變頻技術(shù)在礦井絞車(chē)和水泵中的應(yīng)用

歷偉

【摘 要】介紹了變頻技術(shù)在礦井絞車(chē)和水泵等大型設(shè)備中的應(yīng)用，對(duì)節(jié)能降耗和保護(hù)設(shè)備的作用作了說(shuō)明，并簡(jiǎn)要分析了變頻調(diào)速技術(shù)在應(yīng)用中應(yīng)該注意的問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】變頻器；電機(jī)；調(diào)速；節(jié)能；保護(hù)

1.變頻技術(shù)在絞車(chē)的應(yīng)用

大多數(shù)礦井絞車(chē)軌道坡度變化較大，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速一定，在坡度較緩時(shí)，負(fù)荷減輕，電機(jī)拖動(dòng)產(chǎn)生的能量無(wú)法被負(fù)載吸引，勢(shì)必會(huì)尋找能量消耗渠道，導(dǎo)致電機(jī)進(jìn)入再生發(fā)電狀態(tài)，將多余的能量反饋到電網(wǎng)，引起主回路母線電壓的升降，這樣會(huì)對(duì)整個(gè)電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，導(dǎo)致電網(wǎng)供電質(zhì)量下降，功率因數(shù)降低，頻繁的高壓沖擊會(huì)損壞電機(jī)，對(duì)電機(jī)沒(méi)有可靠的保護(hù)功能，一旦電機(jī)損壞，造成生產(chǎn)效率降低、維護(hù)量加大，極不利于絞車(chē)的節(jié)能降耗，給企業(yè)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。另一方面，煤礦開(kāi)采的特殊地質(zhì)環(huán)境決定了絞車(chē)運(yùn)行特點(diǎn)，在開(kāi)采前期，軌道質(zhì)量較好，絞車(chē)可采用工頻運(yùn)行，保證正常提升；在后期，由于地質(zhì)作用，軌道質(zhì)量變差，絞車(chē)運(yùn)行環(huán)境惡化，電機(jī)若仍工頻運(yùn)行，勢(shì)必造成不必要的損耗，這時(shí)須考慮實(shí)際工作情況，適當(dāng)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

為了解決上述問(wèn)題，可將變頻技術(shù)引入到絞車(chē)控制中去。根據(jù)電機(jī)理論可知，其轉(zhuǎn)速公式為：

n=60f（1-s）/p

式中p—電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)；

s—轉(zhuǎn)差率；

f—供電電源頻率；

n—電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。

從式可以看出，電機(jī)轉(zhuǎn)速與頻率近似成正比，改變頻率即可以平滑地調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而可以連續(xù)地改變絞車(chē)的速度。根據(jù)電動(dòng)機(jī)工作電流的大小確定電動(dòng)機(jī)的工作頻率，這樣可以根據(jù)負(fù)載的變化，方便的調(diào)節(jié)電機(jī)的輸出功率，達(dá)到節(jié)能和提高電網(wǎng)功率因數(shù)的目的。同時(shí)變頻調(diào)速器具有低速軟啟動(dòng)，轉(zhuǎn)速可以平滑的大范圍調(diào)節(jié)，對(duì)電動(dòng)機(jī)保護(hù)功能齊全，如短路、過(guò)載、過(guò)壓、欠壓及失速等，可有效地保護(hù)電機(jī)及機(jī)械設(shè)備，保證設(shè)備在安全的電壓下工作，具有運(yùn)行乎穩(wěn)、可靠、提高功率因數(shù)等諸多優(yōu)點(diǎn)，是絞車(chē)改造的理想方案。

2.絞車(chē)的變頻器改造原則

（1）以提高電網(wǎng)質(zhì)量，減小對(duì)電網(wǎng)影響為目標(biāo)的變頻改造。這主要集中在供電企業(yè)對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量要求較高的場(chǎng)合，為了避免電網(wǎng)質(zhì)量的下降，需引入變頻控制，其主要目的就是減小絞車(chē)工作過(guò)程對(duì)電網(wǎng)的影響。

（2）以節(jié)能為目標(biāo)的變頻改造。絞車(chē)為了克服大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，采用的電動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際所需功率，工作時(shí)電動(dòng)機(jī)的利用率一般在20%-30%之間，最高不會(huì)超過(guò)50%，電動(dòng)機(jī)常常處于輕載狀態(tài)，造成了電動(dòng)機(jī)資源的浪費(fèi)。為了節(jié)能，提高電動(dòng)機(jī)的工作效率，需進(jìn)行變頻改造。

（3）以提高電網(wǎng)質(zhì)量和節(jié)能為目標(biāo)的變頻改造。這種情況綜合了上面兩種改造的優(yōu)點(diǎn)，是應(yīng)用中的一個(gè)重要發(fā)展方向。

