现代电力电子技术在煤矿电气的应用

　　【摘 要】煤炭行业的电力消耗量约占总能耗的67%。

　　现国有统配煤矿基本实现了机械化，但电气化仍较落后。

　　从电气传动技术及其装备水平看，工业技术先进国家的电力拖动系统中，采用变频调速技术已达到70%～80%，而我国不足10%，煤矿的应用水平则更低。

　　而矿井的电能消耗中，电机消耗的电能占了近90%。

　　该文介绍电力电子技术的发展和应用前景，通过在煤炭企业的应用实例，论述了煤炭企业电力电子技术的推广应用可以节约一定的电能。

　　【关键词】电力电子;技术煤矿;节能

　　1.现代电力电子技术在煤矿电气的应用

　　传动系统中的应用国际上，技术先进的产煤国家，井下使用现代电力电子技术和装备已相当广泛。

　　如调速变频电牵引采煤机，风机、水泵、提升机等矿用设备调速系统;原不调速系统实现变频调速;原直流调速系统正被交流变频调速系统逐步代替。

　　1.1提高生产工艺流程自动化控制系统智能化水平

　　电气传动自动化技术是以生产机械的驱动装置—电动机为自动控制对象、以微电子器件(包括微计算机系统)为核心、以电力电子装置为执行机构，在自动控制理论指导下，按给定的规律控制电动机的转速进行自动调节，以满足生产工艺的最佳要求，达到提高效率、降低能耗、提高产品(或系统运行)质量、减少系统环节、降低劳动强度的优化效果。

　　现代变频装置的智能化程度比较高，自身具有很强的保护功能，对于被驱动负载来说，它既是一个功能很强的控制环节，又是很准确的电动执行机构。

　　作为电气传动自动化系统，可称得上是控制和执行器的机电一体化环节。

　　采用此项技术和设备，不但可容易地实现较高性能的单机自动化，而且实现矿井的顺槽自动化控制要简单和容易得多。

　　1.2提高电气传动系统的机电一体化水平，减小驱动设备占用空间

　　电气传动系统的机电一体化是现代矿井采、掘、运、提等大型生产装备机电一体化的最重要组成部分，这不但可有效地提高生产工艺流程自动化控制系统智能化水平，而且可有效地减小设备占用空间。

　　由于井下空间有限，限制了装备的体积及使用范围：缩小装备的体积可以有效地减少恫室开挖量，节约投资。

　　随着现代电力电子技术的不断发展和进步，发展无机械齿轮机，技术已日臻成熟，并且已进入实用阶段。

　　如：交流主轴驱动系统、滚筒内装电动机式提升绞车等已投入使用，既减少了机械传动环节系统体积，又有效地提高了整体的传动效率，为矿井电气传动系统改造提供了诱人的新技术前景。

　　2.现代电力电子技术在电机调速及拖动中的应用

　　矿井中电机是耗能大户，并且集中在提升机电机通风机电机、主排水泵电机、压缩机电机以及采煤机电机等几个大型电机上，耗能比较集中，因此为实现电力电子技术改造提供了方便。

　　以TKD和JKMK系列提升机电控系统为主的交流提升电控系统在我国使用最为普遍，这些控制系统都是采用转子附加电阻来调速的。

　　由于交流提升机在减速段机械特性软调速性能较差，后来又出现直流调速提升机，由于在开始发展直流控制系统时电力电子技术特别是大功率电力电子元件及控制模块还不是很成熟，因此这种直流调速方案主要采用F—D系统(直流发电机拖动直流电动机)。

　　这种系统中拖动发电机的电动机除了检修以外，一般停机，因此电能浪费严重，以某矿副井提升机为例：该矿副井提升机采用的是直流F—D直流拖动系统，提升电机的功率是1250kw，为其提供直流电源的是功率为1450kw的直流发电机，拖动发电机的是功率为1600kw的交流同步电动机，在提升机进行电力电子技术改造前每个月的耗电量在40—45万kw·h之间。

　　除此之外，整个控制系统仍然采用传统的继电器控制，所有参数也是模拟量，因此控制复杂、故障率高、参数易变、维护量大，每年的维修费用15万元左右，维修时间超过500h。

