變頻調速技術在礦山中的應用

1、變頻調速技術在礦山中的應用                        1  概述    礦山按產品類型可分為煤礦、金屬礦和非金屬等;按采掘方式可分為露天開采礦山和地下開采礦山兩大類。本文主要介紹變頻調速器在金屬礦山中的應用的現(xiàn)狀和應用前景，對煤礦亦有參考價值，因為露天煤礦和露天金屬礦開采方式和生產設備基本相同，地下

2、礦山除需要考慮設備的防爆問題外，大部分生產設備也與金屬礦大同小異。露天采礦和地下采礦所用的生產設備有很大不同。    露天礦山是以大型設備為主要特點，要求優(yōu)良的電氣傳動系統(tǒng)，以保證這些大型設備的高效率運行。露天礦山的這些大型設備包括用于穿孔的牙輪鉆機，用于裝載礦、巖石的電鏟(挖掘機)，用于運輸?shù)V、巖石的大型汽車等。它們都要求電氣傳動系統(tǒng)具有良好的調速性能，目前這些大型設備大多采用直流調速傳動系統(tǒng)。地下礦山的生產較露天礦山復雜。由于井下生產的空間窄小，使生產設備環(huán)境潮濕、陰暗，粉塵大、噪音大、振動大、并有塌方的危險，工作條件十分惡劣。因此，井下生產設備的體積受限，這

3、些設備以小型化為主，體積小、重量輕，對電氣傳動的要求不高。但提升、排水、通風、壓氣等固定設備是地下礦山的要害部門，也是耗電大戶，因此，這些設備的安全運行和節(jié)能就顯得至關重要。    根據(jù)我們多年來從事礦山電氣傳動的經驗及在礦山進行變頻調速的應用實踐，我認為，在礦山應用變頻調速技術對于提高礦山生產設備的效率，節(jié)約電能都是至關重要的。但遺憾的是在礦山應用變頻調速技術還很不普遍，除了因變頻器的投資問題外，與人們對變頻器的認識不夠有關，也與不能正確了解礦山設備對變頻器的特殊要求、不能正確地應用變頻器、因此所帶來的負面影響有很大關系。    本

4、文主要介紹目前礦山應用變頻器的狀況，礦山設備對電氣傳動的特殊要求，以及如何正確地選用變頻器等。2  變頻器在露天礦山設備中的應用2.1 電鏟    電鏟用于裝載礦巖，其工作條件非常惡劣，特別是在爆破不好的情況下挖根底作業(yè)，經常出現(xiàn)過大的沖擊載荷，甚至堵轉。因此，電鏟對電氣傳動系統(tǒng)就有較高的要求:要求電氣傳動系統(tǒng)的機械特性曲線的包絡面積大，有足夠的有用功率;要求有良好的調速性能，能四象限運行，能快速地進行加、減速和反轉，動態(tài)響應速度快;要求系統(tǒng)制動性能好，并能回收能量;要求系統(tǒng)運行可靠，維修方便等。由于電鏟對電氣傳動系統(tǒng)的這些特殊要求，所以，我國電鏟目前應

5、用的電氣傳動系統(tǒng)主要還是直流傳動系統(tǒng)。例如:WK-4M、WK10、WD-1200和195-B等型號的電鏟都是采用直流發(fā)電機-直流電動機系統(tǒng)(簡稱機組系統(tǒng));從美國Harnischfeger公司引進制造的P&H-2300XP和P&H-2800XP型電鏟則是采用晶閘管變流器-直流電動機系統(tǒng)(簡稱晶閘管直流系統(tǒng))。雖然后者比前者技術先進，效率也有所提高，但這兩種系統(tǒng)都還存在直流電機的固有的缺點，即維修工作量大、效率較低等。    自上世紀90年代后期，我國有個別礦山從美國B-E公司引進了變頻器-鼠籠型電動機系統(tǒng)(簡稱交流變頻調速系統(tǒng))，這是全交流化的電鏟

