現(xiàn)代電力電子技術(shù)在煤礦電氣的應(yīng)用研究

褚秀榮

【摘 要】煤炭行業(yè)的電力消耗量約占總能耗的67%?，F(xiàn)國有統(tǒng)配煤礦基本實現(xiàn)了機(jī)械化，但電氣化仍較落后。從電氣傳動技術(shù)及其裝備水平看，工業(yè)技術(shù)先進(jìn)國家的電力拖動系統(tǒng)中，采用變頻調(diào)速技術(shù)已達(dá)到70%～80%，而我國不足10%，煤礦的應(yīng)用水平則更低。而礦井的電能消耗中，電機(jī)消耗的電能占了近90%。該文介紹電力電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用前景，通過在煤炭企業(yè)的應(yīng)用實例，論述了煤炭企業(yè)電力電子技術(shù)的推廣應(yīng)用可以節(jié)約一定的電能。

【關(guān)鍵詞】電力電子；技術(shù)煤礦；節(jié)能

1.現(xiàn)代電力電子技術(shù)在煤礦電氣的應(yīng)用

傳動系統(tǒng)中的應(yīng)用國際上，技術(shù)先進(jìn)的產(chǎn)煤國家，井下使用現(xiàn)代電力電子技術(shù)和裝備已相當(dāng)廣泛。如調(diào)速變頻電牽引采煤機(jī)，風(fēng)機(jī)、水泵、提升機(jī)等礦用設(shè)備調(diào)速系統(tǒng)；原不調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)變頻調(diào)速；原直流調(diào)速系統(tǒng)正被交流變頻調(diào)速系統(tǒng)逐步代替。

1.1提高生產(chǎn)工藝流程自動化控制系統(tǒng)智能化水平

電氣傳動自動化技術(shù)是以生產(chǎn)機(jī)械的驅(qū)動裝置—電動機(jī)為自動控制對象、以微電子器件（包括微計算機(jī)系統(tǒng)）為核心、以電力電子裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在自動控制理論指導(dǎo)下，按給定的規(guī)律控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，以滿足生產(chǎn)工藝的最佳要求，達(dá)到提高效率、降低能耗、提高產(chǎn)品（或系統(tǒng)運(yùn)行）質(zhì)量、減少系統(tǒng)環(huán)節(jié)、降低勞動強(qiáng)度的優(yōu)化效果。現(xiàn)代變頻裝置的智能化程度比較高，自身具有很強(qiáng)的保護(hù)功能，對于被驅(qū)動負(fù)載來說，它既是一個功能很強(qiáng)的控制環(huán)節(jié)，又是很準(zhǔn)確的電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。作為電氣傳動自動化系統(tǒng)，可稱得上是控制和執(zhí)行器的機(jī)電一體化環(huán)節(jié)。采用此項技術(shù)和設(shè)備，不但可容易地實現(xiàn)較高性能的單機(jī)自動化，而且實現(xiàn)礦井的順槽自動化控制要簡單和容易得多。

1.2提高電氣傳動系統(tǒng)的機(jī)電一體化水平，減小驅(qū)動設(shè)備占用空間

電氣傳動系統(tǒng)的機(jī)電一體化是現(xiàn)代礦井采、掘、運(yùn)、提等大型生產(chǎn)裝備機(jī)電一體化的最重要組成部分，這不但可有效地提高生產(chǎn)工藝流程自動化控制系統(tǒng)智能化水平，而且可有效地減小設(shè)備占用空間。由于井下空間有限，限制了裝備的體積及使用范圍：縮小裝備的體積可以有效地減少恫室開挖量，節(jié)約投資。隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，發(fā)展無機(jī)械齒輪機(jī)，技術(shù)已日臻成熟，并且已進(jìn)入實用階段。如：交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)、滾筒內(nèi)裝電動機(jī)式提升絞車等已投入使用，既減少了機(jī)械傳動環(huán)節(jié)系統(tǒng)體積，又有效地提高了整體的傳動效率，為礦井電氣傳動系統(tǒng)改造提供了誘人的新技術(shù)前景。