　　该矿于2004年5月对电控系统进行改造，改造成电力电子整流直流调速系统，整套系统采用进口整流控制柜和PLC控制系统。

　　改造后，每月电量消耗在20万kw·h左右，节能非常明显，两年内节约的电费就收回了项目投资。

　　同时控制系统数字化、模块化，结构紧凑、集成度高、故障率低、维护方便，年维修费用2万元以下，年维修时间200h左右。

　　节能效果良好，经济和社会效益明显。

　　相对于直流调速系统，交流电机费用低、结构简单、维护方便，因此受到用户的青睐，特别是交流电机的变频调速性能和直流调速基本相似，因此变频调速的发展速度很快，并且有逐步取代直流调速的趋势。

　　交流电机采用变频技术相对直流电机采用直流调速性能基本相似，但是变频技术相对直流调速方案总体经济效益较好，这一点在电梯调速方面的成功应用可以得到验证。

　　煤炭企业大功率电机直接使用变频调速的难度在于电机的额定电压以6kv为主，应用高压交流电机和高压变频调速的方案目前还没有一个成功应用的例子。

　　随着变频技术的进步，具有内置式PID以及张力卷取软件、速度级链速度跟随以及电流平衡等功能的大功率高压变频器技术的成熟。

　　目前的矿用提升机交流电控系统除了调速性能不理想外其转子串接的加速电阻也消耗部分电能，而且维修量大。

　　矿用刮板输送机和带式输送机是煤矿生产的重要设备之一，这些设备启动频繁，负荷变化大，目前使用的启动设备大多数采用普通磁力启动器配液压联轴器，启动效果不很理想，同时也无法达到节能效果。

　　随着隔爆型变频器技术的成熟，矿用运输设备采用变频器是完全可行的，而且可以同时达到节能和软启动的目的。

　　但是隔爆型变频器造价高，推广起来有一定的难度，不过现在国内有的企业通过和国外技术合作、引进或自制研制成功了隔爆型节能软启动开关，这种开关造价比变频器低，还可以通过调整输出电压来达到节能的目的，在目前条件下，这种开关还是值得推广的。

　　3.现代电力电子技术的其它应用

　　煤炭企业一般距离市区较远，因此煤矿的工人村都有相对对立的物业管理体系，例如必须具备对立的供水系统。

　　现在大多数矿山工人采用的都是定时供水制，只在规定的时间内供水，供水的时候，就是用水的高峰期，每个用户还要用容器存一部分水备用，实际上并不一定能用完，长流水的地方也比较多，因此造成水资源和电能的浪费。

　　另外，由于用水集中，为了保证有足够的水压，供水的水泵和电机都比较大，因此也造成了设备资源的浪费。

　　全自动无塔变频供水装置这项技术在全国推广使用已经好几年了，这项技术投资少，自动化程度高，同时还可以达到节水节能的目的，但是在煤炭企业应用还不是太广泛，还没有认识到其优势。

　　某矿工人原来使用的也是定时供水制，自从改造成全动无塔变频供水以后，节约水资源10%以上，节约电能15%以上，而且还可以保证全天候供水，方便了居民生活，经济和社会都很好。

