變頻節(jié)能控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用效果驗(yàn)證

韓保杰

（陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)二礦建筑安裝公司，山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

隨著采煤技術(shù)及綜采設(shè)備自動(dòng)化水平的提升，工作面的生產(chǎn)能力不斷增加，對(duì)應(yīng)的工作面的電能消耗也在不斷增加。在當(dāng)前節(jié)能減排、低碳生產(chǎn)的號(hào)召下，降低煤礦生產(chǎn)的能耗，實(shí)現(xiàn)煤礦機(jī)電設(shè)備的節(jié)能生產(chǎn)勢(shì)在必行[1]。因此，本文著重對(duì)煤礦機(jī)設(shè)備變頻節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行研究。

1 變頻節(jié)能原理

1.1 變頻調(diào)速理論基礎(chǔ)的研究

目前，變頻器在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用相對(duì)頻繁且應(yīng)用范圍較為廣泛，其主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)交流異步電機(jī)的軟啟動(dòng)、變頻調(diào)速、過(guò)載保護(hù)和過(guò)流保護(hù)功能[4]。變頻調(diào)速原理如式（1）所示：

式中：n 為提升機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；f 為提升機(jī)電機(jī)的頻率；s 為提升機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率；p 為提升機(jī)電機(jī)的極數(shù)。由公式（1）可知，通過(guò)調(diào)整電機(jī)的頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)提升機(jī)轉(zhuǎn)速的平滑調(diào)節(jié)。

1.2 變頻調(diào)速的控制機(jī)理

帶式輸送機(jī)、提升機(jī)、通風(fēng)機(jī)等均為綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，為解決煤礦機(jī)電設(shè)備的節(jié)能生產(chǎn)并滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求，需根據(jù)實(shí)際工況對(duì)設(shè)備電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，從而達(dá)到對(duì)設(shè)備的節(jié)能控制。比如，就帶式輸送機(jī)而言，通過(guò)對(duì)帶式輸送機(jī)所運(yùn)送物料的狀態(tài)及帶式輸送機(jī)的溫度、壓力等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和采集，并將上述所采集的數(shù)據(jù)上傳于PLC 和上位機(jī)中，通過(guò)對(duì)上述參數(shù)的對(duì)比分析對(duì)變頻器的輸出頻率進(jìn)行調(diào)整，從而達(dá)到對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)帶速的控制[2]。

2 基于模糊控制算法的變頻節(jié)能技術(shù)研究

基于帶式輸送機(jī)運(yùn)速與運(yùn)量相匹配的設(shè)計(jì)思路，采用變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)運(yùn)速隨著其運(yùn)量及工況實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的目的。為進(jìn)一步提升節(jié)能控制系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)采用冗余設(shè)計(jì)技術(shù)，即采用工控機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控和PLC 控制相結(jié)合的控制方式，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的變頻節(jié)能控制，可滿足實(shí)際生產(chǎn)中的緊急停車、故障保護(hù)以及智能監(jiān)控等功能[3]。

目前，應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的控制算法包括有PID 控制算法、模糊控制算法以及自適應(yīng)控制算法等。其中，PID 控制算法主要應(yīng)用于線性控制系統(tǒng)，模糊控制算法主要應(yīng)用非線性控制算法。因此，一般帶式輸送機(jī)變頻節(jié)能常與模糊控制器相結(jié)合。帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)的模糊控制原理如圖1 所示。

圖1 帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)的模糊控制原理圖

如圖1 所示，節(jié)能控制系統(tǒng)對(duì)輸送帶的運(yùn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，并將監(jiān)視所得結(jié)果通過(guò)模糊控制器傳入PLC 控制器中，根據(jù)PLC 控制器中所存儲(chǔ)的模糊控制算法對(duì)比當(dāng)前的帶速是否與實(shí)時(shí)載荷相匹配。若帶速與運(yùn)量不匹配，系統(tǒng)立即控制變頻器完成對(duì)帶式輸送機(jī)電機(jī)的頻率的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)帶速的調(diào)整。

經(jīng)實(shí)踐表明，基于模糊控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)的變頻控制，可根據(jù)輸送帶的運(yùn)量對(duì)帶式輸送機(jī)的運(yùn)行速度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。以陽(yáng)煤某礦帶式輸送機(jī)例進(jìn)行變頻控制的節(jié)能計(jì)算，該礦共有帶式輸送機(jī)3 臺(tái)，每臺(tái)額定功率為1 400 kW，每臺(tái)每天工作18 h，每年按照工作300 d 計(jì)算，則改造前帶式輸送機(jī)每年耗能=3 臺(tái)×1 400 kW/ 臺(tái)×18 h/d×300 d=22 680 000 kWh。改造后，以該礦的年生產(chǎn)能力為5 Mt 可得帶式輸送機(jī)的運(yùn)量為926 t/h?；谀：刂埔?guī)則，該運(yùn)量下對(duì)應(yīng)的最佳帶速為2.13 m/s，對(duì)應(yīng)帶式輸送機(jī)的實(shí)時(shí)功率為663 kW。則，改造后每年耗能=3 臺(tái)×663kW/臺(tái)×18h/d×300d=10740600kWh。

