變頻器在煤礦的應(yīng)用

張立軍

華潤(rùn)天能徐州煤電有限公司沛城煤礦，江蘇 徐州 221600

我國(guó)煤炭工業(yè)堪稱我國(guó)第一能源工業(yè)，既是產(chǎn)能大戶，又是耗能大戶，同時(shí)也是節(jié)能潛力大戶。節(jié)約資源是我國(guó)的一項(xiàng)基本國(guó)策，但我國(guó)目前的工業(yè)生產(chǎn)中仍然存在著一定程度的能源浪費(fèi)現(xiàn)象。為推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，保障國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速協(xié)調(diào)健康發(fā)展，全面推進(jìn)能源、原材料等資源節(jié)約和綜合利用工作，根據(jù)國(guó)家的政策和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展導(dǎo)向，對(duì)煤礦井上、下電氣裝備進(jìn)行技術(shù)性節(jié)能改造，對(duì)提高煤礦裝備的現(xiàn)代化和自動(dòng)化水平，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益具有重要的意義。

1 現(xiàn)實(shí)依據(jù)

我國(guó)大部分煤礦企業(yè)的機(jī)電設(shè)備，特別是乳化液泵、空壓機(jī)、皮帶運(yùn)輸機(jī)、絞車等仍然呈現(xiàn)出一種高投入，低產(chǎn)出狀態(tài)，這就增加了企業(yè)運(yùn)行成本，降低了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。以乳化液泵站為例，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中存在以下問(wèn)題：

1）乳化液泵站的電機(jī)是根據(jù)工作面的最大用液量來(lái)配備的，在多數(shù)情況下，電機(jī)是持續(xù)全速運(yùn)轉(zhuǎn)的，乳化液泵提供的乳化液系統(tǒng)不能完全利用，對(duì)于多余的部分，要通過(guò)溢流閥流回系統(tǒng)，這個(gè)過(guò)程就出現(xiàn)了無(wú)功作業(yè)，造成了電能的浪費(fèi)；2）電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間全速運(yùn)轉(zhuǎn)，增大了機(jī)械磨損，縮短了機(jī)械的使用壽命；3）電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的電流，對(duì)電網(wǎng)造成了較大的沖擊力；4）溢流閥頻繁動(dòng)作，容易損壞；5）系統(tǒng)管路壓力不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)“爆管子”現(xiàn)象。使用變頻控制后，不僅實(shí)現(xiàn)了根據(jù)系統(tǒng)用液量來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，而且實(shí)現(xiàn)了軟起動(dòng)，減少了“爆管子”現(xiàn)象，減少了設(shè)備的磨損，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，還實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗。

因此，為了減少企業(yè)的運(yùn)行成本，減少電力的不必要損耗，對(duì)煤礦設(shè)備進(jìn)行變頻改造勢(shì)在必行。

2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

國(guó)外變頻器產(chǎn)品起步較早，其產(chǎn)業(yè)化規(guī)模日趨壯大。交流變頻器自20世紀(jì)60年代左右問(wèn)世，到20世紀(jì)80年代在主要工業(yè)化國(guó)家已廣泛使用，而從20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著人們節(jié)能環(huán)保和解決大氣溫室效應(yīng)意識(shí)的增強(qiáng)，變頻器的推廣與應(yīng)用越來(lái)越受到人們的重視。國(guó)內(nèi)自20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著人們節(jié)能環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，變頻器的應(yīng)用越來(lái)越普及。相對(duì)于工業(yè)化國(guó)家來(lái)說(shuō)，我國(guó)變頻器行業(yè)起步較晚，經(jīng)過(guò)10余年的推廣和使用，已經(jīng)逐步得到了用戶的認(rèn)可。

3 變頻器的優(yōu)點(diǎn)

3.1 降低電力線路電壓波動(dòng)

電機(jī)工頻啟動(dòng)時(shí)，電流劇增的同時(shí)，電壓也會(huì)大幅波動(dòng)，電壓下降幅度的大小將取決于啟動(dòng)電機(jī)功率的大小和配電網(wǎng)的容量。電壓下降將會(huì)導(dǎo)致同一供電網(wǎng)絡(luò)中的電壓敏感設(shè)備故障跳閘或工作異常，而采用變頻調(diào)速后，由于能在零頻零壓時(shí)逐步啟動(dòng)，能最大程度的消除電壓下降。

3.2 減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊

電機(jī)功率與電流和電壓的乘積成正比, 通過(guò)工頻直接啟動(dòng)，電機(jī)消耗的功率將大大高于變頻啟動(dòng)所需要的功率。在一般工作情況下，直接工頻啟動(dòng)電機(jī)所產(chǎn)生的電涌會(huì)對(duì)同網(wǎng)上的其他用戶產(chǎn)生嚴(yán)重的影響,造成峰谷差值過(guò)大。如果采用變頻器進(jìn)行電機(jī)起停, 就不會(huì)產(chǎn)生類似的問(wèn)題。

