯(lián)諧振，這將導(dǎo)致變電站系統(tǒng)中的元器件產(chǎn)生附加的諧波損耗，從而加速元器件的衰老退化。我們通過對主井提升設(shè)備的電壓、電流，副井升降設(shè)備電壓、電流以及充電設(shè)備的測試波形測試、觀察，發(fā)現(xiàn)在多次的測試過程當中，在一個波段電流諧波值異常偏高，遠遠超出了國家規(guī)定的限值，將此波段對比到礦井實際采用的脈動變流器，發(fā)現(xiàn)異常偏高的波段正好與設(shè)備實際采用的脈動下測算出的諧波值相符合；而對礦井下充電設(shè)備的測試采取與地面充電設(shè)備對比的方式，測試發(fā)現(xiàn)井下充電設(shè)備的各個諧波的大多高于井上情況。
我們通過對礦井以上兩個測試情況來看，煤礦供電系統(tǒng)中普遍存在的電能質(zhì)量問題的主要原因是諧波的大量產(chǎn)生。因此，預(yù)防治理礦井供電系統(tǒng)中的諧波問題還需從改造電力電子裝置、過濾諧波的角度入手，從而減少礦井供電系統(tǒng)諧波問題的發(fā)生。
3 煤礦供配電系統(tǒng)諧波治理
鑒于諧波存在多方面的危害,對礦井安全生產(chǎn)和生活存在很大隱患,根據(jù)國家對諧波污染的治理要求,采取必要而有效措施,避免或補償已產(chǎn)生的諧波尤為重要。在礦井供配電系統(tǒng)中,應(yīng)積極采取消除或抑制諧波危害的防范措施。
3.1 電力電纜的選擇。在礦井供配電系統(tǒng)電力電纜截面的選擇中,應(yīng)考慮諧波引起電纜發(fā)熱的危害。對于連接諧波主要擾動源設(shè)備的配線,確定電纜載流量時應(yīng)留有足夠裕量,必要時可適當放大一級選擇電纜截面。
3.2 合理選擇變壓器。正確合理地選擇變壓器的接線方式,能阻止不平衡電流和3N次諧波電流從原邊傳到電源配電系統(tǒng)中。在三角形/星形變壓器里,不平衡電流和3N次諧波電流在原邊繞組內(nèi)循環(huán)流動而不會傳入電源配電系統(tǒng)中。礦井供配電系統(tǒng)中各級變壓器應(yīng)多采用三角形/星形變壓器。在根據(jù)負載確定電力變壓器額定容量時,應(yīng)考慮諧波畸變而留有裕量。在礦井設(shè)計中一般應(yīng)保證變壓器負荷率在70%～80%,該裕量可防范諧波引起的變壓器發(fā)熱危害。
3.3 無功補償電容器的配置。在有諧波背景的礦井供配電系統(tǒng)中,不能采用常規(guī)的補償系統(tǒng)來進行無功補償。為避免電容器組與系統(tǒng)產(chǎn)生串聯(lián)諧振或并聯(lián)諧振,必須采用調(diào)諧式電容器組。調(diào)諧式電容器組即在補償電容器中加串調(diào)諧電抗器。電抗器的主要作用是避開諧波電流可能出現(xiàn)的頻率。這種電抗器被稱為調(diào)諧電抗器,帶有這種電抗器的電容器組則被稱為調(diào)諧電容器組。使用調(diào)諧電容器組的目的不是為了顯著地降低諧波畸變,而是為了確保電容器組不會因為諸如系統(tǒng)阻抗、投入段數(shù)、系統(tǒng)配置、負荷狀況等原因而發(fā)生諧振。
3.4 諧波補償裝置進行補償。對礦井中的主要諧波源,如:大功率提升機、通風機、帶式輸送機的變頻設(shè)備,在運行過程中會引起較嚴重的高次諧波污染。為了擬制變頻器在運行中產(chǎn)生的諧波,需增加諧波補償裝置,使輸入電流成為正弦波。傳統(tǒng)的諧波補償裝置是采用LC調(diào)諧濾波器,它既可補償諧波,又可補償無功功率。但其補償特性受礦井供配電系統(tǒng)阻抗和運行狀態(tài)影響,易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振,導(dǎo)致諧波放大,使LC濾波器過載甚至燒壞。另外,它只能補償固定頻率的諧波,效果不甚理想,但該裝置結(jié)構(gòu)簡單,目前仍被廣泛應(yīng)用。電力電子器件普及后,運用有源電力濾波器進行諧波補償將成為主要方法,有源濾波器的工作原理是從補償對象中檢測出諧波電流,然后產(chǎn)生一個與該諧波電流大小相等、極性相反的補償電流,從而使電網(wǎng)電流只含有基波分量。這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償,且補償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響。
參考文獻
中圖分類號：TM921.51；TD534 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）06（b）-0098-01
1 現(xiàn)場情況
本方案為某礦區(qū)的絞車提升改造。原有系統(tǒng)為滑環(huán)電機串電阻控制的交流提升機經(jīng)典控制系統(tǒng)（TKD電控系統(tǒng)）。原有電機為JRQ-148-8 240 kW/6kV，轉(zhuǎn)速735 rpm/min。 卷筒直徑2 m、卷筒寬度1.5 m、鋼絲繩最大靜張力6000 kg、液壓工作壓力55 kg、鋼絲繩速度5 m/s、地面供電電壓等級6 kV、環(huán)境溫度-5℃～40℃、海拔高度1950 m、使用場所為斜井。
2 現(xiàn)有轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)試分析
礦井提升機擔負著運輸人員、材料、礦石、礦物的重要任務(wù)，是礦井生產(chǎn)中四大運轉(zhuǎn)別重要的設(shè)備。對于交流提升機拖動而言，原有的控制系統(tǒng)普遍采用繞線電機轉(zhuǎn)子串電阻的方式進行調(diào)速，這些系統(tǒng)存在以下缺點：（1）電阻能耗大，且占用空間大。（2）使用轉(zhuǎn)差和開環(huán)控制，調(diào)速范圍小、精度低、安全性能差；在減速段和下放時需投切動力制動直流電源或低頻電源，易造成設(shè)備損壞，且浪費了大量的電能。（3）系統(tǒng)的故障率高，接觸器、電阻器、繞線電機碳刷容易損壞，維護工作量很大，影響了生產(chǎn)效率。（4）低速和爬行階段需要依靠制動閘皮摩擦滾筒實現(xiàn)速度控制，特別是在負載發(fā)生變化時，很難實現(xiàn)恒減速控制，導(dǎo)致調(diào)速不連續(xù)、速度控制性能較差。（5）啟動和換檔沖擊電流大，造成了很大的機械沖擊，導(dǎo)致電機的使用壽命大大降低，而且極容易出現(xiàn)“掉道”現(xiàn)象。（6）自動化程度不高，增加了開采成本，影響了產(chǎn)量。（7）低電壓和低速段的啟動力矩小，帶負載能力差，無法實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩提升。
3 改造計劃
（1）將TKD電控統(tǒng)系改造為以PLC（西門子）為控制核心的低壓變頻控制系統(tǒng)（西門子）。（2）增加高壓配電柜、干式變壓器、配電柜、變頻柜、操作臺、液壓泵站等電控設(shè)備；（3）原有的深度指示器（自整角機等設(shè)備）改為新型的柱式深度指示器（立于卷筒旁）。（4）原有的現(xiàn)場保護元件（松繩開關(guān)、閘瓦間隙檢測等）、抱閘系統(tǒng)不做修改，接入新系統(tǒng)中。
4 系統(tǒng)設(shè)計
由于傳動領(lǐng)域發(fā)展的多樣性，使得目前出現(xiàn)了多種驅(qū)動方案，下面是我們針對提升機所做的質(zhì)量高、性能價格比高、最合理的優(yōu)化方案如圖1。
4.1 控制系統(tǒng)
提升機變頻電控系統(tǒng)由提升機專用變頻器、智能型主控臺、回饋制動柜和傳感器組成。
4.2 變頻驅(qū)動系統(tǒng)
提升機變頻電控系統(tǒng)是采用國際先進的變頻調(diào)速、直流制動、能量回饋、轉(zhuǎn)矩提升技術(shù)研制成功的高新技術(shù)產(chǎn)品，適用于礦井地面或井下37～600 kW提升機的智能電氣控制，它利用改變被控對象的電源頻率，成功實現(xiàn)了交流電動機大范圍內(nèi)的無極平滑調(diào)速。尤其對于多繩、多水平、雙機、斜井等運行場合，表現(xiàn)出巨大的優(yōu)越性。
4.3 制動系統(tǒng)
為了確保斜井提升機的安全，提升機的機械閘是提升機安全運行的最后一道屏障，這部分由液壓制動系統(tǒng)完成，其控制如電機啟動、停止，敞閘、施閘等動作均由微機綜合保護系統(tǒng)完成。同時對于液壓系統(tǒng)的故障狀態(tài)，如油溫過高、過低、濾油器堵塞、油泵過載、停轉(zhuǎn)等狀態(tài)進行監(jiān)控，當濾油器堵塞、油泵過載、停轉(zhuǎn)等故障發(fā)生時，系統(tǒng)報警的同時控制停機，但當油溫過高、過低等故障發(fā)生時系統(tǒng)只發(fā)出報警信號，不馬上停機。
4.4 低壓配電系統(tǒng)
低壓配電系統(tǒng)的輸入為高壓配電系統(tǒng)中饋電柜輸出；高壓配電系統(tǒng)中饋電柜輸出經(jīng)630 kVA--6/0.4的變壓器變?yōu)?80 V低壓電。隔離變壓器采用DYn0接法，采用三相四線制供電。為了確保低壓供電的可靠性，低壓供電可以采用雙回路供電辦法。一路供電由上述供電，另一路引自用戶另一渠道。低壓電的分配在低壓配電柜內(nèi)完成，其除了給提升機電控系統(tǒng)各設(shè)備，如高壓配電系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)，變頻器，核心控制系統(tǒng)中操作臺、PLC柜，行程控制系統(tǒng)中PLC，操作臺，上位，信號系統(tǒng)等供電外，還提供附屬設(shè)備供電，如照明等，供電容量約500 kVA。
