變頻節(jié)能技術在皮帶運輸杌上的應用

摘 要：該文簡要介紹了變頻節(jié)能技術的原理，針對在煤礦企業(yè)中廣泛采用的皮帶運輸機作為研究對象，具體闡述了變頻節(jié)能技術的應用方法以及在節(jié)能環(huán)保方面的技術優(yōu)勢。

關鍵詞：變頻 節(jié)能 皮帶運輸機

中圖分類號：TM571 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）05（b）-0040-01

改革開放以來，我國能源消費總量經(jīng)過近30年的發(fā)展從1978年的57144萬t標準煤增長到2005年的222000萬t標準煤，已成為全球能源消費大國。

煤炭是在我國占總能源消費60%以上的一次消費能源，石油、天然氣等能源消費比重呈現(xiàn)逐年上升趨勢。水電、地熱、太陽能、風能等其它資源的開發(fā)利用在我國能源消費中卻不足1%，我國的能源消費結構很不合理，環(huán)境污染問題嚴重。在我國，電機的總裝機容量已達到4億千瓦，然而我國電機驅動系統(tǒng)的能源利用率仍然很低，各工業(yè)企業(yè)的各類大功率設備如風機、水泵等消耗了大部分的電力。

變頻節(jié)能技術具有顯著的節(jié)電效率，優(yōu)良的調(diào)速性能，近幾年正廣泛應用于冶金、航空、機械制造、家用空調(diào)等各領域。通過控制電機輕載時的電機轉速達到節(jié)能目的，取得了長遠的經(jīng)濟效益和社會效益。

1 變頻節(jié)能技術原理

現(xiàn)代電力傳動技術發(fā)展的主要發(fā)展方向即是變頻調(diào)速技術，由于變頻節(jié)能技術節(jié)電效果顯著，調(diào)速性能精確、穩(wěn)定可靠，同時還可以延長設備的使用壽命，并廣泛應用到空調(diào)、電梯、冶金、機械、電子、石化、造紙、紡織等行業(yè)。變頻節(jié)能技術已經(jīng)歷了40多年的快速發(fā)展，國內(nèi)外專家學者已經(jīng)對變頻調(diào)速技術建立了一套較為完善的科學理論體系，變頻節(jié)能技術融合了電機學、電力電子信息技術、微電子技術、控制技術等多方面學科。變頻節(jié)能技術的核心產(chǎn)品是變頻器。變頻器被人們稱為“工業(yè)維生素”，其原理是將交流電轉換為可變頻變壓運行的電能。整流器、平波電抗器或濾波電容器、逆變器及控制電路組成了變頻調(diào)速裝置。變頻器工作時，首先輸入的工頻交流電通過整流器轉換為直流電，再經(jīng)過中間直流電路網(wǎng)絡輸出到逆變器變換為所需要的頻率、電壓均可調(diào)的交流電。變頻器中間直流電路中儲能元件的結構的不同可以分為電流型變頻器和電壓型變頻器。電流型變頻器的儲能元件是串接平波電抗器，而電壓型變頻器的儲能元件則是并聯(lián)濾波電容器。變頻器通過控制調(diào)節(jié)頻率控制電機的運轉速度，在電機運轉速度低的時候通過儲能元件把能源儲存起來，在工作時再將儲存的能量釋放供給電動機，從而達到節(jié)約能耗的目的。

2 變頻節(jié)能技術的優(yōu)勢

工程應用中的電力拖動系統(tǒng)，主要的調(diào)速方式有變極調(diào)速、串級調(diào)速、調(diào)壓調(diào)速、液力耦合器調(diào)速和變頻調(diào)速。變頻調(diào)速是目前交流電動機最理想的調(diào)速方案，變頻器調(diào)速在性能和可靠性方面的主要優(yōu)勢如下：

（1）與變極調(diào)速相比，工作時平滑性較好，效率高，低速時，相對穩(wěn)定性好。而變極調(diào)速是通過改變異步電動機定子繞組的極對數(shù)，從而改變電動機的同步轉速。變極調(diào)速僅僅適用于平滑性要求不高、連續(xù)和頻繁調(diào)速的鼠籠型異步電動機場合。變極調(diào)速屬于有極調(diào)速，且其調(diào)速級差較大。

