變頻器節(jié)能技術在煤礦應用

萬明輝　王進超

【摘 要】在煤礦生產中，提升運輸、井下通風、排水、壓風及瓦斯抽放是煤礦安全生產非常重要的環(huán)節(jié)，同時，也是電能消耗量最大的應用設備。變頻器在煤礦的應用，不僅提高了產品質量和產品生產能力，而且也起到了節(jié)約電能的良好效果。本文對此進行了探討。

【關鍵詞】變頻技術；節(jié)能；煤礦

一、前言

眾所周知，煤炭企業(yè)是耗電大戶，其電耗成本占其生產成本相當大的比例。在煤礦企業(yè)中，由于生產設備一般滿足服務年限長的特點，選型較大造成大馬拉小車的現象，電能浪費嚴重，設備運行效率往往都比較低。對于煤礦生產企業(yè)來說，電耗所占比例相當大，根據調查，風機、水泵、壓縮機、提升絞車、瓦斯抽放設備的用電量占整個煤礦生產用電量的 40% 以上。但是有很大一部分電能是白白浪費掉的。如果采用擋板、閥門來進行調節(jié)往往造成比較大的浪費，而采用電動機變頻調速來調節(jié)流量，這樣可以節(jié)省20%～50%左右，自然可能產生巨大的社會和經濟效應。對于大負荷電機來說，往往啟動時間長、電流大，設備絕緣強度受到嚴重影響，容易燒毀大功率電動機。并且啟動時對機械部分設備沖擊較大，往往造成較為嚴重的機械損傷。所以說，這樣不僅僅增加了設備維修成本，而且對于電網安全造成很大沖擊?？刂乒に噯我?，同時實時性較差，自動化程度低。同時，對于轉矩極限控制、可逆運行控制、速度控制、啟動停止方式、加減速功能和機械傳動部件使用壽命等方面存在明顯缺陷，不能滿足大規(guī)模自動化控制要求，而變頻調速技術的發(fā)展成為解決這一問題的良方之一。

二、變頻調速技術的原理與節(jié)能作用

1、變頻調速技術的原理

交流變頻調速是近幾十年來發(fā)展起來的新技術，以其卓越的調速性能、顯著的節(jié)電效果以及在國民經濟各領域的廣泛適用性，而被公認是一種最有前途的調速方式。交流變頻調速技術是微機技術、電力電子技術和電機傳動技術的綜合應用，基本原理是在電力半導體器件的通斷作用下，通過整流橋將工頻交流電壓變?yōu)橹绷麟妷海儆赡孀兤鬓D換為頻率、電壓可調的交流電壓作為交流電機的驅動電源，使電動機獲得無級調速所需的電壓和電流，是一種無附加轉差損耗的高效調速方式之一。綜合強弱電混合、機電一體的基礎上，對于電力電子技術、微技術和電機傳動技術進行綜合應用，這就是交流變頻調速技術。這樣就能作為無附加轉差損耗的高效調速方式，同時，使得電動機獲得無級調速所需的電壓和電流。在能源危機中發(fā)展的變頻調速技術，可以有效大幅度提高工作效率，是因為它能按照電機負載而進行自動的平滑的增速、減速工作。這樣，通過電動機的供電電源頻率的改變，作為一種高效率、高性能的調速手段變頻調速技術能夠實現有效調節(jié)。

2、變頻調速技術的節(jié)能作用

隨著電子技術、計算機技術、自動控制技術、大功率輸出技術的迅速發(fā)展，交流電機變頻調速技術取得了突破性的進步，成為當今節(jié)電和改善環(huán)境、推動技術進步的一種主要手段，已成為一種必然的發(fā)展趨勢。明顯的節(jié)能效果和優(yōu)越的調節(jié)性能，使變頻節(jié)能技術在我國煤礦中的應用越來越廣泛，技術也越來越成熟。大容量、多功能、高可靠性的變頻器在煤礦生產中得到廣泛的推廣和應用，為煤礦節(jié)省大量電能，特別是在流體類負載中，其節(jié)能率在 20% ～60%。變頻控制原理是： 采用變頻調速電動機實現真正的軟啟動和平滑調速，利用變頻器控制提高輸入電源的功率因數，在基頻以下為恒轉矩輸出，輸出功率隨轉速變化。