　　我国于1996年正式启动绿色照明计划，绿色照明计划的关键就是利用电力电子技术开发节能光源和节能灯具。

　　煤矿井下大量使用照明，目前矿井使用的照明设备以普通荧光灯白炽，因此大规模推广使用节能灯具有着重要意义。

　　以百万吨矿井生产照明用电容量为50kw计算时，推行节能技术可以节约电量15%，全国年产原煤12亿t，年节约电量近80GW时，细算起来是一个不小的数字。

　　但是，我国在开发成本低、电磁污染低、可靠性高的性能先进的电子整流器方面，特别是能适应煤矿井下恶劣条件的先进节能灯具技术还不是很成熟。

　　4.结论

　　电机是感性负载，功率因数低，负载变化大，节能的空间很大。

　　节能的关键在于先进的节能设备的使用或对现有设备的技术改造。

　　电机类负荷的节能方法主要是电力电子器件，而我国煤炭企业在电力电子技术的应用不仅无法和国外先进水平相比，即使和国内其他行业相比也落后很多。

　　因此，煤炭企业电力电子技术的改造应用具有广阔的前景和良好的经济效益。

　　现代电力电子技术【1】

　　摘要：电力电子技术是利用电力电子器件对电能转换技术的控制。

　　如果微电子技术是信息处理技术，电力电子技术就是电力处理技术。

　　电力电子技术是衔接控制、电子和电力的三大电气工程技术的交叉科学的融合。

　　由于新型的功率电子器件的广泛使用，使电子技术的发展大大超出信息处理和信息传输为主的弱电范围。

　　而在交流电源的电压和频率变换技术方面，得到进一步开发。

　　并且日益普及应用于工业生产中，使电子技术开辟了新的技术领域一一电力电子技术.随着工业设备机电一体化的技术改造，将使工业生产呈现新的面貌。

　　关键词：浅谈 现代 电力电子技术

　　现如今的高新技术有很多都是和电网的相位、电压、电流和频率等基本参数的转换与控制相关。

　　现代电力电子技术能实现对这些参数的高效处理与精确控翻，对大功率的电能频率的变换能够得到很好的实现，这样可以支持多项高新技术的发展。

　　1 现代电力电子技术的内涵

　　现如今电力电子技术主要是处理的对象时功率，主要是来实现高效率和高品质的用电。

　　电力电子技术主要通过电力半导体器件和自动控制技术、计算机和电磁技术的三者综合运用来实现获取、传输、变换和利用。

　　在各种高质量、高效和高可靠性的电源中能够起到非常重要的作用，可以让当代的电力电子技术得到很充分的运用。

　　功率IGBT和MOSFET是非常具有代表性，其功率半导体复合器件主要具有高频、高压和大电流等的特点。

　　这类的特点也意味着传统的电力电子技术不能够适应现如今的社会发展，电力电子技术已经进入了一个全新的高速发展的时代。

　　具有功能驱动、节能明显和先进等特点的IGBT，MOSFET等新型电力电子器件，所以可以在新型家电、感应加热、通信、计算机电源和电动交通工具等领域中有很好的发展前景。

　　2 现代电力电子技术的历史沿革

　　电子技术和微电子技术在80年代以来在各自的发展滞后得到了有效的结合，也就产生了全新概念的全控型的高频化电力电子集成器件。

　　可关断晶体管(GTO)电力晶体管(GTR)以及此类晶体管的模块也得到了实用化。

　　从此滞后，各种高频化和全控化的新型器件也相继出现，例如(功率MOSFET)绝缘门板晶体管(IGT或IGBT)、静电感应晶体管(SIT)、静电感应晶闸管(srrH)、MOS晶阐管(MCT)，MOS晶体管(MGT)。