3.3 加速功能可控

工頻啟動(dòng)時(shí)對(duì)電機(jī)或相連的機(jī)械部分軸或齒輪都會(huì)產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)，這種振動(dòng)將進(jìn)一步加劇機(jī)械磨損和損耗，降低機(jī)械部件和電機(jī)的壽命；而變頻控制實(shí)現(xiàn)零速啟動(dòng)，并能按照用戶的需要進(jìn)行平滑加速，并且其加速曲線也可以選擇（直線加速、S形加速或者自動(dòng)加速），從而避免了上述問(wèn)題。

3.4 運(yùn)行速度可控

運(yùn)用變頻調(diào)速能優(yōu)化工藝過(guò)程，滿足生產(chǎn)工藝過(guò)程對(duì)速度的要求。借助內(nèi)置PID的調(diào)節(jié)功能，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，還能通過(guò)PLC或其他控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程速度的調(diào)節(jié)。

3.5 轉(zhuǎn)矩極限可調(diào)

通過(guò)變頻調(diào)速后，能夠設(shè)置相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩極限來(lái)保證工藝過(guò)程的連續(xù)性和產(chǎn)品的可靠性。目前的變頻技術(shù)不僅可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩極限，甚至轉(zhuǎn)矩的控制精度都能達(dá)到3%～5%左右。但在工頻狀態(tài)下，電機(jī)只能通過(guò)檢測(cè)電流值或熱保護(hù)來(lái)進(jìn)行控制，而無(wú)法像在變頻控制一樣設(shè)置精確的轉(zhuǎn)矩值來(lái)動(dòng)作。

3.6 停止方式可控

如同可控的加速一樣, 在變頻調(diào)速中, 停止方式也是可控的，并且有不同的停止方式可以選擇（減速停車、自由停車、減速停車＋直流制動(dòng)），這樣能減少對(duì)機(jī)械部件和電機(jī)的沖擊，從而使整個(gè)系統(tǒng)更加安全，壽命也會(huì)相應(yīng)增加。

3.7 控制電機(jī)的啟動(dòng)電流

當(dāng)電機(jī)通過(guò)工頻直接啟動(dòng)時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生7～8倍的電機(jī)額定電流，這個(gè)電流值將大大增加電機(jī)繞組的電應(yīng)力并產(chǎn)生熱量，這就降低電機(jī)的壽命，而變頻后則可以在零速零電壓?jiǎn)?dòng)(可以適當(dāng)加轉(zhuǎn)矩提升)，充分降低啟動(dòng)電流，提高繞組承受力，使電機(jī)的維護(hù)成本降低、電機(jī)的壽命增加。

3.8 可逆運(yùn)行控制

在變頻器控制中，要實(shí)現(xiàn)可逆運(yùn)行控制無(wú)須額外的可逆控制裝置，只要改變輸出電壓的相序即可，這就降低了維護(hù)成本、節(jié)省了安裝空間。

3.9 減少機(jī)械傳動(dòng)部件的磨損

目前矢量變頻器可以實(shí)現(xiàn)高效的轉(zhuǎn)矩輸出, 從而節(jié)省齒輪箱等機(jī)械傳動(dòng)部件,構(gòu)成直接變頻傳動(dòng)系統(tǒng)，從而降低成本，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

4 變頻改造方案

4.1 乳化液泵站改造

采用一臺(tái)BPBT75/660型礦用隔爆型變頻調(diào)速器，外加一套PLC可編程控制器作為乳化液泵站的主控設(shè)備，采用隔爆兼本安型壓力變送器檢測(cè)管網(wǎng)的壓力。壓力傳感變送器的測(cè)量值以0V～10V（4mA～20mA）信號(hào)控制變頻器，變頻器依據(jù)給定值和測(cè)量值的誤差經(jīng) PID運(yùn)算后，給出適當(dāng)?shù)碾妷汉皖l率給乳化液泵站的電機(jī)。在泵站運(yùn)行過(guò)程中，一旦當(dāng)管路壓力升高超過(guò)給定值時(shí)，變頻器降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，使泵的流量減小，從而使管路壓力降低，反之則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加，從而使管路壓力保持為恒定值。具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）啟動(dòng)泵時(shí)，先進(jìn)行泵站的液位檢測(cè)，隨時(shí)進(jìn)行泵站的吸空?qǐng)?bào)警，保證系統(tǒng)的正常工作；