4.5 系統(tǒng)安全性、可靠性保證
（1）安全性保證。系統(tǒng)安全性監(jiān)視采用全數(shù)字傳動系統(tǒng)、PLC及繼電回路的冗余結(jié)構(gòu)，具體體現(xiàn)為：①重要控制參數(shù)、信息及故障的多重化檢測、監(jiān)控及分級處理（緊急安全制動、事故停車、不準提升、事故報警）。②系統(tǒng)按冗余原則設(shè)計，保證某部分出故障時，系統(tǒng)仍能工作。（2）可靠性保證。為保證系統(tǒng)的可靠性，在系統(tǒng)及產(chǎn)品設(shè)計中嚴格遵循下列原則：①電氣系統(tǒng)中使用的元器件均為質(zhì)量可靠、性能穩(wěn)定且符合歐洲工業(yè)級電磁兼容性標準。②系統(tǒng)設(shè)計中注重故障處理的快速性和應(yīng)急性。
4.6 信號系統(tǒng)
信號系統(tǒng)采用PLC+HMI集中設(shè)計、顯示、操控系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上延用操作員習(xí)慣使用的手柄操作臺，并集成人機對話界面系統(tǒng)，操作員能從人機界面真實準確的實時查看各種報警信號，安全可靠、功能靈活多樣、便于擴展、且有自檢等多種功能，是煤礦絞車提升最理想的先進設(shè)備。
參考文獻
中圖分類號：TD853.1 文獻標識碼：A
提升機作為礦井建設(shè)的關(guān)鍵設(shè)備，擔負著礦井有益礦物、材料、人員和設(shè)備的運輸工作，對礦井的安全生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用。因此，提升機必須具備安全可靠的控制系統(tǒng)，提升機控制系統(tǒng)的技術(shù)性能不僅直接影響礦井生產(chǎn)的效率及安全，而且代表著礦井提升機發(fā)展的整體水平。同時，提升機的耗電一般占據(jù)了礦山總耗電量的30%-40%，因此，實現(xiàn)提升機運行過程中的節(jié)能降耗也成為中小功率提升機電控系統(tǒng)研究的重要內(nèi)容。
目前，國內(nèi)提升機的調(diào)速系統(tǒng)主要有串電阻調(diào)速、V-M直流調(diào)速系統(tǒng)、交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)和交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)。各個系統(tǒng)都有著自身的優(yōu)缺點。
1 交流繞線式異步電機轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速系統(tǒng)
這種方案的電動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是通過改變轉(zhuǎn)子回路串聯(lián)的附加電阻來實現(xiàn)的。調(diào)速時能耗很大，屬轉(zhuǎn)子功率消耗型調(diào)速方案。在加速階段和低速運行時，大部分能量(轉(zhuǎn)差能量)以熱能的形式消耗掉了，因此驅(qū)動系統(tǒng)的運行效率較低。這種調(diào)速方案是在低同步狀態(tài)下產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，需采用直流能耗制動方案(即動力制動)，或采用低頻制動。用這種方法調(diào)速時，由于電機的極對數(shù)與施加在其定子側(cè)的電壓頻率均不變，所以電機的同步轉(zhuǎn)速或理想空載轉(zhuǎn)速也不變，調(diào)速時機械特性隨著轉(zhuǎn)子回路電阻的增大而變軟，從而大大降低了電氣傳動的穩(wěn)態(tài)調(diào)速精度。在實際應(yīng)用中，由于串入電機轉(zhuǎn)子回路的附加電阻級數(shù)受限，無法實現(xiàn)平滑的調(diào)速。
綜上所述，這種調(diào)速方案存在著調(diào)速性能差，運行效率低、運行狀態(tài)的切換死區(qū)大及調(diào)速不平滑等缺點。從節(jié)能和安全考慮僅適用于小功率且控制要求不高的提升系統(tǒng)。但目前在我國的各種礦山中，這種方案使用得相當普遍，以后將面臨著技術(shù)改造的問題。
2 V-M直流調(diào)速技術(shù)
“晶閘管變流器-電動機”（簡稱V-M）直流調(diào)速技術(shù)為了實現(xiàn)四象限調(diào)速，常采用兩種電氣控制方案：一種是電樞可逆調(diào)速方案；另一種是磁場可逆調(diào)速方案。
在電樞可逆調(diào)速技術(shù)中，直流電機勵磁電流的大小和方向恒定，通過改變電機電樞供電電壓的方向來實現(xiàn)可逆調(diào)速。但由于晶閘管的單相導(dǎo)電性，常采用正、反兩組晶閘管整流裝置，來提供正反向電樞電壓。此種方法正、反轉(zhuǎn)切換速度快，動態(tài)響應(yīng)好，但由于采用正、反兩組晶閘管整流裝置，隨著容量增大，造價也變得較高。
在磁場可逆調(diào)速系統(tǒng)中，電機電樞電壓不變，通過改變勵磁電流if的方向?qū)崿F(xiàn)可逆調(diào)速。所以電機電樞用一組整流裝置供電，而勵磁側(cè)采用正、反兩組晶閘管整流裝置交替工作來改變勵磁電流if的方向，從而使磁通方向改變，達到可逆調(diào)速。雖然此種方法也需要兩組整流裝置，但由于勵磁功率通常較小，故造價比上種方法低。由于電機勵磁回路電感量較大，勵磁電流的反向過程較長，所以快速性能不高，只適應(yīng)于正、反轉(zhuǎn)不太頻繁的大容量可逆?zhèn)鲃酉到y(tǒng)中。
當采用V-M直流調(diào)速系統(tǒng)時，要根據(jù)現(xiàn)場情況選取控制方案。這種調(diào)速方案運行效率高（可達0.95左右），調(diào)速性能好，但由于其整流側(cè)采用的是晶閘管相控整流，所以功率因數(shù)低，諧波電流大，對電網(wǎng)污染嚴重。
3 交-交變頻調(diào)速技術(shù)
交-交變頻調(diào)速技術(shù)是在上世紀70年代被提出，在80年代開始應(yīng)用到礦井提升機調(diào)速系統(tǒng)中。交-交變頻是在輸入的交流電上通過斬波或相控方式將其變換為另一種交流電，所以也稱為直接變化法。首先出現(xiàn)的是西門子交-交變頻同步機調(diào)速系統(tǒng)，之后又出現(xiàn)日本的交-交變頻籠型異步機調(diào)速系統(tǒng)，隨著電力電子新技術(shù)的不斷發(fā)展已經(jīng)實現(xiàn)全數(shù)字化控制。
交-交變頻器由三組可逆橋式整流器組成，其控制方式可以是常規(guī)方式，也可以是矢量控制方式。通過控制可以使變頻器輸出為頻率和幅值都可變的三相交流電壓，從而實現(xiàn)變頻調(diào)速，主電路下圖所示：
交-交變頻調(diào)速技術(shù)系統(tǒng)框圖
交-交變頻調(diào)速系技術(shù)具有良好的控制性能，效率高，調(diào)速性能好，特別適用于低速大功率礦井提升系統(tǒng)。但該調(diào)速系統(tǒng)也存在功率因數(shù)低、諧波大，對電網(wǎng)污染嚴重，通常在使用時要另外安裝功率補償裝置和諧波吸收裝置，增加了投資費用。
4 交-直-交變頻調(diào)速技術(shù)
隨著電力電子技術(shù)、計算機控制技術(shù)和大規(guī)模集成電路的發(fā)展，特別是交流傳動技術(shù)的發(fā)展如矢量控制技術(shù)和直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的出現(xiàn)，變頻調(diào)速技術(shù)也隨之發(fā)生了很大的進步，形成了和直流調(diào)速技術(shù)同樣優(yōu)良的交流調(diào)速技術(shù)。交流調(diào)速技術(shù)可以分為：交-交變頻調(diào)速技術(shù)和交-直-交變頻調(diào)速技術(shù)。
與交-交變頻相比，交-直-交變頻先把交流電整流為直流電，之后再把直流電逆變?yōu)榻涣麟姡谀芰孔儞Q過程中存在直流環(huán)節(jié)，所以也被稱為間接變化法，結(jié)構(gòu)圖見上圖。從圖中可以看到，交-直-交變頻在整流和逆變側(cè)均采用全控型器件，效率高、諧波量小，同時采用PWM控制方式可使功率因數(shù)接近為1，電流波形為正弦波，在控制性能上比交-交變頻具有絕對優(yōu)勢。由于受到全控型器件耐壓、耐流的問題，現(xiàn)多應(yīng)用于中小功率場合，隨著新一代全控型器件（IGCT）的發(fā)展，雙PWM交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)進入到大功率場合。
結(jié)論
變頻器的調(diào)速控制可以實現(xiàn)提升機的恒加速或恒減速控制，消除了傳統(tǒng)的串電阻調(diào)速造成的消耗，具有很明顯的節(jié)能效果，交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)速精度高、四象限運行、工作頻率低、功率因數(shù)高，動態(tài)響應(yīng)快等一系列優(yōu)點，同時，該套系統(tǒng)有準確的定位和制動功能，可靠性好，使得其在礦山行業(yè)得到了應(yīng)用。由于國內(nèi)在該方面的起步比較晚，隨然發(fā)展迅速，但是還沒有形成完善可靠的產(chǎn)品，因此，對該項技術(shù)的研究具有良好的實際意義。
