變頻器在煤礦的應(yīng)用

1、變頻器在煤礦的應(yīng)用文/張立軍 我國煤炭工業(yè)堪稱我國第一能源工業(yè)， 既是產(chǎn)能大戶， 又是耗能 大戶，同時也是節(jié)能潛力大戶。節(jié)約資源是我國的一項基本國策，但 我國目前的工業(yè)生產(chǎn)中仍然存在著一定程度的能源浪費(fèi)現(xiàn)象。 為推動 經(jīng)濟(jì)發(fā)展，保障國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速協(xié)調(diào)健康發(fā)展，全面推進(jìn)能源、原 材料等資源節(jié)約和綜合利用工作，根據(jù)國家的政策和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展導(dǎo) 向，對煤礦井上、下電氣裝備進(jìn)行技術(shù)性節(jié)能改造，對提高煤礦 裝備的現(xiàn)代化和自動化水平，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益具有重要的意 義。現(xiàn)實(shí)依據(jù) 伴隨著科技的發(fā)展，世界主要產(chǎn)煤國的煤礦設(shè)備已呈現(xiàn)數(shù)字 化、自動化、節(jié)能化的趨勢，但我國大部分煤礦企業(yè)的機(jī)電設(shè)備， 特別是乳化液泵、

2、空壓機(jī)、皮帶運(yùn)輸機(jī)、絞車等仍然呈現(xiàn)出一種 高投入，低產(chǎn)出狀態(tài)，這就增加了企業(yè)運(yùn)行成本，降低了企業(yè)經(jīng) 濟(jì)效益。以乳化液泵站為例，在實(shí)際運(yùn)行過程中存在以下問題：（ 1）乳化液泵站的電機(jī)是根據(jù)工作面的最大用液量來配備的，在多數(shù)情況下，電機(jī)是持續(xù)全速運(yùn)轉(zhuǎn)的，乳化液泵提供的乳化液系 統(tǒng)不能完全利用，對于多余的部分，要通過溢流閥流回系統(tǒng)，這 個過程就出現(xiàn)了無功作業(yè)，造成了電能的浪費(fèi)；（ 2）電機(jī)長時間全速運(yùn)轉(zhuǎn)，增大了機(jī)械磨損，縮短了機(jī)械的使用壽命；（ 3）電機(jī)在啟動時會產(chǎn)生很大的電流，對電網(wǎng)造成了較大的沖擊力；（ 4）溢流閥頻繁動作，容易損壞； （ 5）系統(tǒng)管路壓力不穩(wěn)定，容易出 現(xiàn)“爆管子”現(xiàn)象。使用變

3、頻控制后，不僅實(shí)現(xiàn)了根據(jù)系統(tǒng)用液 量來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，而且實(shí)現(xiàn)了軟起動，減少了“爆管子”現(xiàn) 象，減少了設(shè)備的磨損，減輕了勞動強(qiáng)度，還實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗。因此，為了減少企業(yè)的運(yùn)行成本，減少電力的不必要損耗， 對相關(guān)大功率裝備進(jìn)行技術(shù)性節(jié)能改造勢在必行。國內(nèi)外現(xiàn)狀 國外變頻器產(chǎn)品起步較早，其產(chǎn)業(yè)化規(guī)模日趨壯大。交流變 頻器自 20 世紀(jì) 60 年代左右問世，到 20 世紀(jì) 80 年代在主要工業(yè) 化國家已廣泛使用，而從 20 世紀(jì) 90 年代以來，隨著人們節(jié)能環(huán) 保和解決大氣溫室效應(yīng)意識的增強(qiáng)，變頻器的推廣與應(yīng)用越來越 受到人們的重視。國內(nèi)自 20 世紀(jì) 90 年代以來，隨著人們節(jié)能環(huán) 保意識的加強(qiáng)，

4、變頻器的應(yīng)用越來越普及。 相對于工業(yè)化國家來說， 我國變頻器行業(yè)起步較晚， 經(jīng)過十余年的推廣和使用， 已經(jīng)逐步得到 了用戶的認(rèn)可。變頻器的優(yōu)點(diǎn)降低電力線路電壓波動 電機(jī)工頻啟動時，電流劇增的同時，電壓也會大幅波動，電 壓下降幅度的大小將取決于啟動電機(jī)功率的大小和配電網(wǎng)的容 量。電壓下降將會導(dǎo)致同一供電網(wǎng)絡(luò)中的電壓敏感設(shè)備故障跳閘 或工作異常， 而采用變頻調(diào)速后， 由于能在零頻零壓時逐步啟動， 能最大程度的消除電壓下降；減少對電網(wǎng)的沖擊 電機(jī)功率與電流和電壓的乘積成正比 , 通過工頻直接啟動， 電機(jī)消耗的功率將大大高于變頻啟動所需要的功率。在一般工作 情況下，直接工頻啟動電機(jī)所產(chǎn)生的電涌會對同網(wǎng)