2.現(xiàn)代電力電子技術(shù)在電機(jī)調(diào)速及拖動中的應(yīng)用

礦井中電機(jī)是耗能大戶，并且集中在提升機(jī)電機(jī)通風(fēng)機(jī)電機(jī)、主排水泵電機(jī)、壓縮機(jī)電機(jī)以及采煤機(jī)電機(jī)等幾個大型電機(jī)上，耗能比較集中，因此為實現(xiàn)電力電子技術(shù)改造提供了方便。以TKD和JKMK系列提升機(jī)電控系統(tǒng)為主的交流提升電控系統(tǒng)在我國使用最為普遍，這些控制系統(tǒng)都是采用轉(zhuǎn)子附加電阻來調(diào)速的。由于交流提升機(jī)在減速段機(jī)械特性軟調(diào)速性能較差，后來又出現(xiàn)直流調(diào)速提升機(jī)，由于在開始發(fā)展直流控制系統(tǒng)時電力電子技術(shù)特別是大功率電力電子元件及控制模塊還不是很成熟，因此這種直流調(diào)速方案主要采用F—D系統(tǒng)（直流發(fā)電機(jī)拖動直流電動機(jī)）。這種系統(tǒng)中拖動發(fā)電機(jī)的電動機(jī)除了檢修以外，一般停機(jī)，因此電能浪費(fèi)嚴(yán)重，以某礦副井提升機(jī)為例：該礦副井提升機(jī)采用的是直流F—D直流拖動系統(tǒng)，提升電機(jī)的功率是1250kw，為其提供直流電源的是功率為1450kw的直流發(fā)電機(jī)，拖動發(fā)電機(jī)的是功率為1600kw的交流同步電動機(jī)，在提升機(jī)進(jìn)行電力電子技術(shù)改造前每個月的耗電量在40—45萬kw·h之間。除此之外，整個控制系統(tǒng)仍然采用傳統(tǒng)的繼電器控制，所有參數(shù)也是模擬量，因此控制復(fù)雜、故障率高、參數(shù)易變、維護(hù)量大，每年的維修費(fèi)用15萬元左右，維修時間超過500h。該礦于2004年5月對電控系統(tǒng)進(jìn)行改造，改造成電力電子整流直流調(diào)速系統(tǒng)，整套系統(tǒng)采用進(jìn)口整流控制柜和PLC控制系統(tǒng)。改造后，每月電量消耗在20萬kw·h左右，節(jié)能非常明顯，兩年內(nèi)節(jié)約的電費(fèi)就收回了項目投資。同時控制系統(tǒng)數(shù)字化、模塊化，結(jié)構(gòu)緊湊、集成度高、故障率低、維護(hù)方便，年維修費(fèi)用2萬元以下，年維修時間200h左右。節(jié)能效果良好，經(jīng)濟(jì)和社會效益明顯。

相對于直流調(diào)速系統(tǒng)，交流電機(jī)費(fèi)用低、結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便，因此受到用戶的青睞，特別是交流電機(jī)的變頻調(diào)速性能和直流調(diào)速基本相似，因此變頻調(diào)速的發(fā)展速度很快，并且有逐步取代直流調(diào)速的趨勢。交流電機(jī)采用變頻技術(shù)相對直流電機(jī)采用直流調(diào)速性能基本相似，但是變頻技術(shù)相對直流調(diào)速方案總體經(jīng)濟(jì)效益較好，這一點在電梯調(diào)速方面的成功應(yīng)用可以得到驗證。

煤炭企業(yè)大功率電機(jī)直接使用變頻調(diào)速的難度在于電機(jī)的額定電壓以6kv為主，應(yīng)用高壓交流電機(jī)和高壓變頻調(diào)速的方案目前還沒有一個成功應(yīng)用的例子。隨著變頻技術(shù)的進(jìn)步，具有內(nèi)置式PID以及張力卷取軟件、速度級鏈速度跟隨以及電流平衡等功能的大功率高壓變頻器技術(shù)的成熟。目前的礦用提升機(jī)交流電控系統(tǒng)除了調(diào)速性能不理想外其轉(zhuǎn)子串接的加速電阻也消耗部分電能，而且維修量大。