6、電氣傳動系統(tǒng)。例如:385-B、295-B、290-B型電鏟就是全交流化電鏟，變頻調速由德國SIEMENS公司開發(fā)、提供的電壓型變頻器?，F(xiàn)以395-B電鏟為例作一簡要說明:高壓交流電由電纜經集電環(huán)引入電鏟，由1600kVA主變壓器將6kV變?yōu)?75V，由1950A的整流器將交流變?yōu)橹绷?，經濾波后送入公共直流母線。在直流母線上有4臺容量為750kVA的逆變器，其中2臺并聯(lián)供電給1臺容量為1066kW的提升電動機;第三臺逆變器供電兩臺容量各為243kW的回轉電動機;第四臺逆變器供電給容量為294kW推壓電動機。當某工作機構處于再生制動工作時，逆變器將再生制動能量反饋到公共直流母線上，可供其它工作機

7、構使用，使能量得到充分利用。使用不完的制動能量，可以通過制動電阻消耗掉。    實踐證明，交流變頻調速電鏟和前兩種直流調速電鏟相比，具有節(jié)約電能、調速性能好、可靠性高、維護量小、生產效率高、功率因數(shù)高(0.95以上)等優(yōu)點，是公認的電鏟電氣傳動系統(tǒng)的發(fā)展方向。2.2 變頻器在牙輪鉆機中的應用    牙輪鉆機是露天礦山、尤其是大型露天礦山的主要穿孔設備。為使牙輪鉆機在不同的巖層中都能保持較佳的鉆進狀態(tài)，要求鉆機的回轉機構能根據(jù)巖層的性質進行無級調速。鉆機的提升/行走機構也需要無級調速。目前，牙輪鉆機的回轉機構和提升/行走機構一般都是直流

8、電動機傳動。主要有三種調速裝置:(1)采用晶閘管直流調速裝置的牙輪鉆機有:YZ-55，YZ-35和YZ-12型;(2)采用大功率磁放大器調速裝置的有KY-250型牙輪鉆機和從美國進口的45R型牙輪鉆機;(3)采用直流發(fā)電機組調速裝置的有從美國進口的60R型牙輪鉆機。    牙輪鉆機上應用變頻調速技術不僅是為了節(jié)能，更重要的是為了提高鉆機的生產效率，降低維修工作量?；剞D機構電動機安裝在鉆桿的頂端，工作條件異常惡劣，以往使用的直流電動機經常損壞，維修工作量大，影響牙輪鉆機的正常作業(yè)和效率的提高。因此采用堅固耐用的交流鼠籠型電動機代替直流電動機，用變頻調速裝置代替直流調

9、速裝置，就成為人們公認的牙輪鉆機電氣傳動的發(fā)展方向。在牙輪鉆機上應用變頻調速技術的難點在于:鉆機的轉機構等對調速裝的性能要求高，因為由于巖層地質條件的不同，鉆機在鉆進工作時有可能被卡鉆，使回轉機構堵轉，這就要求調速裝置的機械特性曲線具有挖土機特性，并具有立即反轉和立即重新起動、鉆進功能;牙輪鉆機振動大，對調速設備的防振要求高。變頻調速在牙輪鉆機中的應用首先是由美國B-E公司在55R型牙輪鉆機上應用。我國礦山的牙輪鉆機的變頻調速還在開發(fā)試驗之中，尚未在推廣應用。2.3 電動輪汽車的電氣傳動    目前，大型露天礦山的運輸主要是采用無軌運輸，而主要運輸設備是大型汽車，

10、特別是電動輪汽車成為了大型露天礦山的主要運輸設備。這是因為電氣傳動比機械傳動有更多的優(yōu)點。如調速性能好，響應速度快，調速平滑無沖擊;可實現(xiàn)恒功率調節(jié)，能充分利用柴油發(fā)動機的功率，耗油少;制動安全，牽引特性好等。目前，世界各國大型露天礦，包括我國的大型露天礦都普遍采用電動輪汽車。我國自1975年以來，引進了不少電動輪汽車，并成功研制開發(fā)了SF3102型100t和LN-3100型108t電動輪汽車，與美國Unit Rig公司合作制造了MARK-36型154t電動輪汽車。    電動輪汽車的電氣傳動系統(tǒng)主要有柴油發(fā)動機帶動的直流發(fā)電機-直流電動機系統(tǒng)和柴油發(fā)動機帶動的交