2）啟動(dòng)泵站后不用進(jìn)行任何手動(dòng)卸荷操作，減少操作人員的主觀失誤，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高自動(dòng)化程度；變頻器要對(duì)乳化液泵站的各種程序自動(dòng)進(jìn)行節(jié)能和保護(hù)控制；

3）根據(jù)傳感器信號(hào)，隨時(shí)判斷和提醒供液管是否存在泄漏，以提高系統(tǒng)的可靠性，節(jié)約能源；

4）系統(tǒng)不注液時(shí)，根據(jù)電氣控制，實(shí)現(xiàn)卸荷空載運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)節(jié)能并延長(zhǎng)設(shè)備壽命；

5）長(zhǎng)時(shí)間不注液時(shí)，根據(jù)電氣控制器的決策，可以自動(dòng)停電機(jī)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能和延長(zhǎng)裝備使用壽命；

6）根據(jù)壓力傳感器檢測(cè)的信號(hào)，由電氣控制器決策，實(shí)現(xiàn)乳化液泵的各種運(yùn)行工況，保證可靠供液；

7）通過(guò)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速響應(yīng)，縮短支護(hù)時(shí)間，提高支護(hù)安全性。

4.2 風(fēng)機(jī)變頻改造

4.2.1 風(fēng)機(jī)變頻改造方案

煤礦的風(fēng)機(jī)多是根據(jù)滿負(fù)荷工作時(shí)的需用量來(lái)選型的，但在實(shí)際應(yīng)用中，大部分時(shí)間并非處于滿負(fù)荷狀態(tài)。改造后，我們采用變頻器直接控制風(fēng)機(jī)。利用變頻器內(nèi)置PID調(diào)節(jié)軟件，直接調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速以保持恒定的風(fēng)量，從而滿足系統(tǒng)的工況要求，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)恒壓或恒流量控制，節(jié)能效率將進(jìn)一步提高。

由于變頻器可實(shí)現(xiàn)大功率電機(jī)的軟停、軟起，避免啟動(dòng)時(shí)的電壓沖擊，減少了電動(dòng)機(jī)的故障率，從而延長(zhǎng)了電機(jī)使用壽命，也降低了對(duì)電網(wǎng)的容量要求和無(wú)功損耗。

4.2.2 風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能原理

風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?gòu)膎l變?yōu)閚2時(shí)，Q、H、P之間的關(guān)系為：

由上式可知風(fēng)機(jī)流量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，而軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。因而，理想情況下功率與轉(zhuǎn)速有如下關(guān)系：

節(jié)約能源百分比100 100 100 100 090 90 81 72.9 27.180 80 64 51.2 48.870 70 49 34.3 65.760 60 36 21.6 78.450 50 25 12.5 87.5流量百分比轉(zhuǎn)速百分比壓力（揚(yáng)程）百分比功率百分比

由上表可見：當(dāng)需求流量下降時(shí)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速可以節(jié)約大量能源。例如：當(dāng)流量需求減少—半時(shí)，通過(guò)變頻調(diào)速，從理論上講，僅需額定功率的12.5%，即可節(jié)約87.5%的能源。如采用傳統(tǒng)的擋板方式調(diào)節(jié)風(fēng)量，雖然能控制流量，但沒(méi)有節(jié)能效果。

4.2.3 變頻改造后的功能與特點(diǎn)

1）采用變頻器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，取消了擋板調(diào)節(jié)，降低了裝備的故障率，節(jié)電效果顯著；

2）采用變頻器控制電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的軟啟動(dòng)，減少了機(jī)械磨損，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，避免了對(duì)電網(wǎng)的沖擊；

3）電機(jī)將在低于額定轉(zhuǎn)速的狀態(tài)下運(yùn)行，減少了噪音對(duì)環(huán)境的影響；

4）具有過(guò)載、過(guò)壓、過(guò)流、欠壓、電源缺相等自動(dòng)保護(hù)功能；

5）運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)靈活多樣，可手動(dòng)控制也可完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，并且可與其他自控裝置進(jìn)行電氣連鎖及計(jì)算機(jī)控制；

6）安裝時(shí)可不破壞原有的配電設(shè)施和環(huán)境，不影響生產(chǎn)；

7）只需調(diào)節(jié)電位器旋鈕即可調(diào)整風(fēng)量，操作方便。

4.3 皮帶運(yùn)輸機(jī)的變頻改造方案

目前，井下采區(qū)皮帶運(yùn)輸機(jī)由于受生產(chǎn)條件的限制，普遍存在著欠載運(yùn)行的現(xiàn)象，浪費(fèi)電能。偶爾也出現(xiàn)皮帶機(jī)過(guò)煤量較大，形成堆煤現(xiàn)象。因此皮帶機(jī)合理地運(yùn)行方式是適應(yīng)過(guò)煤量，即在過(guò)煤量大時(shí)速度快、過(guò)煤量小時(shí)速度慢。