參考文獻
中圖分類號:TP2 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)10(c)-0106-02
隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展,對礦產(chǎn)資源需求量的不斷加大,礦產(chǎn)資源開采一直是我國煤礦行業(yè)的頭等大事。礦井提升機系統(tǒng)在整個煤礦開采過程中擔負著舉足輕重的作用。提升機系統(tǒng)傳統(tǒng)的調(diào)速方法不足,輸出電壓和功率較低,系統(tǒng)穩(wěn)定性差,嚴重制約著煤礦資源的開采量,不利于整個行業(yè)的發(fā)展目標。隨著交-交變頻調(diào)速技術(shù)在提升機系統(tǒng)中的應(yīng)用,憑借著高電壓、大功率變頻輸出,電機驅(qū)動能力強、運轉(zhuǎn)快,系統(tǒng)性能穩(wěn)定等優(yōu)勢得到了煤礦行業(yè)的廣泛關(guān)注。
1 AC-AC變頻調(diào)速技術(shù)
1.1 變頻器
1.1.1變頻器的工作原理
變頻器是把固定電壓、固定頻率的交流電變換為可調(diào)電壓頻率的交流電的變換器,是異步電機變頻調(diào)速的控制裝置。交-交變頻器沒有直流變換環(huán)節(jié),只有兩個交流環(huán)節(jié)之間的轉(zhuǎn)換過程。通過把一種頻率的交流電轉(zhuǎn)換成另一種頻率的交流電。
1.1.2 交-交變頻器
交-交變頻器主要由3臺電網(wǎng)自然換流、無環(huán)流可逆變流器組成,對應(yīng)同步電機定子的三相,每相連接成三相橋式電路。三相變流器由整流變壓器供電,兩套變頻器由分別為Δ/X、Δ/Y接法的整流變壓器供電,以減少供電高次諧波。AC-AC變頻器具有高效率、大電流等優(yōu)點非常適用于低速、大功率、大轉(zhuǎn)矩、高動態(tài)響應(yīng)、高過載能力的環(huán)境。AC-AC變頻器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。
電機的定子繞組每相對應(yīng)一套反并聯(lián)可控硅橋,最大輸出頻率約為電網(wǎng)側(cè)頻率的45%左右,采用無熔絲設(shè)計方法,效率高達99.3%,在緊急情況下12脈沖可以切換成6脈沖AC-AC變頻器,使的整個變頻系統(tǒng)變得靈活、穩(wěn)定。
1.2 AC-AC變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理
1.2.1 變頻調(diào)速的理論概述
變頻器的功用是將頻率固定的(通常為50 Hz的)交流電變成頻率聯(lián)系可調(diào)的三相交流電。由公式:,當頻率連續(xù)可調(diào)時(一般為定數(shù)),電動機的同步轉(zhuǎn)速也連續(xù)可調(diào),又因為異步電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速總是比同步轉(zhuǎn)速略低一些,所以,當同步轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)時,異步電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速也是連續(xù)可調(diào)的。變頻器通過改變電動機工作電源的輸入頻率(電流的頻率)來改變電動機轉(zhuǎn)速,從而實現(xiàn)變頻調(diào)速。
1.2.2 AC-AC變頻調(diào)速的原理概述
三相異步電動機的轉(zhuǎn)速公式為,調(diào)速方式可有四種方式。交-交變頻電路的基本原理圖如圖2所示。
2 主井提升機交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計
2.1 交-交變頻器Sinzmics SL150控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
Sinzmics SL150控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要包括:CPU模塊、控制器模塊、I/O模塊、斷路保護模塊、輔助設(shè)備模塊以及控制面板。系統(tǒng)CPU(D445)利用軟件可編程方式可以同時在線對通信系統(tǒng)、故障分析系統(tǒng)、畫面顯示系統(tǒng)進行操作。其中變頻控制器負責控制系統(tǒng)電路的相電流、電機轉(zhuǎn)速以及熱電壓轉(zhuǎn)換器(TVC)。交-交變頻器控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
通過系統(tǒng)外擴的I/O模塊,可對電機的轉(zhuǎn)子運行情況進行信號采集檢測,同步電壓信號以及數(shù)字變化量都是由該模塊負責接收傳送和結(jié)果輸出控制。如果電路中的工作電壓超過額定電壓值,該系統(tǒng)采用高壓斷路器負責控制和保護系統(tǒng)輸出電壓。系統(tǒng)的輔助設(shè)備是由12/6脈沖轉(zhuǎn)換部分和功率因素補償兩部分組成。功率因素補償部分,對于電機功率達不到額定工作功率的時候,可以采取無功補償?shù)姆绞綔p少諧波和無功功率的損耗。對12/6脈沖轉(zhuǎn)換部分,一旦高壓短路,變壓器或變頻器一路發(fā)生故障時,電機和變頻器可以由12脈沖工作模式轉(zhuǎn)換成6脈沖的緊急模式。對有故障的變頻器進行斷電分離,并聯(lián)的兩套電機繞組切換成串聯(lián)連接,提升機處于全載半速運行狀態(tài)。
2.2 6脈沖交-交變頻控制方法
針對顧橋礦主井提升機的具體情況,采用ABB公司的ACS6000C進口全數(shù)字矢量控制系統(tǒng),交-交變頻選用6脈沖,邏輯無環(huán)流可逆變流器,變頻器分別由3臺整流變壓器供電。系統(tǒng)電源選用10 kV、50 Hz三相交流電作為主電源供電。主回路采用電樞換向的直流電動機拖動,電樞回路是由兩個反向并聯(lián)晶閘管整流器直流供電,將10 kV的交流電壓通過4路變壓器轉(zhuǎn)換成滿足系統(tǒng)需要的直流電壓,通過高壓斷路器控制系統(tǒng)電壓,為同步電動機提供合適的工作電流和電壓。顧橋礦主井提升機變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。
3 系統(tǒng)運行結(jié)果分析
結(jié)合交-交變頻調(diào)速在顧橋礦主井提升機電機傳動系統(tǒng)中的應(yīng)用,通過西門子SIMATIC WinCC5.0制作軟件可以監(jiān)控整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)。從主提升機畫面中可以清楚地看到系統(tǒng)各個工作模塊的運行狀態(tài),安全回路狀態(tài)、停車回路狀態(tài)、閉鎖回路狀態(tài)、PLC主副箕斗位置、油壓、提升速度、定子的電流電壓、勵磁電流、井筒開關(guān)的選擇以及裝卸載打點信號（見圖4）。
4 結(jié)論
本文針對傳統(tǒng)煤礦主井提升機系統(tǒng)的不足,提出了主井提升機交-交變頻調(diào)速電控系統(tǒng)的新方法,結(jié)合顧橋礦主井提升機變頻系統(tǒng)的實際應(yīng)用等方面詳細地論述了新方法的優(yōu)越性。實測結(jié)果表明交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)性能穩(wěn)定,大大增加了提升機的工作量,對礦產(chǎn)資源的開采做出了重要貢獻。
參考文獻
[1] 西門子工業(yè)自動化項目設(shè)計實踐[M].北京:機械工業(yè)出版社.
0引言
隨著科技水平不斷進步，在滿足產(chǎn)量的情況下，企業(yè)和社會對煤炭開采過程中的環(huán)境保護問題和電能消耗問題有了更多要求。開采過程中，企業(yè)亟待解決掘進機電設(shè)備等主要開采工程設(shè)備耗電量過高的問題，如能解決這一技術(shù)困難，將在很大程度上實現(xiàn)電力資源節(jié)約[1]。
1煤礦井下掘進機電設(shè)備使用現(xiàn)狀
掘進機電設(shè)備的使用情況與中國煤礦企業(yè)管理、操作情況有密切關(guān)系。目前為滿足國內(nèi)煤炭供應(yīng)、儲備需求，中國出臺了一系列政策、計劃，企業(yè)也制定了相應(yīng)年度計劃，但由于中國煤礦企業(yè)在管理過程中無法保證技術(shù)管理的有效性，甚至無法正確推進技術(shù)管理進程，導(dǎo)致中國煤礦企業(yè)管理水平不高，煤礦井下掘進機電設(shè)備使用效率較低，專業(yè)設(shè)備與國際一流水準存在差距，國內(nèi)較先進的技術(shù)也因管理溝通不暢等問題而不能最短時間內(nèi)實現(xiàn)技術(shù)共享。
2煤礦井下掘進機電設(shè)備節(jié)能措施
2.1科學(xué)選配采掘機電的供電設(shè)備
2.1.1選擇變壓器及變壓器容量