11、流發(fā)電機-交流電動機系統(tǒng)，它通過控制發(fā)電機的勵磁來控制電動機的轉速。隨著變頻調速技術的發(fā)展，人們也在探討將變頻調速技術應用于電動輪汽車電氣傳動的可能性。但目前尚未見到成功的先例。不過，作為大型露天礦山的主要運輸設備的電動輪汽車，人們會繼續(xù)努力，研究將變頻調速技術應用于電動輪汽車，以進一步改善其調速性能，提高其運輸能力。3  變頻器在地下礦山中的應用3.1 變頻調速技術在礦井提升機中的應用    礦井提升機是地下礦山運輸?shù)闹饕O備。它是用一定的裝備沿井筒運出礦石、廢石、升降人員及材料、設備等運輸環(huán)節(jié)。礦井提升設備按井筒傾角可分為豎井提升設備和斜井提升設備;

12、按提升容器可分為罐籠提升機和箕斗提升機等;按提用途可分為主提升機(專們或主性提升礦石，一般稱為主井提升機)，副井提升機(提升廢石、升降人員、運送材料和設備等，一般稱為副井提升機)和輔助提升機(如天井電梯、檢修提升等)。    礦井提升是地下礦山生產的咽喉，所以，無論哪種提升機，對電氣傳動的要求都很高，因為電氣傳動系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，可靠性的高低，都直接關系到礦山生產的效率和礦山生產的正常進行。對礦井提升機電氣傳動系統(tǒng)的要求是:有良好的調速性能，調速精度高，四象限運行，能快速進行正、反轉運行，動態(tài)響應速度快，有準確的制動和定位功能，可靠性要求高等。  

13、;  目前，我國地下礦山礦井提升機的電氣傳動系統(tǒng)主要有:對于大型礦井提升機，主要采用直流傳動系統(tǒng)，有采用直流電動機-直流發(fā)電機系統(tǒng)和晶閘管變流器-直流電動機系統(tǒng);這兩種系統(tǒng)都存在著直流電動機固有的缺點，如效率不高，維修工作量較大等。對于中、小型提升機，則多采用交流電氣傳動系統(tǒng)，如采用交流繞線式電動機，使用電機轉子切換電阻調速，這種電氣傳動系統(tǒng)雖然設備簡單，但它是有級調速，調速性能差，效率低，大量的電能消耗在電動機轉子電阻上，而且可靠性也差。    將變頻調速技術應用于礦井提升機是礦井提升機電氣傳動系統(tǒng)的發(fā)展方向。我國已有幾臺大型礦井提升機采用交-交變頻調

14、速系統(tǒng)，取得了很好的效果，但其缺點是功率因數(shù)不高，諧波大，需加諧波和功率因數(shù)補償裝置。隨著變頻調速技術的發(fā)展，交-直-交電壓型變頻調速技術已開始在礦井提升機中應用。例如國外已有礦山將有源前端三電平變頻器應用于礦井提升機上，據(jù)介紹，采用這種變頻調速的交流提升機可以克服直流調速系統(tǒng)和交-交變頻調速系統(tǒng)的缺點，是提升機電氣傳動的發(fā)展方向。對于小型交流提升機已有成功應用變頻器的實例，如山東風光電子有限公司和東營市東萃科技有限公司合作開發(fā)的變頻器，成功地應用于山東寧陽縣華寧煤礦的380V,180kw 的交流提升機上。3.2 變頻調速技術在空壓機中的應用    空氣壓縮機是地

15、下礦山生產的重要設備之一，它生產壓縮空氣，用以帶動風動鑿巖機、風動裝巖機等設備以及其它風動工具，其耗電量在礦山總耗電量中占有相當大的比重。深入分析空氣壓縮機的電能消耗情況，找出節(jié)能潛力，實現(xiàn)空氣壓縮機的節(jié)能運行，將會降低礦山生產成本，提高其經濟效益?，F(xiàn)以凡口鉛鋅礦為例說明:    凡口鉛鋅礦坑口空壓機站共有6臺空氣壓縮機，其中4臺為日本日立空氣壓縮機。臺日立壓縮機型號:BTD2，排氣壓力7kg/cm2，排氣量103m3/min屬兩級壓縮活塞式壓縮機，其拖動電機型號EFOU，額定功率450kW，額定電壓380V，額定電流892A，采用Y/降壓起動方式;2臺國產空氣壓