　　这也意味着一个具有高频化和全控型的全新电力电子器件时代的诞生，传统的电力电子技术即将被淘汰。

　　代电力电子技术大跨步进入高速发展的新时代。

　　新一代电力电子器件的特点主要有多功能化、高频化、全控化和集成化。

　　新型多功能的器件的出现促进了控制系统和变流电路的技术不断发展和成熟。

　　现如今电力电子技术主要是由各种PWM电路、高频斩波电路和脉宽调制双零谐振电路组成。

　　因此从今天的时代进入变频器，极大地丰富了电力电子技术的功能，不断开拓新的应用领域的时代的传统不断变化的需求的电力电子技术。

　　3 现代电力电子技术的发展

　　电力电子技术的发展自从20世纪90年代以来主要具有两个方面的特点：电子技术与微电子技术的不断完善结合和现有的各类新型电力电子技术器件参数的不断完善和提高。

　　电力电子器件的发展特点使其迅速的想着大容量化和智能化的方向不断的发展，也预示着一个电力电子技术来到全新的时代。

　　电力电子技术是多技术和多学科的相互渗透和创新结合的技术，在工业领域中对具有很强的渗透性。

　　80年代后期，主要是以各种PWM电路和全控型新器件的现代化电力电子技术为代表。

　　在此时代主要是家用电器等、交流电气牵引以及交流调速系统等领域运用的比较频繁。

　　这个时代的发展预示着电力电子技术进入了新的发展阶段。

　　在这个时代的电子电力系统当中，大型机组工作状态的改变和运转变流装置起着非常重要的作用。

　　现代主要是给与直流输电以及系统运行的成熟控制和测试等安全保护提供一些技术手段。

　　超导磁浮铁道系统主要有机车牵引、轻轨车以及地铁在电力电子技术应用领域已经非常普及。

　　日本在火车在高速运行时有PWM逆变交流牵引系统取代原来的直流系统的技术是世界第一。

　　先进的国家都非常的关注超导磁浮铁道系统的研究，其能够让火车高达500公里每小时。

　　这样能够解除交通压力和提高运输能力，对国民经济的发展有着非常重要的作用。

　　现如今的电力电子技术是传统产业和信息产业的主要是被控强电、弱电和接口桥梁。

　　此技术的发展能够提高生产效率、降低消耗和节能。

　　4 结语

　　电力电子技术能能够让国家的基础产业得到非常快速的发展，其与国家发展的方针和政策的配合下能够在21世纪显得尤为重要。

　　因此，电力技术成为了21世纪可持续发展不可或缺的组成部分，成为高科技产业链的关键所在，能够推动我国的工业技术创新。

　　参考文献

　　[1]刘莉宏.现代电力电子技术的发展及其应用[期刊论文]《北京工业职业技术学院学报》，2006年3期.

　　[2]赵玉冰.浅谈现代电力电子技术的应用和发展[期刊论文]《科技咨询导报》，2007年3期.

　　[3]王学礼.现代电力电子技术的应用与展望[期刊论文]《电气时代》，2003年8期.

　　[4]李永东，张笑.微节能—现代电力电子技术的重要应用领域[会议论文].中国电机工程学会电力工业节能技术学术研讨会.1999.

　　现代电力电子技术的应用【2】

　　【摘 要】随着现代通讯技术、计算机技术的进步，科学技术得到迅速发展，而电力电子在这其中发挥了不可估量的作用。

　　电子技术最早用于通讯、广播，而如今已渗透到新型武器、电子医疗器械、电气化设备、人造地球卫星和宇宙飞船等领域，给各个领域都带来了巨大的影响，没有电子技术这个极富生命力的领域的迅猛发展，就没有当代高速发展的物质文明和精神文明。

　　【关键词】电力系统 开关电源 不间断电源

　　一、电力电子技术的发展

　　1957年美国通用电气公司研制出了第一个晶闸管，标志着电力电子技术的诞生。

　　而1958年以集成电路的诞生为标志的微电子技术带动了一系列高新技术产业的发展，标志着第一次电子技术革命的开始。

　　现代电力电子技术的发展方向，是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学，向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。

　　电力电子器件按照能被控制电路信号所控制的程度分为不可控器件、半控型器件和全控型器件。

　　不可控器件主要指电力二极管、该二极管虽不可控，可因为结构简单，使用方便成本低，仍被广泛应用。

　　半控型器件主要指晶闸管，由它所组成的电路灵活成熟、开关损耗小、开关时间短，在电源、通用逆变器、电机控制等电路中应用广泛。

　　但驱动电流大、耐浪涌电流能力差、容易受二次击穿。

　　以电子技术和微电子技术的发展为背景，全控型器件是在八十年代末期和九十年代初期发展起来了，主要有电力晶体管(GTR)、电力场效应晶体管(电力MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)。

　　其特点是集高频、高压和大电流于一身，是大型的功率半导体复合器件，全控型器件的诞生表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。

　　二、现代电力电子的应用领域

　　(一)电力系统及节能方面

　　电力电子技术在电力系统领域中的应用着非常广泛和重要，在发电通过改变设备的运行特性为主要目的;而电子技术在高压输电领域的应用，极大的提高了电网运行的稳定性，被称为“硅片引起的第二次革命”;在配电领域，则通过电力电子装置来防止电网瞬间停电、瞬间电压跌落、闪变等，以进行电能质量控制，加强供电可靠性，改善供电质量。