在中國，企業(yè)從環(huán)境保護的社會責任感出發(fā)，往往會選擇節(jié)能化的變壓器設(shè)備，根據(jù)井下操作環(huán)境不同，變壓器還可以使用干式化的變壓器設(shè)備或油浸式的變壓器設(shè)備。變壓器是井下煤礦作業(yè)的主要供電設(shè)備，企業(yè)在選擇變壓器設(shè)備時，首先要考慮其能否為井下作業(yè)提供充足動力，其次要根據(jù)不同運載環(huán)境來選擇變壓器材質(zhì)，減少空載運行現(xiàn)象。目前中國大部分煤炭開采企業(yè)都有良好的環(huán)保意識和社會責任感，但還是有部分私人開采的煤礦及小型煤礦在開采時罔顧社會效益和自然壓力，單純地追求利益最大化，選擇變壓器時，不考慮環(huán)境保護問題，仍舊使用高電能消耗的變壓器設(shè)備，部分企業(yè)為節(jié)約固定投資，甚至仍舊使用已淘汰的、沒有節(jié)能功能的油浸式變壓器設(shè)備，導(dǎo)致電力資源浪費嚴重。目前IGS9231型變壓器已在部分企業(yè)煤礦井投入使用，通過數(shù)據(jù)監(jiān)控對比，可知這種較為節(jié)能的變壓器每臺較普通變壓器能節(jié)約8400kW•h的電量，這種型號變壓器的推廣及進一步升級成為目前煤炭行業(yè)升級的標志之一。如煤礦企業(yè)仍使用老舊變壓器設(shè)備，其工作時負荷率不到30%，極大地浪費電力資源、時間成本、消耗固定資本。目前非晶合金材料是一種主要的、用于變壓器制作的原材料，這種材料能在變壓器運行時減少不必要的蜂鳴聲，降低電力資源的不必要消耗。采用非晶合金材料的變壓器目前有S11和S15兩個系列，更換這兩個系列的變壓器可以為企業(yè)降低電力消耗的成本，增加企業(yè)經(jīng)濟效益[2]。
2.1.2煤炭輸送機的選擇
煤炭輸送機是煤礦井下作業(yè)鋪設(shè)較長的一種設(shè)備，目前主流煤炭輸送機有帶式輸送機和刮板輸送機。帶式輸送機的代表機型是SJ-80型號輸送機，刮板輸送機的代表型號是AGW-80T型號輸送機，在實際操作運轉(zhuǎn)中，SJ-80型號輸送機比AGW-80T型號輸送機每小時能多運350t煤炭，且運輸距離要長860m，通過數(shù)據(jù)對比，可以得出在同樣的電力消耗下，帶式煤炭輸送機可以完成更遠距離的輸送且效率更高，帶式輸送機可以為企業(yè)和社會節(jié)約更多電力資源。
2.2選擇合理的供電電壓
根據(jù)物理原理可知，在用電設(shè)備功率固定時，供電設(shè)備提供的電壓和用電設(shè)備工作中的電流成反比例關(guān)系，即電壓越大，用電設(shè)備工作中的電流越小，意味著較高的供電電壓能為設(shè)備帶來較理想的電流使用效率、降低設(shè)備功率、達到節(jié)能目的。目前主流煤礦開采企業(yè)都將供電電壓提高到660V和1140V，條件允許的情況下更多地使用1140V的供電電壓，甚至一些情況下還可以使用3300V的供電電壓，電壓越高，在線路傳輸時耗損的電量就越小。特別是在井下作業(yè)，輸電線路往往鋪設(shè)長度以公里計數(shù)，這就要求供電電壓傳輸速度快。但過于冗長的輸電線路仍會大量耗損電能，因此在條件允許的情況下，建議企業(yè)設(shè)立、使用移動變電站，供電設(shè)備與用電設(shè)備協(xié)同作業(yè)，縮短二者之間的距離，減少輸送過程中電能耗損，達到降低能耗、提高效率的目的。
2.3盡可能應(yīng)用變頻調(diào)速節(jié)能設(shè)備
a)在采煤機中的應(yīng)用。目前較先進的是回饋型四象限運行的交流變頻調(diào)速采煤技術(shù)。這種技術(shù)常用于牽引式采煤機，通過實際操作實驗，可以得出這種采煤技術(shù)的優(yōu)點有：(a)能夠平衡和控制變頻器，無論其是否處于額定轉(zhuǎn)速下；(b)可以較大范圍內(nèi)調(diào)整力矩，穩(wěn)定牽引；(c)操作簡單方便；b)在提升機中的應(yīng)用。提升機變頻調(diào)節(jié)主要是四象限運行技術(shù)，同時提升機還采用了無速度傳感器矢量控制方式，實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)字化控制，同時企業(yè)還配備了數(shù)字化控制的專門軟件，方便操作。同時根據(jù)電路設(shè)置還可以完成遠程操作作業(yè)，老式提升機存在過壓、欠壓、過流、電機缺相等問題，但通過技術(shù)革新，這些問題都被逐一解決，礦業(yè)公司也進入了節(jié)能新時代；c)在膠帶輸送機和電鏟中的應(yīng)用。老式皮帶運輸機存在啟動、運行、制動失控問題，這些問題除了導(dǎo)致電力不必要損耗外，還有巨大的安全隱患。目前四象限變頻調(diào)速技術(shù)與膠帶輸送機結(jié)合后，這些問題都被解決，延長了使用壽命。電鏟操作通過四象限變頻調(diào)速技術(shù)也得到突破，避免電鏟動力不足、過度操作等問題；d)在風機中的應(yīng)用。風機節(jié)能是煤礦企業(yè)一直關(guān)注的問題，環(huán)境不同，需要的風量也是不同的，但過去風機不能智能變頻，產(chǎn)生了很多不必要的損耗。目前變頻器在中國煤礦風機節(jié)能改造中有較廣泛的運用，降低了最低轉(zhuǎn)速，提高了安全性能。通過企業(yè)1a的對比測量，得出結(jié)論，在采用變頻風機后，企業(yè)節(jié)約電費56×104元，同時提高企業(yè)事故預(yù)警能力，明顯降低危險警報的次數(shù)。
2.4科學(xué)使用管理機電設(shè)備
a)提升電機設(shè)備功率因素。在現(xiàn)實工作中，是否能夠及時供電及保證供電質(zhì)量，主要是由供電設(shè)備功率決定的。在調(diào)查中，供電功率較低是煤炭企業(yè)供電效率不高的主要原因，會在供電過程中產(chǎn)生大量無功電流，且不能保證電壓穩(wěn)定，一方面對硬件設(shè)備產(chǎn)生負面作用，嚴重影響其使用壽命；另一方面也不利于設(shè)備正常運行，往往會出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象。針對這種情況，可以采用雙電機配合運行的做法，從一定程度上保證工作順利完成。還可以通過設(shè)備“瘦身”進行工作方面的調(diào)整，比如降低設(shè)備額定功率和額定電壓，雖然這會使設(shè)備工作效率縮水，但可以在不改變供電系統(tǒng)的情況下，使設(shè)備正常發(fā)揮作用；b)開發(fā)現(xiàn)有機械潛力。開發(fā)機械設(shè)備潛力，首先要充分了解設(shè)備，并熟悉設(shè)備具體功能和作用，這樣才能做到有的放矢地改造。機電設(shè)備耗能主要是在運行時出現(xiàn)的，出現(xiàn)發(fā)熱等現(xiàn)象，是耗能的主要原因，這種耗能對生產(chǎn)來說是無意義的，但這種耗能要占整體耗能的40%左右。所以，在機械設(shè)備日常維護時，要注意機油、油添加和設(shè)備內(nèi)部清潔，在工作中保持機械設(shè)備穩(wěn)定運行，在停車和開車時，要緩慢操作，避免時快時慢的現(xiàn)象，以有效降低機械耗能。
3結(jié)語
中國能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展逐漸集中到新能源和清潔能源領(lǐng)域，煤炭行業(yè)在國民經(jīng)濟的總體占比中逐漸下降，這是煤炭行業(yè)必須面對的事實。在這種背景下，煤炭行業(yè)內(nèi)部必須優(yōu)化發(fā)展自身體制，更新發(fā)展理念，控制發(fā)展成本。從節(jié)能角度對煤炭行業(yè)的發(fā)展提出了建議，希望能由此提升煤炭行業(yè)利潤空間，促進其健康發(fā)展。
參考文獻：
【文章摘要】
煤炭是我國的主要能源，在開采的過程中，煤炭的安全生產(chǎn)最為重要，隨著我國現(xiàn)代化的不斷發(fā)展，對煤炭的安全生產(chǎn)提出了“從零開始， 向零奮斗”的口號。一直以來，困擾煤礦安全問題的因素之一就是電磁信號對井下儀器儀表設(shè)備的干擾，進而影響井下儀器儀表的正常工作。因此，國家不斷加強對礦井儀器儀表安全性的技術(shù)改造，并取得了顯著的技術(shù)成果和經(jīng)濟效益，為了進一步提高煤礦儀器儀表的安全性建設(shè)，本文將探討井下電磁干擾的原因，進而闡述提高井下儀器儀表的抗干擾度的具體方法。
【關(guān)鍵詞】
電磁信號；儀器儀表；抗干擾度
1 煤礦井下電磁干擾產(chǎn)生的原因
煤碳生產(chǎn)屬于高危行業(yè)之一。由于煤礦地理環(huán)境復(fù)雜，井下作業(yè)環(huán)境惡劣，存在諸多安全隱患，很容易發(fā)生事故。過去采煤的方式一直是炮采，現(xiàn)在我國大中型礦井多采用綜采，而綜采機的使用功率非常大，尤其在綜采機的啟動時，需要很大的電功率，煤礦供電網(wǎng)絡(luò)電壓因此產(chǎn)生波動；同時，井下絞車、大型水泵等設(shè)備需要進行軟啟，軟啟的使用會在礦井供電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生脈沖電壓，最終這些電磁信號會干擾礦井儀器儀表的正常工作，甚至導(dǎo)致事故的發(fā)生。即對井下智能儀器儀表產(chǎn)生電磁干擾的主要原因是煤礦大功率設(shè)備的啟動和關(guān)停所造成電網(wǎng)電壓的波動，以及軟啟的使用，會使礦井設(shè)備內(nèi)部的感性、容性器件產(chǎn)生充、放電，進而產(chǎn)生巨大的峰值脈沖，進而對礦井儀器儀表造成讀數(shù)誤差等的影響。現(xiàn)如今，井下智能設(shè)備使用日益頻繁，電磁污染已經(jīng)成為了影響煤礦實現(xiàn)自動化生產(chǎn)的巨大阻礙。