礦用刮板輸送機(jī)和帶式輸送機(jī)是煤礦生產(chǎn)的重要設(shè)備之一，這些設(shè)備啟動頻繁，負(fù)荷變化大，目前使用的啟動設(shè)備大多數(shù)采用普通磁力啟動器配液壓聯(lián)軸器，啟動效果不很理想，同時也無法達(dá)到節(jié)能效果。隨著隔爆型變頻器技術(shù)的成熟，礦用運(yùn)輸設(shè)備采用變頻器是完全可行的，而且可以同時達(dá)到節(jié)能和軟啟動的目的。但是隔爆型變頻器造價高，推廣起來有一定的難度，不過現(xiàn)在國內(nèi)有的企業(yè)通過和國外技術(shù)合作、引進(jìn)或自制研制成功了隔爆型節(jié)能軟啟動開關(guān)，這種開關(guān)造價比變頻器低，還可以通過調(diào)整輸出電壓來達(dá)到節(jié)能的目的，在目前條件下，這種開關(guān)還是值得推廣的。

3.現(xiàn)代電力電子技術(shù)的其它應(yīng)用

煤炭企業(yè)一般距離市區(qū)較遠(yuǎn)，因此煤礦的工人村都有相對對立的物業(yè)管理體系，例如必須具備對立的供水系統(tǒng)?，F(xiàn)在大多數(shù)礦山工人采用的都是定時供水制，只在規(guī)定的時間內(nèi)供水，供水的時候，就是用水的高峰期，每個用戶還要用容器存一部分水備用，實際上并不一定能用完，長流水的地方也比較多，因此造成水資源和電能的浪費(fèi)。另外，由于用水集中，為了保證有足夠的水壓，供水的水泵和電機(jī)都比較大，因此也造成了設(shè)備資源的浪費(fèi)。全自動無塔變頻供水裝置這項技術(shù)在全國推廣使用已經(jīng)好幾年了，這項技術(shù)投資少，自動化程度高，同時還可以達(dá)到節(jié)水節(jié)能的目的，但是在煤炭企業(yè)應(yīng)用還不是太廣泛，還沒有認(rèn)識到其優(yōu)勢。某礦工人原來使用的也是定時供水制，自從改造成全動無塔變頻供水以后，節(jié)約水資源10%以上，節(jié)約電能15%以上，而且還可以保證全天候供水，方便了居民生活，經(jīng)濟(jì)和社會都很好。

我國于1996年正式啟動綠色照明計劃，綠色照明計劃的關(guān)鍵就是利用電力電子技術(shù)開發(fā)節(jié)能光源和節(jié)能燈具。煤礦井下大量使用照明，目前礦井使用的照明設(shè)備以普通熒光燈白熾，因此大規(guī)模推廣使用節(jié)能燈具有著重要意義。以百萬噸礦井生產(chǎn)照明用電容量為50kw計算時，推行節(jié)能技術(shù)可以節(jié)約電量15%，全國年產(chǎn)原煤12億t，年節(jié)約電量近80GW時，細(xì)算起來是一個不小的數(shù)字。但是，我國在開發(fā)成本低、電磁污染低、可靠性高的性能先進(jìn)的電子整流器方面，特別是能適應(yīng)煤礦井下惡劣條件的先進(jìn)節(jié)能燈具技術(shù)還不是很成熟。

4.結(jié)論

電機(jī)是感性負(fù)載，功率因數(shù)低，負(fù)載變化大，節(jié)能的空間很大。節(jié)能的關(guān)鍵在于先進(jìn)的節(jié)能設(shè)備的使用或?qū)ΜF(xiàn)有設(shè)備的技術(shù)改造。電機(jī)類負(fù)荷的節(jié)能方法主要是電力電子器件，而我國煤炭企業(yè)在電力電子技術(shù)的應(yīng)用不僅無法和國外先進(jìn)水平相比，即使和國內(nèi)其他行業(yè)相比也落后很多。因此，煤炭企業(yè)電力電子技術(shù)的改造應(yīng)用具有廣闊的前景和良好的經(jīng)濟(jì)效益。