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

一、前言

眾所周知，煤炭企業(yè)是耗電大戶(hù)，其電耗成本占其生產(chǎn)成本相當(dāng)大的比例。在煤礦企業(yè)中，由于生產(chǎn)設(shè)備一般滿(mǎn)足服務(wù)年限長(zhǎng)的特點(diǎn)，選型較大造成大馬拉小車(chē)的現(xiàn)象，電能浪費(fèi)嚴(yán)重，設(shè)備運(yùn)行效率往往都比較低。對(duì)于煤礦生產(chǎn)企業(yè)來(lái)說(shuō)，電耗所占比例相當(dāng)大，根據(jù)調(diào)查，風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)、提升絞車(chē)、瓦斯抽放設(shè)備的用電量占整個(gè)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(fèi)掉的。如果采用擋板、閥門(mén)來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)往往造成比較大的浪費(fèi)，而采用電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速來(lái)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(huì)和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。對(duì)于大負(fù)荷電機(jī)來(lái)說(shuō)，往往啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、電流大，設(shè)備絕緣強(qiáng)度受到嚴(yán)重影響，容易燒毀大功率電動(dòng)機(jī)。并且啟動(dòng)時(shí)對(duì)機(jī)械部分設(shè)備沖擊較大，往往造成較為嚴(yán)重的機(jī)械損傷。所以說(shuō)，這樣不僅僅增加了設(shè)備維修成本，而且對(duì)于電網(wǎng)**造成很大沖擊?？刂扑噯我唬瑫r(shí)實(shí)時(shí)性較差，自動(dòng)化程度低。同時(shí)，對(duì)于轉(zhuǎn)矩極限控制、可逆運(yùn)行控制、速度控制、啟動(dòng)停止方式、加減速功能和機(jī)械傳動(dòng)部件使用壽命等方面存在明顯缺陷，不能滿(mǎn)足大規(guī)模自動(dòng)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(wèn)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(lái)發(fā)展起來(lái)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(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域的廣泛適用性，而被公認(rèn)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(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)和電機(jī)傳動(dòng)技術(shù)的綜合應(yīng)用，基本原理是在電力半導(dǎo)體器件的通斷作用下，通過(guò)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(jī)的驅(qū)動(dòng)電源，使電動(dòng)機(jī)獲得無(wú)級(jí)調(diào)速所需的電壓和電流，是一種無(wú)附加轉(zhuǎn)差損耗的高效調(diào)速方式之一。綜合強(qiáng)弱電混合、機(jī)電一體的基礎(chǔ)上，對(duì)于電力電子技術(shù)、微技術(shù)和電機(jī)傳動(dòng)技術(shù)進(jìn)行綜合應(yīng)用，這就是交流變頻調(diào)速技術(shù)。這樣就能作為無(wú)附加轉(zhuǎn)差損耗的高效調(diào)速方式，同時(shí)，使得電動(dòng)機(jī)獲得無(wú)級(jí)調(diào)速所需的電壓和電流。在能源危機(jī)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?yàn)樗馨凑针姍C(jī)負(fù)載而進(jìn)行自動(dòng)的平滑的增速、減速工作。這樣，通過(guò)電動(dòng)機(jī)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(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、大功率輸出技術(shù)的迅速發(fā)展，交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)取得了突破性的進(jìn)步，成為當(dāng)今節(jié)電和改善環(huán)境、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的一種主要手段，已成為一種必然的發(fā)展趨勢(shì)。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(guó)煤礦中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，技術(shù)也越來(lái)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(yīng)用，為煤礦節(jié)省大量電能，特別是在流體類(lèi)負(fù)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(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)真正的軟啟動(dòng)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(yīng)用-以帶式輸送機(jī)為例

1、帶式輸送機(jī)在煤礦生產(chǎn)中的節(jié)能問(wèn)題

帶式輸送機(jī)作為煤礦運(yùn)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(zhǎng)距離、大運(yùn)量、高速帶式輸送機(jī)越來(lái)越多的被設(shè)計(jì)、制造并投入運(yùn)行。這些大型機(jī)種的使用，使輸送機(jī)存在的沖擊載荷大、驅(qū)動(dòng)電機(jī)出力不均而導(dǎo)致電機(jī)過(guò)載等問(wèn)題更加尖銳地暴露出來(lái)。皮帶機(jī)的啟動(dòng)和運(yùn)行方式為繞線電機(jī)經(jīng)轉(zhuǎn)子繞組降壓?jiǎn)?dòng)后工頻運(yùn)行，經(jīng)液力耦合器切換至皮帶機(jī)。皮帶機(jī)的工作原理是皮帶機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)輪轂，靠摩擦力牽引皮帶運(yùn)動(dòng)，皮帶通過(guò)張力變形和摩擦力帶動(dòng)物體在支撐輥輪上運(yùn)動(dòng)。皮帶是彈性?xún)?chǔ)能材料，在皮帶機(jī)停止和運(yùn)行時(shí)都儲(chǔ)存有大量勢(shì)能，這就決定了皮帶機(jī)啟動(dòng)時(shí)應(yīng)該采用軟啟動(dòng)的方式。