16、縮機(活塞式空氣壓縮機)，其拖動電機為高壓(6kV)同步電動機。6臺空氣壓縮機采用并聯(lián)運行方式。一般情況下，只運行23臺(其中一臺國產空氣壓縮機)其余的空氣壓縮機作為備用?？諝鈮嚎s機站的容量是按最大排氣量并考慮備用來確定的，然而在實際的使用過程中，用氣設備的耗氣量是經常變化的，當耗氣量小于壓縮空氣站的排氣量時，便需對空氣壓縮機進行控制，以減少排氣量使之適應耗氣量的變化，否則空氣壓縮機排氣系統(tǒng)的壓力會升至不能允許的數(shù)值，使空氣壓縮機和用氣設備的零部件負載過大，并有發(fā)生爆炸的危險。凡口鉛鋅礦4臺日本日立空壓機采用的是多級壓力節(jié)流進氣控制方式:即當壓力低于6.2Mpa時,打開全部進氣閥,壓縮機組以1

17、00%負荷率狀態(tài)運行;當壓力達到6.26.5Mpa時關閉隙閥，壓縮機組以75%負荷率運行;當壓力達到6.87Mpa時,關閉一個進氣閥,壓縮機組以50%負荷率運行,當壓力達到7Mpa時關閉所有進氣閥,壓縮機組進入空載運行狀態(tài).由于活塞式空氣壓縮機的起、停有著嚴格而復雜的規(guī)程，不允許頻繁起停。為了滿足井下用氣量的變化，一般由調度人員根據(jù)井下用氣量的時間變化特點,把一天分為幾個時段，每一個時段需要開的空壓機臺數(shù)由該時段內最大用氣量決定。在該時段內，空壓機不允許增開或停開(特殊情況除外)。地下礦金屬礦山的空壓機站多采用這種方式，但這種控制方式很顯然存在一些比較大的缺點:  (1) 據(jù)統(tǒng)計，壓

18、縮機組75%負荷運行率為41%，50%負荷運行率為14%。無論空氣壓縮機是處于75%、50%還是空載運轉狀態(tài)，管網(wǎng)壓力較正常供氣壓力要高，井下用氣量很顯然要小于供氣量，而這時各臺空氣壓縮機仍然全速生產壓縮空氣，帶來了不必要的電能浪費。  (2) 節(jié)精度低，在某一進風量工作狀態(tài)下壓力波動大，特別在生產用風量變化頻繁時期內(用風量大且變化頻繁)，不能穩(wěn)定風壓;  (3) 閥門動作值在一次整定后經常會變，有時會使整個壓風系統(tǒng)工作壓力偏高，增大了單位壓風量的功耗;(4) 當空壓機運行在75%、50%進氣量的工作狀態(tài)下，進氣流速增大，造成進氣過程壓風量的損失，降低了壓風機的效率。&#

19、160;   因此有必要對現(xiàn)有的調節(jié)方式進行改進，以節(jié)約電能，提高空壓機的運行效率。我院和凡口鉛鋅礦合作，用變頻調速對其空壓機站進行技術改造?？諌簷C恒壓自動控制變頻調速系統(tǒng)結構如圖1所示:圖1     空氣壓縮機恒壓控制變頻調速系統(tǒng)框圖    空壓機恒壓自動控制變頻調速系統(tǒng)可實現(xiàn)對5#空壓機和6#空壓機的輪換控制。5#空壓機和6#空壓機均可由新老兩套系統(tǒng)拖動，這樣做有兩個目的:伒5#空壓機出現(xiàn)故障需要檢修時，新系統(tǒng)可迅速切換到6#機，以提高恒壓控制變頻調速系統(tǒng)的利用率;當新系統(tǒng)出現(xiàn)故障需要停車檢修時，能夠

20、很快地投入老系統(tǒng)運行，不致于影響正常生產;當管網(wǎng)壓力超出恒壓調節(jié)范圍時，系統(tǒng)發(fā)出增開或者減開一臺空壓機。     系統(tǒng)于1999年4月2日在凡口鉛鋅礦通過了驗收，正式移交生產使用，系統(tǒng)運行十分正常，滿足了生產的需要，達到了預期的目的。本系統(tǒng)的目的是為了節(jié)能，根據(jù)廣州金粵節(jié)能服務站對本系統(tǒng)做的節(jié)能測試:采用本空氣壓縮機恒壓控制變頻調速系統(tǒng)平均每天節(jié)電量2226kWh。按照年工作日330天計，則采用恒壓控制變頻調速系統(tǒng)每年可節(jié)電734629kWh，按照凡口鉛鋅礦現(xiàn)行電價0.7元/kWh計，每年可節(jié)約電費51.42萬元。本系統(tǒng)總共投資98萬元，兩年內即可收回全

