【摘要】露天矿为了实现企业节能减排的目标，变频器技术在露天矿得到了广泛的应用。本文以WK-35电铲为例，详细介绍了AFE整流回馈单元、公用直流母线变频调速系统的结构、工作原理、特点以及节能原理，然后对使用变频器技术后带来的经济效益进行了分析。
【关键词】节能减排,变频器,AFE整流回馈单元,公用直流母线
引言
节能减排已成为人类必须共同面对的重要课题之一，企业为了节约资源，降低能耗，建造资源节约型企业，以适应“节能减排，低碳生活”需要，企业节能改造计划已在我国各大企业大规模推行。电铲是露天煤矿的主要耗能设备之一，如何实现电铲的节能改造这一目标，就要依靠国际先进的变频技术。变频器，是一种综合应用变频技术与微电子技术控制交流电动机实现电力传动的设备。露天矿为了迎合企业的扩能改造和节能减排的需要，将采用发电机-电动机组直流调速系统WK-10电铲逐步全部淘汰，由采用AFE整流回馈单元、公用直流母线变频调速系统的WK-35电铲取而代之，从而变频器在露天矿节能改造中得到了广泛的应用。
一、AFE整流/回馈单元、公用直流母线变频调速系统的结构结构、工作原理、特点及其节能原理
为了节约电能，WK-35电铲采用了具有可回馈能量优点的AFE整流/回馈单元、公用直流母线变频调速系统。
（一）AFE整流/回馈单元、公用直流母线变频调速系统的结构
AFE整流/回馈单元、公用直流母线变频调速系统采用交一直一交电压型主电路，主电路结构由AFE进线柜，AFE滤波柜，AFE整流/回馈单元，直流母线电容和逆变柜等部分组成。
（二）AFE整流/回馈单元、公用直流母线变频调速系统的工作原理
AFE整流/回馈单元、公用直流母线变频调速系统如图2所示，其基本工作原理：660V的三相交流电通过电抗器和AFE滤波柜得到稳定的三相交流电，然后再通过AFE整流、回馈单元把三相交流电整流成直流电，直流电再经过逆变器转变成三相交流电来驱动电机；当电铲处于下放或电铲各部系统电机处于制动状态时，铲斗的势能或各部系统电机的制动能量再通过逆变器转变成直流电能，直流电能最后通过AFE整流/回馈单元转变成三相交流电能回馈给电网。AFE整流/回馈单元和逆变器都是采用了三相全控桥式电路。
（三）AFE整流/回馈单元、公用直流母线变频调速系统的特点
WK-35电铲采用的AFE整流回馈单元、公用直流母线变频调速系统具有以下优点：
（1）电铲在下放或者制动时，铲斗的势能和电机的制动能量将通过AFE整流/回馈单元将能量回馈给电网，节约了能源。
（2）由于直流母线电压可在一定范围内设定，设定值即为稳压值，因此允许电网电压波动范围大（+10%，-30%）（1分钟），抵抗电源电压偏低的能力很强。
（3）无谐波分量，对电网无污染。三相输入电源通过电抗器和AFE滤波柜处理后波形几乎为正弦波，大大减少了对电网的谐波污染，总谐波电流含量小于0.5％。
（4）提高了设备的功率因数，可以调整设备功率因数达到95%以上，减少了无功功率的损失，节约了能源。
（5）具有软起动的功能。采用变频调速后启动电流不会超过电机的额定电流，大大减轻了对电网和机械负载的冲击，延长了电机和机械结构件的寿命。
（6）设备故障率低。采用AFE整流/回馈单元、公用直流母线变频调速系统可以大大减少设备的故障，提高了设备的出动率，减少了设备的维修费用，提高了公司的经济效益。
（四）AFE整流回馈单元、公用直流母线变频调速系统的节能原理
电铲变频调速柜由于采用了国际先进的AFE整流/回馈装置，在降低电铲的能量消耗方面取得了显著的效果。电铲变频调速柜可以从二个方面来节约电能:
（1）电铲在下放或者制动时，铲斗的势能和电机的制动能量通过逆变器返回而使直流母线电压升高时，可以使交流输入电流的相位与电源电压相位相反，实现再生发电运行，再生能量通过AFE整流/回馈单元回馈到电网去。再生能量通过AFE整流/回馈单元将能量回馈到电网取代了传统的将再生能量通过制动电阻消耗掉办法，再生能量回馈效率高达99%以上，从而降低了设备能量的消耗；
（2）由于采用了自关断器件IGBT，通过SPWM正弦脉宽调制技术，可对交流电流的大小和相位进行控制，并通过AFE前端的滤波、储能环节使交流输入电流接近正弦波，并且功率因数以1为中点而正负可调，可以把功率因数提高到95%以上。西门子6SE70系列装机装柜型变频器与传统变频器相比，谐波降低了55%，功率因素提高了近20%左右，减少设备能量的消耗。
二、电铲采用AFE整流/回馈单元、公用直流母线变频调速系统后节能对比分析
WK-35电铲和WK-10B电铲在同样的作业环境下，对两种电铲挖掘相同的产量所消耗的电能进行对比分析，分析结果表明WK-35电铲比WK-10B电铲可以节约电能20%左右。2012年黑岱沟露天煤矿3台WK-35电铲和2台WK-55完成年计划产量共消耗电能约1800万度，若与采用WK-10B电铲完成相同的年计划产量相比，WK-35电铲比WK-10B电铲可以节约电能按20%计算，电铲采用AFE整流/回馈单元、公用直流母线变频调速系统后调速系统后将节约电能约为320万度，1度电按0.453元计算，1年将节约资金145万元。
三、总结
电铲采用AFE整流/回馈单元、公用直流母线变频调速系统，既能节约能源的消耗，满足“节能减排，低碳生活”需要，降低企业的成本消耗，提高企业的经济效益，同时变频器还有对电机的过流、过压、过热的保护功能，从而延长了电机的运行寿命，提高了电机的运行效率、减少了电机的维护费用。因此，AFE整流/回馈单元、公用直流母线变频调速系统必将在电铲的变频改造中得到广泛应用。变频器是企业节能改造的理想设备。伴随着节能与环保的深入，变频技术将在节能减排方面发挥越来越重要的作用。
【参考文献】
[1]王廷才.变频器原理及应用[M].北京：机械工业出版社,2009.
[2]徐甫荣.高压变频调速技术应用实践[M].北京：中国电力出版社,2007.
[3]AFE整流/回馈单元装机装柜型使用说明书
本文选自国家级期刊《煤矿开采》，《煤矿开采》期刊是国家煤矿安全监察局主管、煤炭科学研究总院主办的国家级综合性学术期刊,面向国内外公开发行,国内统一刊号：CN:11-3677/TD，国际标准刊号：ISSN:1006-6225。是煤炭行业矿井开采新技术、新产品及研究成果的主要发布媒体之一。《煤矿开采》期刊是中文核心期刊,中国科技核心期刊,国家图书馆重点收藏期刊。读者对象:主要是从事工程行业的技术人员、科研与设计人员、管理干部、大专院校师生。2012年，《煤矿开采》成为双核心期刊，《煤矿开采》期刊连续入编《中文核心期刊要目总览》，在工程类核心期刊表中位列前茅。