　　同时还通过减少无功损耗，提高功率指数，来达到节能的目的。

　　在发达国家有60%以上的电能至少经过一次以上的电力电子变流装置进行处理。

　　通过这种处理可以节约能源和提高用电设备的性能。

　　直流输电在长距离、大容量输电中有很大的优势，其送电端的整流阀和受电端的逆变阀都使用晶闸管变流装置。

　　(二)交通运输

　　电子技术在铁路运输、船舶、航天、电动汽车等行业都有广泛的应用，称为新兴产业不可缺少的重要技术。

　　新型环保绿色电动汽车与混合动力电动汽车都正在积极的发展中。

　　汽车是靠汽油引擎的运行发展起来的一种机械，它排出大量的二氧化碳与其他废气，严重污染了环境。

　　而绿色电动汽车的电机用蓄电池为能源，靠电力电子装置来进行电力变换与驱动控制，其蓄电池的充电也是离不开电力电子技术的。

　　显然，未来电动汽车大有可能取代燃油汽车。

　　而在电气机车中的直流机车就是采用整流装置来供电的，而交流机车则采用变频装置来供电，都离不开电子技术的应用，直流折波器和铁道车辆、磁悬浮列车中的电力电子技术更是关键技术的应用实例。

　　船舶、飞机也需要各种不同要求的电源，所以航海、航空都离不开电力电子技术。

　　(三)开关电源

　　首先高速发展的计算机技术在带领人类进入了信息社会的同时，也促进了电源技术的迅速发展。

　　八十年代，计算机全面采用了开关电源，率先完成计算机电源换代。

　　接着开关电源技术相继进入了电子、电器设备领域。

　　开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。

　　线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源。

　　随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。

　　高频开关电源(也称为开关型整流器SMR)通过MOSFET或IGBT的高频工作，开关频率一般控制在50-100kHz范围内，实现高效率和小型化。

　　近几年，开关整流器的功率容量不断扩大，单机容量己从48V/12.5A、48V/20A扩大到48V/200A、48V/400A。

　　开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化，关键技术是高频化。

　　由于开关电源轻、小、薄的特点，其应用日益广泛。

　　现在开关电源产品广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热、空气净化器，电子冰箱，液晶显示器，LED灯具，通讯设备，视听产品，安防监控，LED灯袋，电脑机箱，数码产品和仪器类等领域。

　　(四)不间断电源(UPS)

　　电子技术带给计算机领域的还有不间断电源技术。

　　所谓不间断电源(UPS)是指计算机、通信系统以及要求提供不能中断场合所必须的一种高可靠、高性能的电源。

　　交流市电输入经整流器变成直流，一部分能量给蓄电池组充电，另一部分能量经逆变器变成交流，经转换开关送到负载。

　　为了在逆变器故障时仍能向负载提供能量，另一路备用电源通过电源转换开关来实现。

　　目前在线式UPS的最大容量已可作到600kVA。

　　超小型UPS发展也很迅速，已经有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多种规格的产品。

　　三、总结

　　90年代以后，电子技术朝着大功率化、模块化、变频化和智能化发展。

　　电化学专业、铁道电气车、钢铁工业、电力工业的迅速发展给电力电子器件提供了用武之地。

　　通过电子技术和微电子技术的结合，促成了功率集成电路的诞生，最终促使了大量新结构、新材料器件等电子器件的诞生和发展，给工业、航天等带来了极大的帮助和便利，对节约能源、改造传统产业、发展新型产业作出了巨大的贡献。

　　总而言之，电力电子因应用需求不断向前发展，新技术的出现又会使许多应用产品更新换代，还会开拓更多更新的应用领域。

　　参考文献：

　　[1]周明宝.电力电子技术[M].北京：机制工业出版社，1985.

　　[2]陈国呈，周勤利.变频技术研究[J].上海大学自动化学院学报，1995(6)：23-26.

　　[3]王正元.面向新世纪的电力电子技术电源技术应用，2001

　　[4]林渭勋.现代电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2007