因此對(duì)帶式輸送機(jī)的起動(dòng)和運(yùn)行提出下列要求：如果電機(jī)直接重載起動(dòng)時(shí)，要求電源提供比正常運(yùn)行時(shí)大6-7倍的電流，這樣電機(jī)就會(huì)因電流過(guò)大和起動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而過(guò)熱燒毀；電網(wǎng)會(huì)因大電流使電壓過(guò)分降低而影響其它設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)；所以要求新型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠降低電機(jī)起動(dòng)時(shí)的電流。目前大型帶式輸送機(jī)都要求驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能提供可調(diào)、平滑的、無(wú)沖擊的起動(dòng)力矩，以減小沖擊，從而改善對(duì)整機(jī)的受力狀況，延長(zhǎng)整機(jī)的壽命，提高設(shè)備的可靠性，即希望實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)。長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)，如果起動(dòng)過(guò)快，拉緊裝置就來(lái)不及拉緊，使得傳動(dòng)滾筒打滑，導(dǎo)致發(fā)熱著火；對(duì)于大傾角的上運(yùn)帶式輸送機(jī)，如果起動(dòng)加速度過(guò)快，會(huì)引起物料下滑或滾料現(xiàn)象；這就要求起動(dòng)加速度可控，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)起動(dòng)。為便于帶式輸送機(jī)的檢修，希望能實(shí)現(xiàn)低速驗(yàn)帶運(yùn)行。綜上所述，要求驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠自適應(yīng)起動(dòng)、運(yùn)行、停車(chē)工況的要求，使帶式輸送機(jī)起停平穩(wěn)、運(yùn)行高效、驅(qū)動(dòng)平衡、工作**可靠。然而，目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)煤礦采用液力耦合器來(lái)實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)的軟啟動(dòng)，在啟動(dòng)時(shí)調(diào)整液力耦合器的機(jī)械效率為零，使電機(jī)空載啟動(dòng)。雖然采用了轉(zhuǎn)子串接電阻改善啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和降壓空載啟動(dòng)等方法，但電機(jī)的啟動(dòng)電流仍然很大，不僅會(huì)引起電網(wǎng)電壓的劇烈波動(dòng)，還會(huì)造成電機(jī)內(nèi)部機(jī)械沖擊和發(fā)熱等現(xiàn)象。同時(shí)由于液力耦合器長(zhǎng)時(shí)間工作會(huì)引起其內(nèi)部油溫升高、金屬部件磨損、泄漏及效率波動(dòng)等情況發(fā)生，不僅會(huì)加大維護(hù)難度和成本、污染了環(huán)境，還會(huì)使多機(jī)驅(qū)動(dòng)同一皮帶時(shí)難以解決功率平均和同步問(wèn)題。

2、變頻調(diào)速技術(shù)在帶式輸送機(jī)中的應(yīng)用

帶式輸送機(jī)中的變頻調(diào)速自動(dòng)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(jī)轉(zhuǎn)速傳感器等組成，具體可歸納為檢測(cè)單元、控制單元和執(zhí)行單元三部分。檢測(cè)單元：電流互感器及變送器取得電機(jī)電流信號(hào)。帶速傳感器采集的帶速信號(hào)，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。電機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器采集的轉(zhuǎn)速信號(hào)，通過(guò)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。核子皮帶秤采集運(yùn)量信號(hào)。各信號(hào)均送入核心模塊?？刂茊卧寒?dāng)PLC接收到檢測(cè)信號(hào)，經(jīng)過(guò)判斷決策，完成帶式輸送機(jī)的起動(dòng)、功率平衡、節(jié)能調(diào)速功能。同時(shí)主控單元還具有斷帶、堆煤、撕帶、煙霧、打滑、溫度等故障保護(hù)功能。執(zhí)行單元：變頻器接收到PLC的頻率控制信號(hào)，按給定信號(hào)輸出相應(yīng)頻率的電壓加至電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速，完成帶式輸送機(jī)的各種功能。經(jīng)過(guò)變頻技術(shù)改造后皮帶機(jī)徹底實(shí)現(xiàn)了皮帶輸送機(jī)的軟起、軟停運(yùn)行方式，使皮帶機(jī)在工作中更加性能穩(wěn)定。系統(tǒng)的功率因數(shù)在整個(gè)過(guò)程中達(dá)0.9以上，大大節(jié)省了無(wú)功功率。采用變頻器驅(qū)動(dòng)后，使系統(tǒng)總的傳遞效率要比液力偶合器驅(qū)動(dòng)的效率高5%-10%系統(tǒng)效率。改造后系統(tǒng)可以根據(jù)負(fù)載變化情況自動(dòng)調(diào)整輸出頻率和輸出力矩，改變了以前電機(jī)工頻恒速運(yùn)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(shí)現(xiàn)了皮帶機(jī)能量回饋功能，進(jìn)一步使得皮帶機(jī)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(hù)和維修費(fèi)用。在節(jié)能環(huán)保方面更加的完善。

四、結(jié)語(yǔ)

總之，變頻器在煤礦的應(yīng)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(yīng)用會(huì)發(fā)揮更大作用，取得更加顯著的經(jīng)濟(jì)效益。