經(jīng)對(duì)比可得：基于模糊變頻調(diào)速改造后帶式輸送機(jī)節(jié)能效果可達(dá)52.6%。

3 基于行程控制理念的變頻節(jié)能技術(shù)研究

變頻節(jié)能技術(shù)在提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)中的應(yīng)用所形成的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

如圖2 所示，提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)主要由變頻器、行程控制系統(tǒng)、操作控制系統(tǒng)、抱閘控制系統(tǒng)以及能耗制動(dòng)系統(tǒng)組成[4]。各分系統(tǒng)的功能分別為：變頻器：實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)的變頻調(diào)速；操作控制系統(tǒng)：根據(jù)控制指令實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)以及復(fù)位等功能；行程控制系統(tǒng)：對(duì)提升機(jī)的變速、停車以及制動(dòng)等操作的行程進(jìn)行控制；能耗制動(dòng)系統(tǒng)和行程控制系統(tǒng)主要服務(wù)于提升機(jī)的制動(dòng)操作。

以陽(yáng)泉煤礦工作面的提升機(jī)為例，當(dāng)前提升機(jī)所采用的調(diào)速方式為轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，經(jīng)研究可知：轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的耗能巨大?；谔嵘龣C(jī)的變頻調(diào)速技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)行程的控制，將提升機(jī)在實(shí)際運(yùn)行工況下的行程區(qū)間進(jìn)行劃分，針對(duì)不同的行程區(qū)間采用不同變頻調(diào)速控制可實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)上升、下放速度的控制。

經(jīng)實(shí)踐表明，以陽(yáng)泉煤礦提升系統(tǒng)為研究對(duì)象，改造前后的故障對(duì)比情況如表1 所示。

表1 改造前后故障情況對(duì)比

4 基于組態(tài)網(wǎng)絡(luò)控制的變頻節(jié)能技術(shù)研究

變頻節(jié)能技術(shù)在通風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用控制框圖如圖3 所示。

如圖3 所示，控制系統(tǒng)的核心為PLC 與變頻控制技術(shù)相結(jié)合的控制思路，首先由現(xiàn)場(chǎng)瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳒y(cè)量工作面的瓦斯?jié)舛群屯L(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)通風(fēng)量，通過(guò)PLC 控制器分析當(dāng)前瓦斯?jié)舛认聦?duì)應(yīng)的通風(fēng)量，通過(guò)變頻器對(duì)通風(fēng)機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)量的控制。

圖3 通風(fēng)機(jī)的變頻節(jié)能控制框圖

在實(shí)際應(yīng)用中，還需對(duì)通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，包括井下的壓力、有害氣體濃度、風(fēng)壓和風(fēng)量等。同時(shí)也對(duì)控制系統(tǒng)的各個(gè)硬件和軟件運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控，包括電機(jī)溫度、控制后的風(fēng)壓風(fēng)量和電機(jī)運(yùn)行參數(shù)[5]。監(jiān)控系統(tǒng)采用觸摸屏和計(jì)算機(jī)的狀態(tài)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)以上功能。其功能結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示。

經(jīng)實(shí)踐表明，根據(jù)工作面瓦斯?jié)舛鹊牟煌?，與其相對(duì)應(yīng)的變頻器電機(jī)的工作頻率如表2 所示。

圖4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

表2 不同瓦斯?jié)舛认码姍C(jī)頻率

5 結(jié)論

變頻節(jié)能技術(shù)在陽(yáng)泉煤礦中應(yīng)用后，得到了良好的效果，經(jīng)實(shí)踐表明：

1）變頻節(jié)能技術(shù)在帶式輸送機(jī)中的應(yīng)用其節(jié)能效果可達(dá)52.6%；

2）變頻節(jié)能技術(shù)在提升機(jī)中的應(yīng)用，能夠降低設(shè)備的故障率及減少停機(jī)時(shí)間；

3）變頻節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用可根據(jù)工作面瓦斯?jié)舛葘?duì)變頻器電機(jī)頻率進(jìn)行控制，從而達(dá)到節(jié)能的效果。