在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中卻出現(xiàn)了許多問(wèn)題，這些問(wèn)題主要集中在絞車(chē)電機(jī)的發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的能量的處理上。對(duì)于第一種情況，采用普通變頻器加能耗制動(dòng)單元可比較方便的實(shí)現(xiàn)，這是以多耗電能為代價(jià)的，這主要是因?yàn)榘l(fā)電能量不能回饋電網(wǎng)造成的。在未采用變頻器時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)吸收電能（電表正轉(zhuǎn)）；電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，電動(dòng)機(jī)釋放能量（電表反轉(zhuǎn)），電能直接回饋電網(wǎng)，并沒(méi)有在本地設(shè)備上耗費(fèi)掉。綜合表現(xiàn)為絞車(chē)的供電系統(tǒng)的功率因數(shù)較低，對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量影響較大。但是在使用普通變頻器時(shí)，情況發(fā)生了變化。普通變頻器的輸入是二極管整流，能量不可反方向流動(dòng)。上述這部分電能沒(méi)有流回電網(wǎng)的通路，必須用電阻來(lái)就地消耗，這就是必須使用能耗制動(dòng)單元的原因。對(duì)于第二種情況和第三種情況，必須妥善的處理電動(dòng)機(jī)發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的電能，必須將其反饋到電網(wǎng)，否則造成變頻運(yùn)行時(shí)反而耗能。為了解決這個(gè)問(wèn)題，有必要對(duì)普通變頻器進(jìn)行改造，在結(jié)構(gòu)上引入雙PWM結(jié)構(gòu)的變頻器，保證發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的電能回饋電網(wǎng)；在控制方法引入自適應(yīng)控制以適應(yīng)絞車(chē)多變的工作環(huán)境。

3.變頻技術(shù)在水泵控制中的應(yīng)用

3.1變頻技術(shù)應(yīng)用于水泵控制

礦井中應(yīng)用較多的另一種設(shè)備是多級(jí)離心泵。電能輸送給水泵電機(jī)后，電機(jī)帶動(dòng)多級(jí)離心泵旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，把井下的水舉排到地面。由于水泵是在井底工作，工作環(huán)境非常惡劣，傳統(tǒng)的供電方式—全壓、工頻使它故障頻繁，運(yùn)行成本大增。一方面，水泵在工頻啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流大，電機(jī)電纜的壓降較大，使得電機(jī)電纜在啟動(dòng)過(guò)程中的反壓較高，使絕緣性能降低，每次開(kāi)機(jī)都會(huì)使水泵壽命降低，大大影響了水泵的使用壽命。另一方面，水泵在正常工作時(shí)，普遍存在著電機(jī)負(fù)載率較低的情況，水泵的功率因數(shù)較低，耗電量多，“大馬拉小車(chē)”現(xiàn)象嚴(yán)重。泵、電機(jī)匹配難以達(dá)到在泵的最佳工況點(diǎn)運(yùn)行，管網(wǎng)效率低，電能損失高達(dá)50%以上。正是從恒壓排水和節(jié)能的兩個(gè)方面考慮，在排水系統(tǒng)中引入變頻控制。

通過(guò)流體力學(xué)的基本定律可知：泵類設(shè)備均屬平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其轉(zhuǎn)速n與流量Q，壓力H以及軸功率戶具有如下關(guān)系：Q∝n，H∝n2，P∝n3；即流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。通過(guò)上述分析可以知道，通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可方便地改變水的流量，保證水壓恒定；通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，在降低水流量的同時(shí)，可有效降低系統(tǒng)的電能損耗。

3.2變頻改造的排水系統(tǒng)具有的優(yōu)點(diǎn)

（1）實(shí)現(xiàn)了電機(jī)軟起動(dòng)、自由停車(chē)。電機(jī)均通過(guò)變頻器或軟起動(dòng)從0-50Hz作緩慢加速起動(dòng)，可減少機(jī)泵因突然高速起動(dòng)所帶來(lái)的影響，減少了直接起動(dòng)時(shí)起動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

（2）提高了功率因數(shù)，改善了電機(jī)電源質(zhì)量，電機(jī)的功率與實(shí)際負(fù)荷相匹配，系統(tǒng)達(dá)到節(jié)能運(yùn)行的目的。

（3）消除了泵的喘振現(xiàn)象，使泵運(yùn)行處于最佳工況狀態(tài)。

（4）實(shí)現(xiàn)了壓力自動(dòng)控制，被調(diào)節(jié)量得到更平穩(wěn)的調(diào)節(jié)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

目前變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用在排水系統(tǒng)中，對(duì)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到穩(wěn)壓、穩(wěn)流排水。同時(shí)軟起軟停的功能代替了減壓?jiǎn)?dòng)，使電機(jī)起停平穩(wěn)，減少了對(duì)電網(wǎng)和機(jī)械設(shè)備的沖擊，不會(huì)造成管網(wǎng)壓力、流量、流速的劇烈變化，不需要閥門(mén)截流，因此對(duì)防止汽蝕、水擊、喘振極為有利，可以延長(zhǎng)管網(wǎng)、泵、閥門(mén)的維修周期和使用壽命。

4.結(jié)束語(yǔ)

變頻技術(shù)因其節(jié)能、利于提高工藝水平、方便構(gòu)成自控系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，在各個(gè)行業(yè)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用變頻調(diào)速是煤礦提高工藝水平、節(jié)能挖潛、增加效益的重要途徑，今后必將得到更廣泛的應(yīng)用，為企業(yè)創(chuàng)造巨大的效益。