（2）與串級調(diào)速相比：變頻調(diào)速范圍更大，精度更高，且變頻調(diào)速氣動電流低，對電網(wǎng)系統(tǒng)無沖擊，節(jié)能效果顯著。串級調(diào)速需要在繞線式異步電動機的轉子電路串聯(lián)一個附加電勢，這個附加電勢具有與轉子相同的頻率，但相位相反。此時異步電動機的轉速通過改變轉差率進行控制，轉差功率在調(diào)速時轉化為機械能驅動負載，因此串級調(diào)速的調(diào)速范圍由調(diào)速裝置的容量決定，調(diào)速范圍大約為70%～95%，若采用可控硅串級調(diào)速，會產(chǎn)生高次諧波造成電網(wǎng)污染。

（3）與液力耦合器調(diào)速：液力耦合器安裝在電動機與負載之間，先在電動機側將電動機的機械能轉化為油的動能和勢能，而在負載側則將油的動能和勢能轉換為輸出的機械能，并通過油的循環(huán)流動實現(xiàn)傳遞功率，改變油的循環(huán)量即可調(diào)節(jié)輸出機械能的轉速。液力耦合器調(diào)速滑差損失較大、效率較低，不適合于低速小功率的調(diào)速裝置，調(diào)速精度和穩(wěn)定性都與變頻調(diào)速有很大的差距，變頻調(diào)速在恒轉矩調(diào)速時，低速段電機的過載能力可大為降低。

（4）在交流拖動電力系統(tǒng)中，負載的總用電量約占總用電量的一半以上，采用變頻節(jié)能技術，可大大提高效率，又獲得十分可觀的節(jié)電效果，減少大約10%的電能消耗。

3 皮帶運輸機上的變頻節(jié)能改造

目前我國各類煤礦企業(yè)普遍采用工頻拖動方式驅動皮帶運輸機，這種方式主要的缺陷有：工頻拖動方式普遍效率不高；電機無法采用軟啟動軟停止，產(chǎn)生劇烈的機械沖擊；皮帶、液力耦合器的維修成本較高。

皮帶運輸機通過電動機驅動輪鼓，皮帶與輪鼓之間產(chǎn)生的摩擦牽引力使皮帶和所輸送的物體運動。在皮帶運輸機停止和運行時，由于皮帶自身的彈性即可儲存大量勢能，因此電機需要采用軟啟動。使用變頻節(jié)能技術對皮帶運輸機進行改造后，其節(jié)能效果主要體現(xiàn)以下幾個方面。

（1）通常情況下，皮帶輸送機通常選用裕量較大的電機，電機絕大部分時間內(nèi)工作在滿電壓、滿速度，但輕載運行中，也有部分時間是空載運行。因此電機的功率因數(shù)沒有達到最佳，電能損失較嚴重。特別是在輕載運行時，定子電流勵磁的無功分量較有功分量大得多，功率因數(shù)降低。采用變頻器驅動有效改變了整個過程，無功功率通過變頻器中的儲能元件儲存起來在重載荷時再使用，有效提高功率因數(shù)至0.9以上。

（2）電機與減速器之間不需要通過液力耦合器聯(lián)接。液力耦合器本身通過液體傳遞機械能，傳遞效率比采用變頻器驅動的系統(tǒng)總效率要低5%～10%左右。另外，通常礦井和變電站之間距離較遠，變頻器對不同時段的電壓波動可進行自動穩(wěn)壓，也起到了部分節(jié)能作用，系統(tǒng)效率得到有效提高。

（3）解決了電機同軸出力不平衡的問題，電機在低速段運行時也可以獲得最大的轉矩輸出。變頻控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對皮帶運輸機進行過程和邏輯控制；變頻控制系統(tǒng)可對皮帶運輸機運行中的主要技術參數(shù)進行檢測，如堆料檢測、速度檢測、壓力突變檢測、煙霧、干濕、溫度檢測、皮帶狀態(tài)檢測等，從而皮帶運輸機運行狀態(tài)更加穩(wěn)定，實現(xiàn)了過程控制自動化。也使皮帶運輸機的維護和檢修更加方便。

4 結語

變頻調(diào)速技術是近20年來發(fā)展前景最廣闊的電機調(diào)速方法，進過變頻技術改造后的皮帶運輸機節(jié)能效果顯著，實現(xiàn)了電機的軟啟軟停，改造后系統(tǒng)的功率因素和系統(tǒng)效率顯著提高，取得了良好的經(jīng)濟效益。

參考文獻

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