21、部投資。本系統(tǒng)應用的成功為活塞式空氣壓縮機的節(jié)能運行提供了重要的新手段，對于企業(yè)節(jié)能降耗，提高企業(yè)經濟效益有重要意義，有廣闊的推廣應用前景。3.3 變頻調速技術在礦井通風機中的應用     礦井通風機是地下礦山生產的主要用電設備之一，其節(jié)能運行在礦山節(jié)電中占有重要的地位。礦井通風機一般采用異步電機或同步電機拖動，恒速運轉，一般容量大，電機供電電壓高(6kV或10kV)。    礦山建設的特點是:巷道逐年加深，產量逐年增加，所需的通風量逐年上升。但礦井通風機在設計選型時，往往是按最大開采量時所需的風量為依據(jù)的，一般都留有余量，

22、因此礦井在投產后幾年甚至十幾年內，礦井通風機都是處在低負載下運行。此外，通常礦山井下作業(yè)不均衡，一般夜班工作人員少，所需風量也小，在節(jié)假日時，可能只有泵房等固定的井下場所的值班人員工作。盡管井下人員少，但也得照常向井下送風，礦井通風機一般不調節(jié)風量，若要調節(jié)風量時，傳統(tǒng)的方法是調節(jié)檔板。這種辦法雖然簡單，但從節(jié)能的觀點看，是很不經濟的。圖2所示為幾種調節(jié)風量的方法節(jié)電比較。圖2     不同風量調節(jié)方法功率消耗曲線圖2中:1擋板法;2前導器法;3液力耦合器;4繞線電動機切換轉子電阻調速法;5變頻調速法。由圖2可見，變頻調速法在各種風量調節(jié)方法中是最理想、

23、最有效、最節(jié)能的調節(jié)方法。有關變頻調速技術在礦井通風機中的應用，仍以凡口鉛鋅礦為例說明。    該礦的礦井通風機都采用高壓電機傳動，有高壓同步電機和高壓異步電機兩大類。由于礦井通風機是礦山的耗電大戶，節(jié)電潛力很大，但它又是高壓電機傳動，實現(xiàn)變頻調速有一定困難。于是，長沙礦山研究院與凡口鉛鋅礦、冶金自動化研究院等單位合作，以老南風井的6kV，800kW同步電機傳動的礦井通風機為對象，研制開發(fā)了同步電機直接高壓變頻器。1997年8月投入運行，并于1998年4月28日通過了中國有色金屬工業(yè)總公司的技術鑒定，獲得了部級科技進步二等獎。這是國內第一臺同步電機直接高壓變頻器，

24、節(jié)電效果十分顯著。新南風井的礦井通風機采用6kV,880KW高壓異步電機傳動，高壓變頻器采用SIEMENS公司的SIMOVERT  MV型三電平高壓變頻器。于2002年9月投入運行，節(jié)電效果也是十分顯著的。下面分別簡要介紹這兩種高壓變頻器。                              

25、   (1) 同步電機直接高壓變頻器同步電機高壓變頻器主要有兩類，即他控式變頻調速系統(tǒng)和自控式變頻調速系統(tǒng)。他控式變頻調速系統(tǒng)所用的變頻裝置是獨立的，其輸出頻率直接由速度給定信號決定，屬速度開環(huán)控制。自控式變頻調速系統(tǒng)可以使同步電機不存在失步和振蕩等問題，所以一般都采用自控式運行。我們與有關單位合作研制開發(fā)的這種同步電機直接高壓變頻調速裝置是采用交-直-交電流型變頻調速系統(tǒng)，屬自控式變頻調速系統(tǒng)，它由變頻器、同步電機、轉子位置檢測器以及控制系統(tǒng)組成。變頻器主電路采用晶閘管串聯(lián)組成的高壓閥串作為功率元件，它是利用同步電機的反電勢來關斷逆變器的晶閘管，它沒有強迫換流電路，因而主