采用了V/F 控制算法的變頻控制后，電機(jī)的啟動(dòng)力矩已經(jīng)能滿足用戶的需求，而且啟動(dòng)電流小,降低了設(shè)備成本及防護(hù)等級(jí),提高了操作安全。通過(guò)設(shè)置物流傳感器可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)煤流大小調(diào)節(jié)皮帶機(jī)運(yùn)行速度。

4.4 絞車的變頻改造方案

4.4.1 絞車采用變頻控制的優(yōu)點(diǎn)

1）軟啟動(dòng)、軟停車

變頻改造后，減小了機(jī)械沖擊，啟動(dòng)及加速換檔時(shí)電流對(duì)電網(wǎng)沖擊很小，使絞車系統(tǒng)和電網(wǎng)運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠；變頻器本身提供的功能使機(jī)械制動(dòng)與電制動(dòng)有機(jī)結(jié)合，保證系統(tǒng)的絕對(duì)安全。

2）采用PLC控制

與傳感器構(gòu)成閉環(huán)控制（也可采用開環(huán)控制），簡(jiǎn)化了系統(tǒng)構(gòu)成，減小了人工勞動(dòng)強(qiáng)度。

3）實(shí)現(xiàn)了無(wú)極調(diào)速

調(diào)速范圍寬、運(yùn)行曲線成S型、加速平滑、無(wú)沖擊感。

4）安全保護(hù)功能齊全

裝備的外殼是隔爆防護(hù)等級(jí)，且變頻器除一般過(guò)流、直流過(guò)壓、直流欠壓、變頻器過(guò)溫、短路、輸入缺相、環(huán)境溫度、過(guò)頻、I/O控制板內(nèi)部故障、內(nèi)部故障外，還具有可編程故障保護(hù)功能、AI

4.5 壓風(fēng)機(jī)變頻改造方案

用調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法同樣可以調(diào)整供氣量。由于空壓機(jī)基本上屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，用變頻調(diào)速的方法調(diào)整供氣量能使電機(jī)的輸出功率基本與轉(zhuǎn)速（供氣量）成正比，進(jìn)而達(dá)到很好的節(jié)電效果。采用具有矢量控制功能的變頻器后，可使電機(jī)在低速時(shí)也能提供滿足負(fù)載需要的轉(zhuǎn)矩；同時(shí)，變頻器的自動(dòng)節(jié)能模式，可使電機(jī)在滿足負(fù)載轉(zhuǎn)矩要求下以最小電流運(yùn)行，而達(dá)到更好的節(jié)電效果。

對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行變頻改造后，實(shí)現(xiàn)了恒壓供氣，可帶來(lái)如下效果：

1）出氣口釋放閥全部關(guān)閉，取消用出氣口釋放閥調(diào)節(jié)供氣量方式，以避免由此導(dǎo)致的電能浪費(fèi)。代之以變頻器調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)整氣體流量，使電機(jī)輸出功率與流量需求基本上成正比關(guān)系，始終使電機(jī)高效率工作，以達(dá)到明顯的節(jié)電效果；

2）利用變頻器的節(jié)能模式，使電機(jī)在輕載時(shí)以最高效率運(yùn)行，減少不必要的電能損耗；

3）根據(jù)嚴(yán)格的EMS標(biāo)準(zhǔn)，高效的PWM變頻器使用高速低耗的IGBT，降低諧波失真和電機(jī)的電能損失；

4）可使電機(jī)起動(dòng)、加載時(shí)的電流平緩上升，沒(méi)有任何沖擊；可使電機(jī)實(shí)現(xiàn)軟停，避免反生電流造成的危害，有利于延長(zhǎng)裝備的使用壽命，減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊；

5）采用變頻控制系統(tǒng)后，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)供氣管路中氣體的壓力，使供氣管路中的氣體的壓力保持恒定，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量；

6）由于電機(jī)在高效率狀態(tài)下運(yùn)行，功率因數(shù)較高，降低了無(wú)功損耗，節(jié)約了大量電能。

5 結(jié)論

目前我礦已在中央風(fēng)井、東風(fēng)井、壓風(fēng)機(jī)等處成功地使用了變頻器，均取得了較好效果。隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能減排工作推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)利益的提高，推進(jìn)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展。推廣使用變頻器、推廣使用變頻控制技術(shù)必將是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。

[1]吳忠智，吳加林.變頻器應(yīng)用指南[J].中國(guó)電力出版社.