2 煤礦井下電磁干擾產(chǎn)生的危害
首先，電磁干擾會產(chǎn)生電壓波動，這種電壓的波動會持續(xù)數(shù)個周期，井下變壓器、絞車、大型水泵的使用等都會造成礦井電網(wǎng)電壓的波動。煤礦電網(wǎng)電壓的波動會導(dǎo)致井下儀器儀表測量產(chǎn)生誤差，動作裝置產(chǎn)生誤動作甚至卡死等現(xiàn)象。電壓下降是一種經(jīng)常遇到的問題。其次，電磁干擾會產(chǎn)生突波，突波會使電網(wǎng)電壓突然升高，并且會持續(xù)幾個周期，例如，當井下的大型用電設(shè)備突然停止運轉(zhuǎn)時，輸電網(wǎng)絡(luò)中的電壓就會突然增高，形成突波，突波的形成會造成井下儀器儀表的記錄數(shù)據(jù)出現(xiàn)亂碼，甚至損壞井下儀器儀表。據(jù)統(tǒng)計，井下一半以上儀器儀表故障都是由于受到了突波的干擾；同時，電磁干擾會產(chǎn)生尖波，尖波的形成則主要是因為井下大型用電設(shè)備開關(guān)以及電弧放電所造成。尖波的電壓平均為5kv，持續(xù)數(shù)0.3-4ms，尖波的危害很大，尖波不僅能夠?qū)聝x器儀表造成干擾，而且能夠破壞用電設(shè)備的輸入濾波器；再者，電磁干擾會造成波形失真，礦用電壓波形失真的主要原因是整流器、電子調(diào)速裝備等的使用所造成的， 同時，二次電源本身也會造成波形的失真，礦用網(wǎng)絡(luò)波形的失真不僅會造成井下高、低爆開關(guān)的誤動作，同時會造成儀器儀表，例如瓦斯測量儀、一氧化碳測量儀等儀器的讀數(shù)出現(xiàn)錯誤，并且，波形失真會干擾井下通信系統(tǒng)，影響中控室對井下人員命令的傳達。最后，電磁干擾會產(chǎn)生接觸網(wǎng)干擾，接觸網(wǎng)干擾是指井下的巖層中產(chǎn)生的持續(xù)不斷的脈沖群，接觸網(wǎng)干擾產(chǎn)生的原因是井下運料的鋼軌車在來回運送物料的時候鋼輪與鋼軌進行摩擦，產(chǎn)生無序的電流，這些電流在巖層中隨機流散，進而對井下的儀器儀表產(chǎn)生脈沖干擾，導(dǎo)致井下儀器儀表讀數(shù)不準確，嚴重時會造成儀器儀表的死機。
3 煤礦井下電磁干擾的解決方法
要解決電磁干擾就必須從三個因素入手: 首先，需要降低干擾度；再者，我們需要切斷干擾源的傳播；最后，我們可以想方設(shè)法去提高井下儀器儀表的抗干擾能力；由于井下環(huán)境復(fù)雜，同時一些電磁干擾源短期內(nèi)無法根除，例如綜采機產(chǎn)生的電磁干擾，因此本文從提高儀器儀表的抗電磁干擾度入手，進而提高井下儀器儀表的抗電磁干擾能力。根據(jù)以上電磁干擾的分析，提出以下四點解決方案。
3.1 加裝電源濾波器
儀器儀表通過安裝電源濾波器能夠消除煤礦用電網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生的尖波和諧波。這種濾波器的是由線圈、電容等器件構(gòu)成，亦可以說電源濾波器是由兩個相互獨立的低通濾波器所構(gòu)成，這兩個低通濾波器一個起著使共模干擾衰減的作用，一個起著使差模干擾衰減的作用，電源濾波器的特點是使儀器儀表避免差模和工模信號的干擾，最終保護井下儀器儀表的正常運轉(zhuǎn)。為了能夠保證電源濾波器起到良好的濾波效果，在安裝的時候，需要將濾波器進行接地，
同時要保證接地的面積的大小，接地面積一般需和濾波器的外殼相等。濾波器的進線與出線要遠離、不能交叉且要貼近金屬隔板固定，交流與直流要分開；濾波器的出線到直流、交流轉(zhuǎn)換模塊輸入端的連線要短并絞織，絞距不大于2cm，多余的要剪掉；濾波器地線要用導(dǎo)線引出至接地線端子，不能用外殼作接地引線；電源板和處理器采集板要分開布置，中間用金屬板隔開，金屬板要與濾波器外殼接地點保持良好接觸。
3.2 加裝磁珠
據(jù)統(tǒng)計，絕大多數(shù)電磁干擾是通過電源線傳導(dǎo)的，電源線是電磁干擾出入電氣設(shè)備的主要通道，也就是說，切斷電源線這個干擾傳輸通道，就可解決大部分電磁干擾問題。磁珠由一些特殊材料合成，通常是采用鐵鎂合金或鐵鎳合金材料制成， 磁珠的制造工藝和機械性能與陶瓷相似， 其顏色為灰黑色，其等效電路為電感和電阻組成的串聯(lián)電路。在高頻段，磁珠具有電阻特性；在低頻段，磁珠具有電感特性。電源線在穿過磁珠時，干擾的高次諧波分量被磁珠吸收并轉(zhuǎn)換成熱能耗散掉，低頻諧波分量被反射，從而使干擾受到抑制。加裝磁珠時需注意兩方面，一方面是加裝磁珠時，磁珠要加裝在儀器儀表電源濾波器的輸入端口，盡量使磁珠靠近電源接線的端子處；另一方面是加裝磁珠時，磁珠外要套上熱縮套，避免磁珠收到熱脹冷縮的影響。
3.3 隔離技術(shù)
煤礦儀器儀表采用隔離技術(shù)，目的是將井下儀器儀表器件內(nèi)部電路的輸入單元、數(shù)據(jù)處理器和輸出單元之間很好的隔離開來，避免各個單元所產(chǎn)生的電磁信號相互干擾，這樣可以降低儀器儀表內(nèi)部各功能模塊的電磁干擾度，從而提高了儀器儀表的抗電磁干擾能力。
3.4 加裝信號輸入濾波器
這種濾波器內(nèi)部由片式磁珠組成，片式磁珠是如今廣泛采用的一種抗電磁干擾器件，片式磁珠具有高阻抗的性能，能夠降低煤礦供電網(wǎng)絡(luò)中的電磁信號對儀器儀表的電磁干擾，從而提高儀器儀表的抗電磁干擾性能。
4 結(jié)語
提高煤礦儀器儀表的電磁抗干擾度是煤礦安全生產(chǎn)的有力保障，本文從加裝電源濾波器、加裝磁珠、采用隔離技術(shù)和加裝輸入濾波器這幾個方面論證了提高煤礦儀器儀表抗電磁干擾度的方法，并實際的運用中取得了很好的效果?？傊?，期望在不斷提高檢測設(shè)備的工作性能的基礎(chǔ)上，確保我國煤礦的安全生產(chǎn)。
1．基本原理
非接觸供電系統(tǒng)包括電能發(fā)送單元和電能接收單元兩部分。電能發(fā)送單元主要由交直流電源電路、功率放大輸出電路、驅(qū)動電路、振蕩電路、基準電壓電路、控制保護電路以及發(fā)射線圈L1（變壓器初級）組成：電能接收單元主要包括接收線圈L2(變壓器次級)、高頻整流濾波電路和負載組成（如圖1所示）。
非接觸供電系統(tǒng)工作時輸人端將交流市電經(jīng)全橋整流電路變換成直流電，或用直流電端直接為系統(tǒng)供電，直流電通過振蕩電路逆變轉(zhuǎn)換成高頻交流電經(jīng)功率放大輸出電路放大供給發(fā)射線圈L1。通過發(fā)射線圈L1與接收線圈L2耦合電能，接收線圈L2輸出的電流經(jīng)高頻整流濾波電路變換成直流電提供給負載。
2.特性和缺陷
基于電磁感應(yīng)原理的非接觸供電技術(shù)，發(fā)射線圈和接收線圈必須有諧振頻率一致的電磁共振，才能傳輸電能，而具有以下主要特性和缺陷：電磁共振以“電一磁一磁一電”的方式實現(xiàn)電能的傳遞，而且是一個開放的系統(tǒng)，必然存在著電磁輻射和能量的損耗，因此，近距離的實際效率很難超過80%．遠距離的狀態(tài)下，效率可能很低。因此，不符合節(jié)能的概念。
電磁能與距離的關(guān)系為電場強度與距離的二次方成反比，磁場強度與距離的四次方成反比。單純的電磁共振是不可能長距離傳輸?shù)?。通常?米處，效率不超過1%。因此，只能在近距離內(nèi)使用，一般不超過10厘米。
電磁共振可以穿透非金屬，卻不能穿透金屬。利用這個特性，可以制造出即時充電或即時供電的電器，在移動性、防水性和隔離性等方面有突出的表現(xiàn)，同樣可以應(yīng)用這個特性，來解決其自身的電磁干擾問題。選擇一個適當供電頻率使系統(tǒng)產(chǎn)生共振，則電能發(fā)射端的電磁波頻段對正常的通信、廣播沒有干擾或干擾較小，對人體或其他生物不構(gòu)成傷害，符合安全指標。
在幾個厘米以內(nèi)的近距離的電磁共振中，還存在著空振高壓問題：接收電路在負載時的電壓與空載時的電壓相差懸殊，往往是數(shù)倍甚至是十倍以上，致使接收電路在空載時，由于電壓的大幅度升高，將負載電路燒壞。是目前電磁共振的非接觸供電技術(shù)難以實用的一個重要因素。
非接觸供電技術(shù)在LED發(fā)光設(shè)備的應(yīng)用
現(xiàn)有的LED發(fā)光標志牌、LED照明產(chǎn)品等，通常采用有線方式供電、充電。因而需要通過接口和導(dǎo)線進行有線方式供電、充電，需要在發(fā)光標志牌、照明設(shè)備上安裝接口及導(dǎo)線，導(dǎo)致設(shè)備整體防水、防漏氣性能低且不可靠。無法長期使用、安裝、儲存在惡劣的環(huán)境中，如水中、礦井中或者連續(xù)潮濕的環(huán)境中。
本文探究非接觸供電技術(shù)應(yīng)用于LED發(fā)光設(shè)備可行性，把非接觸供電系統(tǒng)的電能接收端置入到LED發(fā)光設(shè)備內(nèi)。選擇適當?shù)腖ED驅(qū)動技術(shù)，設(shè)計能進行非接觸供電或充電的LED發(fā)光設(shè)備。該LED發(fā)光設(shè)備具有移動性、高度防水性、高度隔離性，適用于水下作業(yè)、礦井作業(yè)、抗洪救災(zāi)等特殊場所的安全標志牌與照明。
1．應(yīng)用實例
1.1 LED發(fā)光標志牌