26、電路結構簡單。變頻器的框圖如圖3所示。 圖3    同步電機變頻調速系統(tǒng)原理框圖    圖3中，硬件全套設備由高壓開關切換柜(圖中未表示出)、整流柜、逆變柜、勵磁柜、控制柜、操作臺及交流進線電抗器、直流平波電抗器、轉子位置檢測器、光電編碼器等到部分組成。根據(jù)凡口礦生產的情況需要，本高壓變頻器按周期性的固定頻率運行，早班(7:0016:00)變頻裝置運行在40Hz，中班(16:0019:00)運行在35Hz，在19:0020:00期間為放炮時間，變頻器運行于40Hz，20:0023:00運行在35Hz，23:0024:00期間為放炮時間

27、，變頻器運行于40Hz，0:003:00井下作業(yè)人員很少運行于28Hz，3:004:00期間為放炮時間，變頻器運行于40Hz，4:007:00運行于28Hz。    經廣州金粵節(jié)能服務站的節(jié)能測試及能量平衡測試，以及凡口礦老南風井的實際記錄，在正常生產期間，節(jié)電率達42%;節(jié)假日時變頻器運行于28Hz，節(jié)電率達73%。年節(jié)電為192.3萬kWh，在不到一年的時間內，就由節(jié)電費用收回到了高壓變頻器的全部投資，經濟效益十分顯著。(2) 異步電機三電平高壓變頻器    在成功研制開發(fā)了老南風井同步電機直接高壓變頻器的基礎上，根據(jù)深部開采的需

28、要，對新南風井的礦井通風機進行改造，我院和有關單位合作，經過論證，最終決定采用引進WOODS軸流式風機和Siemens公司的SIMOVERT MV三電平高壓變頻器。該變頻器的原理圖如圖4所示。圖4    三電平變頻器主電路原理圖    但SIEMENS公司實際提供的這種三電平高壓變頻器的系統(tǒng)如圖5的框圖所示。由圖5可見，6kV高壓電源經三繞組降壓變壓器降壓，2組二次側繞組(接法、Y)，電壓各為1.2kV，經各自的6脈沖整流橋整流成直流，直流電壓為3240V(正負電壓各為1620V)經三電平逆變器變頻變壓，可輸出頻率可變的02300V的

29、三相交流電壓;經濾波器濾波后，再經升壓變壓器升壓至6kV，供給6kV高壓電動機調速。圖5    新南風井高壓變頻器系統(tǒng)框圖    新南風井高壓變頻器原訂為直接高壓變頻器，但由圖5可見，這實質上是一臺高低高式高壓變頻器，因為它不僅有降壓變壓器，而且也有升壓變壓器。不過經我們對其進行了計算機仿真，其結果表明，盡管它是高-低-高式高壓變頻器，但并不影響它在生產中的應用。    根據(jù)凡口礦目前的生產情況，高壓變頻器的運行情況是:白班和中班，高壓變頻器運行于40Hz，在晚班，由于井作業(yè)人員很少，高壓變頻器則運行于3

30、0Hz，在節(jié)假日，則運行于更低的頻率。據(jù)此，計算出節(jié)電效果，年平均節(jié)電為56%，年節(jié)電357.9萬kWh，節(jié)電效果顯著達到了原計劃的節(jié)電目標。3.4 關于球磨機、井下排水泵等是否可用變頻調速的問題    球磨機、井下排水泵等設備容量大，都是礦山的高耗能設備。對于這些設備是否可以采用變頻調速來實現(xiàn)節(jié)能運行呢？我認為，在這些設備上采用變頻調速是達不到節(jié)能目的的。    我們應某金礦的委托，采用變頻器對球磨機進行調速節(jié)能試驗。當變頻器的輸出頻率調整到48Hz和45Hz時，球磨機的電能消耗雖有所降低，但磨礦質量有很大降低，此時球磨機的出礦粒度由原來不調速時的300目粒度占99%，分別下降到90%和58%。可見這種工藝、設備條件下，不宜采用變頻調速節(jié)能運行。    另外，我看到有的文章說，變頻器用于井下排水泵站的節(jié)能3。我認為，這是不現(xiàn)實的。因為任何礦山為排出井下的涌水，都在井底設有水倉。值班工人根據(jù)水倉