三、變頻調速技術在煤礦生產中的具體應用—以帶式輸送機為例

1、帶式輸送機在煤礦生產中的節(jié)能問題

帶式輸送機作為煤礦運輸的主要設備被大量采用，隨著煤礦高產高效工作面的發(fā)展，長距離、大運量、高速帶式輸送機越來越多的被設計、制造并投入運行。這些大型機種的使用，使輸送機存在的沖擊載荷大、驅動電機出力不均而導致電機過載等問題更加尖銳地暴露出來。皮帶機的啟動和運行方式為繞線電機經轉子繞組降壓啟動后工頻運行，經液力耦合器切換至皮帶機。皮帶機的工作原理是皮帶機通過驅動輪轂，靠摩擦力牽引皮帶運動，皮帶通過張力變形和摩擦力帶動物體在支撐輥輪上運動。皮帶是彈性儲能材料，在皮帶機停止和運行時都儲存有大量勢能，這就決定了皮帶機啟動時應該采用軟啟動的方式。因此對帶式輸送機的起動和運行提出下列要求：如果電機直接重載起動時，要求電源提供比正常運行時大6—7倍的電流，這樣電機就會因電流過大和起動時間過長而過熱燒毀；電網會因大電流使電壓過分降低而影響其它設備運轉；所以要求新型驅動系統(tǒng)能夠降低電機起動時的電流。目前大型帶式輸送機都要求驅動系統(tǒng)能提供可調、平滑的、無沖擊的起動力矩，以減小沖擊，從而改善對整機的受力狀況，延長整機的壽命，提高設備的可靠性，即希望實現軟起動。長距離帶式輸送機，如果起動過快，拉緊裝置就來不及拉緊，使得傳動滾筒打滑，導致發(fā)熱著火；對于大傾角的上運帶式輸送機，如果起動加速度過快，會引起物料下滑或滾料現象；這就要求起動加速度可控，實現平穩(wěn)起動。為便于帶式輸送機的檢修，希望能實現低速驗帶運行。綜上所述，要求驅動系統(tǒng)能夠自適應起動、運行、停車工況的要求，使帶式輸送機起停平穩(wěn)、運行高效、驅動平衡、工作安全可靠。然而，目前國內大多數煤礦采用液力耦合器來實現皮帶機的軟啟動，在啟動時調整液力耦合器的機械效率為零，使電機空載啟動。雖然采用了轉子串接電阻改善啟動轉矩和降壓空載啟動等方法，但電機的啟動電流仍然很大，不僅會引起電網電壓的劇烈波動，還會造成電機內部機械沖擊和發(fā)熱等現象。同時由于液力耦合器長時間工作會引起其內部油溫升高、金屬部件磨損、泄漏及效率波動等情況發(fā)生，不僅會加大維護難度和成本、污染了環(huán)境，還會使多機驅動同一皮帶時難以解決功率平均和同步問題。

2、變頻調速技術在帶式輸送機中的應用

帶式輸送機中的變頻調速自動控制系統(tǒng)由可編程序控制器PLC、變頻器、電流互感器、電流變送器、核子皮帶秤、帶速傳感器和電機轉速傳感器等組成，具體可歸納為檢測單元、控制單元和執(zhí)行單元三部分。檢測單元：電流互感器及變送器取得電機電流信號。帶速傳感器采集的帶速信號，經過轉換為電壓信號。電機轉速傳感器采集的轉速信號，通過轉換為電壓信號。核子皮帶秤采集運量信號。各信號均送入核心模塊?？刂茊卧寒擯LC接收到檢測信號，經過判斷決策，完成帶式輸送機的起動、功率平衡、節(jié)能調速功能。同時主控單元還具有斷帶、堆煤、撕帶、煙霧、打滑、溫度等故障保護功能。執(zhí)行單元：變頻器接收到PLC的頻率控制信號，按給定信號輸出相應頻率的電壓加至電動機，實現電機的調速，完成帶式輸送機的各種功能。經過變頻技術改造后皮帶機徹底實現了皮帶輸送機的軟起、軟停運行方式，使皮帶機在工作中更加性能穩(wěn)定。系統(tǒng)的功率因數在整個過程中達 0.9 以上，大大節(jié)省了無功功率。采用變頻器驅動后，使系統(tǒng)總的傳遞效率要比液力偶合器驅動的效率高 5%～10%系統(tǒng)效率。改造后系統(tǒng)可以根據負載變化情況自動調整輸出頻率和輸出力矩，改變了以前電機工頻恒速運行的模式，在很大程度上節(jié)約了電力能源消耗。而且四象限中高壓變頻器的使用實現了皮帶機能量回饋功能，進一步使得皮帶機的能耗降低，液力耦合器的退出更大地節(jié)約了設備的維護和維修費用。在節(jié)能環(huán)保方面更加的完善。

四、結語

總之，變頻器在煤礦的應用已經取得了良好的效果，隨著新型電力電子器件的發(fā)展及性能的不斷提高，變頻調速技術在煤礦生產的應用會發(fā)揮更大作用，取得更加顯著的經濟效益。

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