本文設(shè)計的非接觸供電LED發(fā)光標志牌（如圖2所示），它由內(nèi)部非接觸供電電能接收單元、充電電池、LED、LED驅(qū)動電路、系統(tǒng)控制電路、柔性電路板、外封裝透明膠套構(gòu)成。外部由非接觸供電電能發(fā)送單元及電源構(gòu)成。
(1)電能發(fā)送單元
VOX330MP05S和VOXRIOD是近距離下的非接觸供電芯片組，解決了長期以來不能解決的空振高壓問題，使輸出電壓基本維持在一個相對穩(wěn)定的電壓范圍內(nèi)。
VOX330MP05S是一款專門針對市電電源的非接觸供電的大功率發(fā)射模塊芯片，可以將市電整流后直接給芯片供電，工作電壓范圍大，最低可低至IOOV，最高電壓至400V，具有高達1A的電流發(fā)射能力，典型工作電路（如圖3所示）。lc內(nèi)部建有振蕩、基準電壓、脈寬調(diào)制、限幅、低壓啟動、輸出推動和功率輸出等電路，完全符合電磁共振的特殊要求：VOx330MP05s自身功耗小，輸出電流大，發(fā)射效率高達70%以上：芯片內(nèi)設(shè)自動限流電路，電路在空載時電流很小，而在大負載時的輸出能力可達空載時的十倍以上：VOX330MP05S外圍電路簡單，主要元件只有一個電阻、一個電容和~個線圈，因此使用方便。配合相應(yīng)的接收模塊同時使用，就能實現(xiàn)非接觸供電。
(2)電能接收單元
VOXRIO是一款專門針對VOX系列的非接觸供電發(fā)射模塊設(shè)計的配套接收模塊芯片，可以為接收電路提供一個相對穩(wěn)定的中心電壓。VOXRIO內(nèi)部建有基準電壓、限幅、低壓啟動、輸出推動和功率輸出等電路，完全符合電磁共振的特殊要求：而且自身功耗小，輸出電流大，接收效率高達80%以上：芯片內(nèi)設(shè)自動限壓電路，電路在空載時電流很小。VOXRIO外圍電路簡單，主要元件只有一個電容、一個二極管和一個線圈，因此使用方便。
電能發(fā)送單元發(fā)射電磁波，內(nèi)部電能接收單元接收該電磁波并轉(zhuǎn)換為交流電后經(jīng)整流濾波成直流電對電池進行充電。一個電能發(fā)送單元可以對多個內(nèi)部電能接收單元發(fā)射電磁波進行充電。充電電池一般用鋰電池，但鋰電池穩(wěn)定性較差，在有易燃易爆氣體及物品的環(huán)境中采用鎳氫等電池。
(3) LED電路
一個LED與一個電阻串聯(lián)后組成一個基本單元，若干個基本單元之間可以采用串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)的方式進行連接：多個LED以陣列的形式安裝在一塊平面上組成LED點陣屏，點陣屏有各種顏色，分為單色、雙色、三色。把LED呈矩陣狀均勻布滿于柔性電路板上，可以排列組合成指標或警示性的圖標發(fā)光顯示。
LED控制電路采用微處理器控制電路，以遙控控制系統(tǒng)、觸摸控制系統(tǒng)、輕觸開關(guān)來控制系統(tǒng)實現(xiàn)，簡單的可以直接用微型按鈕開關(guān)控制電源。LED驅(qū)動電路可采用分立元件驅(qū)動電路、集成驅(qū)動電路。
(4)封裝
外封裝透明膠套用于保護整個非接觸供電式LED發(fā)光標志牌的電路，把整個非接觸供電LED發(fā)光標志牌電路牢靠包封在外封裝透明膠套內(nèi)，無任何接口，因此本文所述的非接觸供電LED發(fā)光標志牌具有高度可靠的防水、防漏氣性能。本標志牌還可以根據(jù)用戶需要，制做成不同形狀，進行單面、雙面、多面發(fā)光顯示。
1.2 LED礦燈
據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，煤礦井下瓦斯爆炸事故有三分之一以上是礦燈故障引起的，這主要是由于礦燈所使用的白熾燈泡存在的缺陷所造成的。而LED礦燈解決了白熾燈泡的安全隱患，在煤礦上大量推廣使用。LED礦燈在節(jié)能、安全性、易用性等方面與采用白熾燈的礦燈相比都有較大改進，但還存在著以下問題需要解決。
礦井下潮濕、多水、空氣混濁、灰塵大．LED礦燈采用了鎳氫電池或鋰電池為電源．LED發(fā)光二極管為光源，這些元件一但進水、進入灰塵后就易損壞，甚至報廢。閉鎖螺絲受潮后會生銹，難以卸掉，須將螺栓廢掉，浪費材料費和工時。充電接口經(jīng)常進灰堵塞，尤其水泥進到充電接口凝固后就很難去掉，影響LED礦燈充電，嚴重的就可能報廢。
本設(shè)計把電能接收端置入LED礦燈，用透明膠套把LED礦燈牢靠密封，采用非接觸供電技術(shù)，就可以解決上述問題。提高了LED礦燈的使用壽命、防爆性能、抗靜電性能，降低了LED礦燈的報廢率，減少了維修量，增加了實用性和安全可靠系數(shù)。
2.系統(tǒng)分析與構(gòu)成
對使用非接觸供電技術(shù)的LED發(fā)光設(shè)備的設(shè)計，要從三個角度考慮完成系統(tǒng)的設(shè)計：一是從器件的選擇、電路設(shè)計上盡可能的提高系統(tǒng)的效率：二是嵌入非接觸式的RFID(Radio Frequency Identification，射頻識別)技術(shù)，實現(xiàn)ID認證機制，保證系統(tǒng)的安全：三是采用MCU(Micro Control Unit，微控制器)作核心的部分，產(chǎn)生驅(qū)動電路所需的振蕩頻率，同時也需要控制RFID組件與電能接收端進行信息交互。使供電端與用電端可以用一對一、一對多、多對一、多對多和網(wǎng)絡(luò)分布方式供電。
系統(tǒng)由供電部分及工作部分組成（如圖4所示）。供電部分由MCU和供電單元組成，MCU通過RFID發(fā)射單元檢測負載位置的情況，當負載存在時，開通供電單元，進行供電。工作部分由MCU、與電能發(fā)送端相對應(yīng)的RFID組件、LED單元、受電單元和充電電池組成，受電單元主要實現(xiàn)電能的接收，受電線圈接收電能，通過整流、濾波處理后向電池和LED單元供電。MCU的外圍電路包括復(fù)位電路、參考電壓電路、串口下載電路、電源與接地、按鍵、報警等。系統(tǒng)的人機對話界面，通過顯示模塊來實現(xiàn)。工作部分、供電部分、供電管理、按鍵、顯示等功能都由MCU進行控制。
1 礦井供電系統(tǒng)的分類和等級劃分
1.1 供電系統(tǒng)的分類 在滿足電力用戶對供電可靠性要求的同時，又照顧供電的經(jīng)濟性，這是合理的供電原則之一。無論在國民經(jīng)濟中還是煤礦企業(yè)中，不同的用電戶對供電的可靠性要求不完全相同，因此通常將它們分為三類：一類負荷、二類負荷、三類負荷。
一類負荷：凡因突然中斷供電會導(dǎo)致人身傷亡事故，或損壞重要設(shè)備且難以修復(fù)，或給國民經(jīng)濟帶來很大損失者，均屬于這一類。顯然煤礦屬于一類負荷。煤礦中的通風、排水、升降人員、抽放瓦斯、醫(yī)院等也都屬于一類負荷，又稱保安負荷。因此是煤礦中最重要的用戶，要求供電絕對可靠。為此，對這類用戶的供電，必須設(shè)有備用電源和備用供電線路。
二類負荷：凡因突然中斷供電會造成大量減產(chǎn)者。如煤礦中專門用于提升煤和物料的提升設(shè)備、壓風機、井底車場、采區(qū)變電所等。
三類負荷：凡因突然中斷供電對生產(chǎn)沒有直接影響者。
1.2 供電電壓等級的劃分 目前，煤礦井下采用交流電電壓等級有：6000V、1140V、660V、380V、127V、36V。
6000V—為礦區(qū)內(nèi)高壓配電電壓或動力電壓。
660V—為井下低壓配電電壓或動力電壓。
1140V—為采煤機的專用電壓。
127V—為井下照明、手持式電鉆的電壓。
36V—為控制電壓，也叫安全電壓。
直流電壓有：250V或550V為井下架線電機車的電壓。
2 井下電氣設(shè)備的三大保護
2.1 過電流保護 過電流簡稱過流。凡是流過電氣設(shè)備和電纜的電流超過了它們的額定電流。
電氣設(shè)備和電纜出現(xiàn)過流后，一般會引起它們過流，嚴重時會將它燒毀，甚至引起電火災(zāi)和井下瓦斯、煤塵的爆炸。由此可見，電氣設(shè)備和電纜的過流是一種不正常狀態(tài)。井下常見的過流故障為短路、過負荷、斷相三種。
2.1.1 短路 短路是指電流不經(jīng)過負載，而是經(jīng)過電阻很小的導(dǎo)體直接形成回路，其特點是電流很大，可達到額定電流的幾倍、十幾倍、幾十倍，甚至更大。因為電流很大，發(fā)熱劇烈，如不及時切除，不僅會迅速燒毀電氣設(shè)備和電纜，甚至引起絕緣油和電纜著火釀成火災(zāi)，還會引起瓦斯、煤塵爆炸。
2.1.2 過負荷（過載） 過負荷不僅是指它們的電流超過了額定數(shù)值，而且過電流的延續(xù)時間也超過了允許的時間。
電氣設(shè)備和電纜過流后，絕緣繞組和絕緣導(dǎo)體的電流密度增加，發(fā)熱加劇。如果過流的延續(xù)時間很短，不超過允許的時間，電氣設(shè)備和電纜的溫度不會超過它們所用絕緣材料的最高允許溫度，因而不會被燒毀，允許繼續(xù)運行，這種情況稱為允許的過載。但是，如果延續(xù)時間超過了允許的時間，電氣設(shè)備和電纜的溫度將升高到足以損壞它們的絕緣，如不及時切斷電源，將會發(fā)展成漏電和短路故障，因此也要加以預(yù)防和保護。
引起電纜和電氣設(shè)備過負荷的原因，主要有兩個方面：一是電氣設(shè)備和電纜的容量選擇過小。另一個是對生產(chǎn)機械的錯誤操作，此外，電機的端電壓過低或電機堵轉(zhuǎn)時，將長期通過電機的啟動電流，因而是最嚴重的過負荷。
2.1.3 斷相 三相電源斷一相或三相繞組斷一相，稱為斷相或缺相、跑單相。
