變頻技術在煤礦機電設備應用中節能

劉立民

摘要：目前在國內煤炭行業電力電子技術已在部份礦務局得到推廣。在現代化礦井中，由于設備大型化，自動化水平較高，噸煤人工費用所占比例不大，而電費所占比例增加，要降低成本，增強競爭力，應重視利用現代調速技術節約能量，例如在風機、水泵、帶式輸送機等設備上實現調速。下面分別談變頻器在煤礦帶式輸送機、礦井提升絞車、乳化。

關鍵詞：變頻器；帶式輸送機；礦井提升設備

前 言

隨著煤礦向大型化方向發展，新型電力電子器件和高性能微處理器的應用以及控制技術的應用越來越廣泛，設備也向大型化、大功率化方向發展，因而對電能提出了新的更高的要求。電力電子技術較早用于煤礦是礦井提升機，并且發展迅速。此外，電力電子技術在先進國家已普遍用于帶式輸送機的調速或帶式輸送機起動控制、風機調速（包括主通風機和局部通風機）和水泵的調速。上述設備多采用現代交流調速，除了可以提高調速的性能外，更主要可以節省能源。液泵站的應用。

一、帶式輸送機

變頻器在國內煤礦的應用主要集中在帶式輸送機上。變頻技術在最近二十年飛速發展，在部分煤礦企業獲得了廣泛應用，例如雙鴨山礦業集團新安礦、七星礦等。運用變頻器對帶式輸送機的驅動進行改造，將給用戶帶來極大的社會和經濟效益：第一，真正實現了帶式輸送機系統的軟起動。運用變頻器對帶式輸送機進行驅動，運用變頻器的軟起動功能，將電機的軟起動和皮帶機的軟起動合二為一，通過電機的慢速起動，帶動皮帶機緩慢起動，將皮帶內部貯存的能量緩慢釋放，使皮帶機在起動過程中形成的張力波極小，幾乎對皮帶不造成損害。第二，實現皮帶機多電機驅動時的功率平衡。應用變頻器對皮帶機進行驅動時，一般采用一拖一控制，當多電機驅動時，采用主從控制，實現功率平衡。在雙鴨山礦業集團新安礦順槽皮帶為2×200KW/660V電機驅動，采有主從控制后，輕載時主從電機電流相差5A左右，滿載時相差2A左右。第三，降低皮帶帶強。采用變頻器驅動之后，由于變頻器的起動時間可在1S～3600S可調，通常皮帶機起動時間在60S～200S內根據現場設定，皮帶機的起動時間延長，大大降低對皮帶帶強的要求，降低設備初期投資。

1.提高系統功率因數

通常情況下，煤礦用電機在設計過程中放的裕量比較大，工作時絕大部分不能滿載運行，電機工作于滿電壓、滿速度而負載經常很小，也有部分時間空載運行。由電機設計和運行特性知道，電機只有在接近滿載時才是效率最高、功率因數最佳，輕載時降低，造成不必要的電能損失。這是因為當輕載時，定子電流有功分量很小，主要是勵磁的無功分量，因此功率因數很低。采用變頻器驅動后，在整個過程中功率因數達0.9以上，大大節省了無功功率。

2.提高系統效率

采用變頻器驅動之后，電機與減速器之間是直接硬聯接，中間減少了液力偶合器這個環節。而液力偶合器本身的傳遞效率是不高的，并且液力偶合器主要是通過液體來傳動，而液體的傳動效率比直接硬聯接的傳動效率要低許多，因而采用變頻器驅動后，系統總的傳遞效率要比液力偶合器驅動的效率要高5%～10%。另外，礦井通常離變電站距離較遠，不同時段電壓波動較大，利用變頻器的自動穩壓功能，也有部份節能作用。 綜上所述，采用變頻器這種技術來改造傳統的帶式輸送機驅動系統，不僅在技術的先進性還是帶來的社會及經濟效益方面都是巨大的。

二、礦井提升

礦井提升設備是沿井筒提升煤炭、礦石、升降人員和設備、下放材料的大型機械設備。因此，礦井提升設備在礦井生產的全過程中占著極其重要的地位，其安全可靠尤為突出。在礦井生產過程中，如果提升設備出了故障，必然造成停產。此外，礦井提升設備是一大型的綜合機械——電氣設備，其成本和耗電量比較高，所以，在新礦井的設計和老礦井的改建設計中，確定合理的提升系統時，必須經過多方面的技術經濟比較，結合礦井的具體條件，保證提升設備在選型和運轉兩個方面都是合理的，即要求礦井提升設備具有經濟性。傳統的提升系統中，電機的調速方式為電機轉子串電阻分級調速。隨著電力電子技術的發展，電機轉子串電阻分級調速的方式其弊端越來越明顯：第一，控制精度差。第二，工作可靠性不高。第三，維護工作量大。第四，耗能。電機轉子串電阻調速是一種轉差功率消耗型的調速方式，在整個調速過程中，大量的電能被消耗在電阻上，非常不經濟。第五，穩定性較差。電機轉子串電阻調速，當在低速段運行時，穩定性差。在整個調速過程中其節能方式表現為兩個方面：

1.提升狀態的節能

當提升絞車處于向上提升狀態時，電機工作于電動狀態，由于提升絞車屬于恒轉矩負載，其轉速降低多大比例節能就為多大比例。

2.下放狀態

當提升絞車處于下放狀態時，此時電機工作于發電狀態，將勢能轉化為電能。如果變頻器采用的是能量回饋型變頻器，變頻器將會把這種電能回饋回電網。一臺無極繩絞車采用變頻改造后，其節能效果達30%左右。此變頻器為能耗制動型，如果采用能量回饋型，其節能效果將更好。煤礦企業中有許多提升絞車，采用變頻改造后，其節能效果將十分明顯，現在，許多新上的絞車系統均已采用變頻驅動。

3.乳化液泵站

乳化液泵站主要為液壓支架提供恒定的液體壓力。平時液壓支架基本不動，但乳化液泵仍長時工作，耗能巨大。如果采用變頻驅動，采用壓力傳感器形成閉環恒壓控制，當移動液壓支架時，乳化液泵提高液體流量，維持變力不變；當不移動液壓支架時，乳化液泵提供小流量液體維持壓力不變，實現恒壓控制。采用變頻器驅動乳化液泵，節能效果明顯。例如煤礦井下一臺55KW/660V變頻器用于乳化液泵，經測算，其節能效果達50%左右。另外，采用變頻器之后，降低了電機和泵的轉速，對機械部份的磨損將減小許多，延長了設備檢修期。在部分煤礦，主扇也已采用了變頻技術，但目前變頻器在煤礦的應用主要還是集中在皮帶機和絞車上。隨著技術的發展，相信變頻技術將象國外發達國家一樣在煤礦得到廣泛應用。

參考文獻：

[1]《變頻器原理及應用（第2版）》.機械工業出版社，編者：王廷才.

[2]《變頻器控制技術》.電子工業出版社，作者：李方園.

[3] 參考了現場調研有關技術資料等.