DQZHAN技術(shù)訊：探討變頻器節(jié)能技術(shù)在煤礦應用

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(chǎn)成本相當大的比例。在煤礦企業(yè)中，由于生產(chǎn)設(shè)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(xiàn)象，電能浪費嚴重，設(shè)備運行效率往往都比較低。對于煤礦生產(chǎn)企業(yè)來說，電耗所占比例相當大，根據(jù)調(diào)查，風機、水泵、壓縮機、提升絞車、瓦斯抽放設(shè)備的用電量占整個煤礦生產(chǎn)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(diào)節(jié)往往造成比較大的浪費，而采用電動機變頻調(diào)速來調(diào)節(jié)流量，這樣可以節(jié)省20%-50%左右，自然可能產(chǎn)生巨大的社會和經(jīng)濟效應。對于大負荷電機來說，往往啟動時間長、電流大，設(shè)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(shè)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(shè)備維修成本，而且對于電網(wǎng)**造成很大沖擊?？刂扑噯我?，同時實時性較差，自動化程度低。同時，對于轉(zhuǎn)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(diào)速技術(shù)的發(fā)展成為解決這一問題的良方之一。

二、變頻調(diào)速技術(shù)的原理與節(jié)能作用

1、變頻調(diào)速技術(shù)的原理

交流變頻調(diào)速是近幾十年來發(fā)展起來的新技術(shù)，以其**的調(diào)速性能、顯著的節(jié)電效果以及在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域的廣泛適用性，而被公認是一種*有前途的調(diào)速方式。交流變頻調(diào)速技術(shù)是微機技術(shù)、電力電子技術(shù)和電機傳動技術(shù)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?qū)⒐ゎl交流電壓變?yōu)橹绷麟妷?，再由逆變器轉(zhuǎn)換為頻率、電壓可調(diào)的交流電壓作為交流電機的驅(qū)動電源，使電動機獲得無級調(diào)速所需的電壓和電流，是一種無附加轉(zhuǎn)差損耗的高效調(diào)速方式之一。綜合強弱電混合、機電一體的基礎(chǔ)上，對于電力電子技術(shù)、微技術(shù)和電機傳動技術(shù)進行綜合應用，這就是交流變頻調(diào)速技術(shù)。這樣就能作為無附加轉(zhuǎn)差損耗的高效調(diào)速方式，同時，使得電動機獲得無級調(diào)速所需的電壓和電流。在能源危機中發(fā)展的變頻調(diào)速技術(shù)，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(diào)速手段變頻調(diào)速技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)有效調(diào)節(jié)。

2、變頻調(diào)速技術(shù)的節(jié)能作用

隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)、大功率輸出技術(shù)的迅速發(fā)展，交流電機變頻調(diào)速技術(shù)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(shù)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(diào)節(jié)性能，使變頻節(jié)能技術(shù)在我國煤礦中的應用越來越廣泛，技術(shù)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(chǎn)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(diào)速電動機實現(xiàn)真正的軟啟動和平滑調(diào)速，利用變頻器控制提高輸入電源的功率因數(shù)，在基頻以下為恒轉(zhuǎn)矩輸出，輸出功率隨轉(zhuǎn)速變化。

三、變頻調(diào)速技術(shù)在煤礦生產(chǎn)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(chǎn)中的節(jié)能問題

帶式輸送機作為煤礦運輸?shù)闹饕O(shè)備被大量采用，隨著煤礦高產(chǎn)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(shè)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(qū)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(jīng)轉(zhuǎn)子繞組降壓啟動后工頻運行，經(jīng)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(qū)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(wǎng)會因大電流使電壓過分降低而影響其它設(shè)備運轉(zhuǎn)；所以要求新型驅(qū)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(qū)動系統(tǒng)能提供可調(diào)、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(shè)備的可靠性，即希望實現(xiàn)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(xiàn)象；這就要求起動加速度可控，實現(xiàn)平穩(wěn)起動。為便于帶式輸送機的檢修，希望能實現(xiàn)低速驗帶運行。綜上所述，要求驅(qū)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(qū)動平衡、工作**可靠。然而，目前國內(nèi)大多數(shù)煤礦采用液力耦合器來實現(xiàn)皮帶機的軟啟動，在啟動時調(diào)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(zhuǎn)子串接電阻改善啟動轉(zhuǎn)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(wǎng)電壓的劇烈波動，還會造成電機內(nèi)部機械沖擊和發(fā)熱等現(xiàn)象。同時由于液力耦合器長時間工作會引起其內(nèi)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(qū)動同一皮帶時難以解決功率平均和同步問題。

2、變頻調(diào)速技術(shù)在帶式輸送機中的應用

帶式輸送機中的變頻調(diào)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(zhuǎn)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(jīng)過轉(zhuǎn)換為電壓信號。電機轉(zhuǎn)速傳感器采集的轉(zhuǎn)速信號，通過轉(zhuǎn)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(jīng)過判斷決策，完成帶式輸送機的起動、功率平衡、節(jié)能調(diào)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(xiàn)電機的調(diào)速，完成帶式輸送機的各種功能。經(jīng)過變頻技術(shù)改造后皮帶機徹底實現(xiàn)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(shù)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(qū)動后，使系統(tǒng)總的傳遞效率要比液力偶合器驅(qū)動的效率高5%-10%系統(tǒng)效率。改造后系統(tǒng)可以根據(jù)負載變化情況自動調(diào)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(xiàn)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(shè)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(jié)語

總之，變頻器在煤礦的應用已經(jīng)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(diào)速技術(shù)在煤礦生產(chǎn)的應用會發(fā)揮更大作用，取得更加顯著的經(jīng)濟效益。