過流故障有如下的危害：①過流倍數(shù)較低時，引起電氣設(shè)備和電纜的溫升超限，縮短設(shè)備使用壽命。②過流倍數(shù)較高時，將導(dǎo)致電氣設(shè)備燒毀，甚至引起火災(zāi)和瓦斯、煤塵爆炸事故。過流倍數(shù)很高時，會在電網(wǎng)上造成很大的壓降，影響電網(wǎng)的正常運行。
過流保護的要求：必須有選擇性、可靠性、動作迅速、經(jīng)濟合理。
2.2 漏電保護 電網(wǎng)的漏電又分為集中性和分散性漏電。集中性漏電是指在變壓器中性點不接地的電網(wǎng)中，由于某處（或某點）的絕緣損傷而發(fā)生的漏電。分散性漏電則是由于整個電網(wǎng)或整條線路的絕緣水平降低，而沿整條線路或整個電網(wǎng)發(fā)生的漏電。
漏電的危害：①增加人身觸電的危險；②增加引起瓦斯、煤塵爆炸的危險；③可能造成電雷管先期爆炸事故；④可能引起電火災(zāi)；
漏電保護的類型有漏電閉鎖和漏電跳閘兩種。
所謂漏電閉鎖，是指在開關(guān)合閘之前對電網(wǎng)的絕緣電阻進行檢測，如果電網(wǎng)的對地絕緣電阻值低于規(guī)定的漏電閉鎖動作電阻值，則使開關(guān)不能合閘，起閉鎖作用。其多裝在用于直接控制和保護電機的磁力起動器上。漏電跳閘保護通常是由檢漏保護裝置配合自動開關(guān)來實現(xiàn)。
2.3 保護接地 保護接地就是把電氣設(shè)備的金屬外殼和框架，用導(dǎo)線與埋在地下的接地極連接起來的一種保護措施。
2.3.1 保護接地的作用：主要起著分流的作用，可以減少通過人體的電流和產(chǎn)生電火花的能量，從而避免人身觸電事故和瓦斯、煤塵爆炸事故的發(fā)生。
2.3.2 保護接地網(wǎng) 從保護接地的原理可以得知，保護接地裝置的保護作用是否可靠，關(guān)鍵在于是否能將它的電阻值降低到規(guī)定的范圍以內(nèi)。我們通常把單個電氣設(shè)備的接地極稱為局部接地極。在安裝時也要采取一些措施來降低接地極的電阻。但仍往往降低不到需要的數(shù)值，使它滿足規(guī)定的要求。因此為可靠地預(yù)防人身觸電和瓦斯、煤塵爆炸事故的發(fā)生，對井下電氣設(shè)備要求建立保護接地網(wǎng)。
3 安全用電常識
隨著電氣化程度的迅速提高，盡管井下設(shè)置了漏電保護和保護接地等保護措施來預(yù)防人身觸電事故的發(fā)生，但觸電事故還是時有發(fā)生。
3.1 造成觸電事故的原因
3.1.1 保護裝置人為或意外的失靈。有些人片面追求生產(chǎn)，忽視安全，人為的甩掉漏電保護裝置，放松對漏電保護和保護接地裝置的管理，使它們不能可靠地起到保護作用，造成觸電事故的發(fā)生。
3.1.2 電機車架線引起人身觸電事故。
3.1.3 臨時性的用電設(shè)備，不按規(guī)定標準進行管理，易造成人身觸電事故。
3.2 觸電的危險
3.2.1 觸電的危險和分類 人體觸及裸露的帶電導(dǎo)體或觸及因絕緣損壞而帶電的電氣設(shè)備的外殼，都會引起人身觸電事故。
觸電對人體的危害一般分為電擊和電傷兩種情況。電擊是指觸電時電流通過人體的內(nèi)部，破壞體內(nèi)器官，多數(shù)情況會致人死亡，所以是最危險的。
電傷是指電流瞬時通過人體的某一局部，造成對人體外表器官的破壞。
3.2.2 觸電危險的有關(guān)因素 電擊對人體危害程度和以下主要因素有關(guān)：①電流的大小；②電流的種類；③電流通過人體的時間；④人身電阻；⑤接地電壓；⑥電流通過人體的途徑；⑦、人的生理狀態(tài)；
3.3 預(yù)防觸電的方法 一般措施：①防止人身接觸或接近帶電導(dǎo)體；②降低使用電壓；③嚴格遵守各項安全用電作業(yè)制度；
3.4 觸電后的急救 人觸電后，首先應(yīng)切斷觸電者的電源，使觸電者與電源相脫離。脫離電源的方法很多，如拉掉開關(guān)、用絕緣物品將人身與電源拉開等。
0.引言
提升機在礦井中擔負著升降人員、提升礦物、運送材料以及升降設(shè)備、工具等項任務(wù)，它是溝通礦井地面與井下的運輸設(shè)備，是礦井的重要設(shè)備之一，對礦井生產(chǎn)起著非常關(guān)鍵的作用。
礦井提升機有交流拖動和直流拖動兩種，是電力傳動技術(shù)的典型應(yīng)用。進入20世紀90年代，隨著計算機控制技術(shù)和電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，在提升機拖動系統(tǒng)中，采用“電動機+可控硅變流+全數(shù)字調(diào)節(jié)+PLC控制+上位機監(jiān)控”的全數(shù)字控制方式已成為一種發(fā)展趨勢。提升機采用全數(shù)字控制技術(shù)具有如下優(yōu)點：
（1）硬件結(jié)構(gòu)簡單，故障點少，可靠性高。
（2）可控精度高，工作穩(wěn)定性好。
（3）故障自診斷能力強，大大降低了使用維護成本。
（4）具有較高的可購置性，擴展方便，運行靈活性高。
（5）可與其他系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)現(xiàn)代化管理。
（6）運行效率高，能耗低。
礦井提升機采用全數(shù)字控制技術(shù)，綜合了電機、電力電子、自動化、計算機控制等多種學(xué)科，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大變化，硬件大大簡化，軟件實現(xiàn)的功能不但越來越復(fù)雜，而且日新月異。下面結(jié)合益新礦2JK5×2.3絞車所用的直流ASCS系列PLC電控系統(tǒng)說說直流電控系統(tǒng)在絞車上的應(yīng)用。
益新礦2JK5×2.3絞車原來所采用的JKMK/J型電控系統(tǒng)。高壓電路采用仿蘇CG5型換向器，轉(zhuǎn)子調(diào)速10級交流接觸器（CJ12-600A/380V）切換外加電阻，邏輯控制電路為繼電器接觸器組成的有觸點邏輯系統(tǒng)。這種控制系統(tǒng)分立元件連接復(fù)雜，出事故不易查找，安全保護單線控制，后備保護不齊全，可靠性差，觸點、觸頭空氣氧化接觸不良和電弧燒傷故障率高；轉(zhuǎn)子調(diào)速性能差，沖擊電流大，機械碰撞及磨損嚴重，同時縮短了電機減速器、接觸器外加切換電阻等設(shè)備壽命；高壓換向器絕緣老化，遇陰雨潮濕天氣，短路放炮，嚴重威脅礦井提升安全。將這種電控系統(tǒng)進行改造已勢在必行。
近年來，PLC可編程序控制器得到了驚人的發(fā)展，技術(shù)趨于成熟，性能優(yōu)越可靠。老絞車經(jīng)改造后，將老式電控改造為直流ASCS全數(shù)字調(diào)控電控系統(tǒng)，技術(shù)特點如下：
（1）高壓電源開關(guān)，高壓換向器真空化。高壓換向器設(shè)置正、反之間，高低壓之間機械電氣閉鎖，結(jié)構(gòu)科學(xué)合理。真空化消弧特性好，絕緣狀態(tài)高。高壓換向器閉鎖消除了高低壓間、正反向間短路事故。
（2）轉(zhuǎn)子調(diào)速回路，采用可控硅20級編碼啟動專利技術(shù)，一是實現(xiàn)無觸點切換，避免觸頭拉弧燒損和噪音，二是啟動特性曲線平滑，沖擊電流小。
（3）低頻電源裝置，技術(shù)成熟，運行安全可靠。低頻拖動平穩(wěn)，減少了對裝載、卸載系統(tǒng)裝備的機械沖擊。
（4）最新西門子S7-300型PLC控制器，取代原來的繼電器接觸器的有觸點邏輯控制方式，實現(xiàn)數(shù)字程序化控制，簡化了控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。設(shè)置雙PLC實現(xiàn)了兩線制保護。
（5）上位計算機顯示提升機運行狀況，各運行參數(shù)、保護狀態(tài)直觀明了，便于查找事故和維護，提升機實時監(jiān)控運行。
（6）有擴展功能，可與局域網(wǎng)連接，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理。
1.ASCS電控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征
1.1 ASCS電控系統(tǒng)設(shè)備總體結(jié)構(gòu)
ASCS系列電控設(shè)備總體結(jié)構(gòu)包括：高低壓配電、變壓器、變流柜、PLC控制柜、全數(shù)字調(diào)節(jié)柜、操作臺、監(jiān)控系統(tǒng)等組成。
1.2 PLC柜結(jié)構(gòu)及工作原理
1.2.1 PLC柜主要技術(shù)參數(shù)
（1）供電電源：一路為單相200VAC，另一路為三相380VAC。
（2）內(nèi)含兩臺PLC，輸入/輸出信號為：
A、16路（可擴展）模擬量輸入，電壓范圍±10V。
B、128路（可擴展）直流24V/0V開關(guān)量輸入。
C、32路（可擴展）繼電器輸出（接點容量為220V，5V）。
D、8路（可擴展）模擬量輸出，電壓范圍±10V。
1.2.2 PLC的原理
最初研制生產(chǎn)的PLC主要用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)的由繼電器接觸器構(gòu)成的控制裝置，但這兩者的運行方式是不相同的：
繼電器控制裝置采用硬邏輯并運行的方式，即如果這個繼電器的線圈通電或斷電，該繼電器所有的觸點在繼電器控制線路的那個位置上都會立即同時動作。
PLC的CPU則采用順序邏輯掃描用戶程序的運行方式，即如果一個輸出線圈或邏輯線圈被接通或斷開，該繼電器的所有觸點不會立即動作，必須等掃描到該觸點時才會動作。
為了消除二者之間由于運行方式不同而造成的差異，PLC采用了一種不同于一般微型計算機的運行方式：掃描技術(shù)。這樣在對于I/O響應(yīng)要求不高的場合，PLC與繼電器控制裝置的處理結(jié)果上就沒有什么區(qū)別了。
1.2.3 PLC柜的工作原理
PLC柜由2臺PLC組成，采用SINMENS S7300。PLC通過輸入模塊接受外部的數(shù)字量/模擬量信號輸入，PLC接受到這些輸入信號后，將它們存放在CPU的輸入存儲區(qū)，CPU根據(jù)預(yù)先編好的程序，對輸入信號進行運算、處理，其結(jié)果存放在CPU的輸入存儲區(qū)，然后將這些處理結(jié)果通過輸出模塊輸出數(shù)字量/模擬量信號，控制繼電器的得電/失電或指示燈的開熄，從而達到邏輯控制的目的。PLC用于邏輯控制時，其功能相當于多個無觸點繼電器的邏輯組合。PLC具有內(nèi)部定時器及內(nèi)部計數(shù)器功能，可以實現(xiàn)定時控制邏輯和脈沖計數(shù)。PLC軟件采用STEP7程序設(shè)計語言編寫，使用一根編程器和PLC，當程序編寫完成后，通過編程口將程序下載到PLC的CPU RAM程序存儲區(qū)中，則PLC可脫離編程器而獨立運行CPU中的程序，以實現(xiàn)各種不同的控制目的。
2.ASCS輔助裝置
2.1上位機監(jiān)控系統(tǒng)
上位機用于監(jiān)控提升系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)，即時反映故障發(fā)生情況，保存故障信息。它可顯示罐籠位置、提升速度及速度圖、高低壓供電回路、液壓制動系統(tǒng)和故障信息等畫面。反映提升機所有的運行參數(shù)和運行狀態(tài)以及故障類型和故障發(fā)生時間，使司機對提升機的運行狀態(tài)一目了然，從而實現(xiàn)安全、高效地操作提升機。
該監(jiān)控系統(tǒng)共設(shè)有7個主要畫面，分別是：提升系統(tǒng)、高低壓供電系統(tǒng)、液壓制動系統(tǒng)、速度圖、故障信息歷史記錄、電控系統(tǒng)原理圖及歡迎畫面。
2.2輔助裝置
ASCS輔助裝置主要是傳感器件，具體有井筒開關(guān)、測速機、編碼器等。
井筒開關(guān)：選用磁性非接觸開關(guān)，分別設(shè)置在井筒中過卷、齊平、同步、減速點等位置。
測速機：選用與軸編碼器一體化的進口產(chǎn)品，安裝在驅(qū)動輪上或電機側(cè)。
近年來，隨著各種專用集成電路地不斷涌現(xiàn)，單片機控制技術(shù)地快速普及，電動機產(chǎn)品也得到了不斷更新，直流無刷電動機適應(yīng)社會發(fā)展而產(chǎn)生。傳統(tǒng)的直流電動機因為具有眾多不足之處，比如：有機械摩擦和噪音、易于受無線電的干擾、造價比較昂貴、壽命較短、維修難度大等，所以應(yīng)用的范圍非常受限制。而直流無刷電動機是一種改進型的電動機，它具備了直流電動機和交流電動機雙方的運行特性，適用的范圍比傳統(tǒng)的直流電動機要廣泛許多。本文主要論述了直流無刷電動機在礦井通風機中的具體應(yīng)用。
1 直流無刷電動機
直流無刷電動機簡稱為BLDC，它并非真正意義上的直流電動機。與有刷的電動機不同，直流無刷電動機是一種不依靠機械的電刷裝置。它的基本運作原理是：在方波自控式永磁同步電動機的基礎(chǔ)上，將霍爾傳感器取代碳刷換向器，然后借用釹鐵硼等材料制作出高質(zhì)量的轉(zhuǎn)子。無刷直流電機的轉(zhuǎn)子由永磁體按一定的極對數(shù)組成，定子繞組一般分為三相、四相、五相不等，但只有一個電動機本體是無法工作的， 這是直流無刷電動機區(qū)別于其它電動機的一個特征。直流無刷電動機還需要相應(yīng)的位置傳感器和電子開關(guān)電路，當定子位置傳感器將轉(zhuǎn)子的位置變換為電信號后，控制電子開關(guān)電路，使定子各相繞組按一定次序通電（ 換相），就會使電機連續(xù)運轉(zhuǎn)。與傳統(tǒng)的直流電動機相比較，直流無刷電動機作業(yè)效率更高，效果更好。直流無刷電動機對于礦井通風機而言可謂是革命性的成功。
2 礦井通風機中的電氣傳動系統(tǒng)
在煤礦中，礦井通風是一件十分必要和不得不做的事情。礦井中的空氣需要時常更換，必須保證有足夠的清新空氣流入，否則嚴重影響礦工的身體健康。礦井中的有些空氣和粉塵甚至是有毒的，所以必須通過通風來加以排除。滿足工作人員的基本需求，確保工作的安全，為曠工提供一個良好的工作環(huán)境，是一個煤礦必須要考慮和解決的事情。由此可見，礦井通風的重要性和必要性。為了使礦井下的氣流能夠沿著指定的線路流動和分配，必須建造引導(dǎo)控制風流的構(gòu)筑物，即通風設(shè)施。在礦井通風設(shè)施中，電氣傳動系統(tǒng)占有重要的地位。
2.1 電氣傳動系統(tǒng)的組成
電氣傳動系統(tǒng)主要由三個部分構(gòu)成，包括電源裝置、電動機及控制裝置。電源裝置通常是采用由普通晶閘管或者可關(guān)斷晶閘管等新型電子器件構(gòu)成的變流裝置，也可以采用電力電子的變流裝置與交流母線的供電裝置混合而成的電源裝置。而其中的電動機一般是采用交流電動機。對于那些不采用電動機進行連續(xù)的速度調(diào)節(jié)的傳動系統(tǒng)，常用交流母線供電裝置作為電源裝置，它與電氣控制裝置組成了電控系統(tǒng)。
2.2 電氣傳動系統(tǒng)的一般要求
煤礦中通常都設(shè)有通風機房，而在通風機房里一般設(shè)置有兩套礦井通風機和傳動電動機，相應(yīng)設(shè)置的有兩套獨立的電控設(shè)備，分別用于工作和日后備用。礦井通風機的電氣傳動系統(tǒng)是確保礦井安全生產(chǎn)的關(guān)鍵性設(shè)備，所以必須保證電氣傳動系統(tǒng)的可靠性，同時能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)濟運行。礦井通風機有其自身的特點，例如：負荷相對比較平穩(wěn)、啟動轉(zhuǎn)矩相對較小等等，一般情況下會常使用母線供電和電氣控制的交流電動機。而為了達到通風和節(jié)能兩方面的目的，礦井通風時最好經(jīng)過相應(yīng)的經(jīng)濟和技術(shù)比較后，再來確定要運用的電氣傳動系統(tǒng)。
3 直流無刷電動機在礦井通風機中的應(yīng)用
直流無刷電動機具有多相的定子繞組和由永久磁鋼按一定的極對數(shù)組成的轉(zhuǎn)子，定子繞組某相通電之后，電流會與轉(zhuǎn)子的永久磁鋼產(chǎn)生相互作用，出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩，達到驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的目的。位置傳感器的功能是把轉(zhuǎn)子的位置變成電信號，使定子繞組按一定的順序來通電。直流無刷電動機主要由電子開關(guān)線路、電機本體和位置傳感器三個部分構(gòu)成。直流無刷電機調(diào)速系統(tǒng)有比較理想的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)性能和轉(zhuǎn)矩控制能力，具有高效和高可靠性的優(yōu)點，在電力推進領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。實際上直流無刷電動機的組成部分有電動機的主體和驅(qū)動器的主體。三相對稱星形接法是直流無刷電動機的定子繞組方式，和三項異步電動機比較，兩者雖然有相似之處，但是也存在本質(zhì)上的不同。對于直流無刷電動機，相關(guān)技術(shù)研究者已將沖過磁的永磁體粘附其上，然后在內(nèi)部裝置一部位置傳感器，以達到檢驗直流無刷電動機的轉(zhuǎn)子所蘊含的極性目的。直流無刷電動機的驅(qū)動機由功率電子器件和集成電路兩部分構(gòu)成。這兩部分在礦井通風機的工作過程中發(fā)揮著非常重要的作用。主要作用如下：第一，控制直流無刷電動機的正常開啟和停止，同時也能控制它的緊急制動，防止在關(guān)鍵時候直流無刷電動機影響礦井通風機的工作效率；第二，這兩個器件的作用可以幫助位置傳感器的信號的正確傳播，連續(xù)產(chǎn)生高速度的轉(zhuǎn)矩；第三，在接受速度指令的同時，還可以保證轉(zhuǎn)速的正常調(diào)整和相關(guān)的控制；第四，在相關(guān)的集成電路上，可以保障礦井通風機運作頻率的顯示和相關(guān)的保護措施。
4 結(jié)束語
直流無刷電動機作為一種新型的電動機現(xiàn)已運用到社會各行業(yè)中，其自身具備的種種優(yōu)點為很多工作帶來了便利，得到了大家的充分肯定。直流無刷電動機克服了傳統(tǒng)電動機的很多不足之處，有其突出的優(yōu)勢。與此同時也應(yīng)明白傳統(tǒng)的電動機也不是一無是處的，如果將直流無刷電動機與先前電動機完美結(jié)合，不僅能更好的發(fā)揮兩者在作業(yè)中的作用，且可以促進各項工作的順利開展。礦井通風機對煤礦而言十分重要，因此，直流無刷電動機在此方面有廣闊的市場，當下，繼續(xù)研究直流無刷電動機，將其運用于礦井通風中十分必要。
參考文獻
[1]錢建中.直流無刷電動機及其控制[J].寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2004，8（1）：77-78