5、上的其他用戶 產(chǎn)生嚴(yán)重的影響 , 造成峰谷差值過大。 如果采用變頻器進(jìn)行電機(jī)起 停 , 就不會產(chǎn)生類似的問題。加速功能可控 工頻啟動時對電機(jī)或相連的機(jī)械部分軸或齒輪都會產(chǎn)生劇烈 的振動，這種振動將進(jìn)一步加劇機(jī)械磨損和損耗，降低機(jī)械部件 和電機(jī)的壽命；而變頻控制實(shí)現(xiàn)零速啟動，并能按照用戶的需要 進(jìn)行平滑加速，并且其加速曲線也可以選擇( 直線加速、 S形加速或者自動加速 ) ，從而避免了上述問題。運(yùn)行速度可控運(yùn)用變頻調(diào)速能優(yōu)化工藝過程，滿足生產(chǎn)工藝過程對速度的 要求。借助內(nèi)置 PID 的調(diào)節(jié)功能，可以實(shí)現(xiàn)無級調(diào)節(jié)，還能通過 PLC或其他控制器來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程速度的調(diào)節(jié)；轉(zhuǎn)矩極限可調(diào) 通過變頻調(diào)速后，能夠

6、設(shè)置相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩極限來保證工藝過程 的連續(xù)性和產(chǎn)品的可靠性。目前的變頻技術(shù)不僅可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩極 限，甚至轉(zhuǎn)矩的控制精度都能達(dá)到 3 5左右。但在工頻狀態(tài) 下，電機(jī)只能通過檢測電流值或熱保護(hù)來進(jìn)行控制，而無法像在 變頻控制一樣設(shè)置精確的轉(zhuǎn)矩值來動作。停止方式可控如同可控的加速一樣 , 在變頻調(diào)速中 , 停止方式也是可控 的，并且有不同的停止方式可以選擇 ( 減速停車、自由停車、減速 停車直流制動 ) ，這樣能減少對機(jī)械部件和電機(jī)的沖擊， 從而使 整個系統(tǒng)更加安全，壽命也會相應(yīng)增加；控制電機(jī)的啟動電流 當(dāng)電機(jī)通過工頻直接啟動時，將會產(chǎn)生7 到 8 倍的電機(jī)額定電流，這個電流值將大大增加電機(jī)繞組的電應(yīng)力

7、并產(chǎn)生熱量，這 就降低電機(jī)的壽命， 而變頻后則可以在零速零電壓啟動 ( 可以適當(dāng) 加轉(zhuǎn)矩提升 ) ，充分降低啟動電流，提高繞組承受力，使電機(jī)的維 護(hù)成本降低、電機(jī)的壽命增加；可逆運(yùn)行控制 在變頻器控制中，要實(shí)現(xiàn)可逆運(yùn)行控制無須額外的可逆控制 裝置，只要改變輸出電壓的相序即可，這就降低了維護(hù)成本、節(jié) 省了安裝空間；減少機(jī)械傳動部件的磨損 目前矢量變頻器可以實(shí)現(xiàn)高效的轉(zhuǎn)矩輸出 , 從而節(jié)省齒輪箱 等機(jī)械傳動部件 , 構(gòu)成直接變頻傳動系統(tǒng)， 從而降低成本 , 提高系 統(tǒng)穩(wěn)定性。變頻調(diào)速器原理變頻調(diào)速技術(shù)原理根據(jù)異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式 =601/ （1-），可知，當(dāng)電機(jī) 轉(zhuǎn)差率變化不大時，異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速

8、與定子供電的頻率 1 成正 比。因此，連續(xù)地改變定子供電的頻率，即可平滑地調(diào)節(jié)異步電動機(jī) 的轉(zhuǎn)速。在實(shí)際應(yīng)用中，為了得到良好的變頻調(diào)速性能，在變頻的同 時，使定子相電壓按不同規(guī)律變化，可以實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩或恒功率調(diào)速， 以適應(yīng)不同負(fù)載的要求。風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載的功率 P與其運(yùn)行轉(zhuǎn)速的關(guān)系為 P=kn 3。其中 k 為負(fù)載功率計算系數(shù)，風(fēng)機(jī)約為 3，泵類約為 2。無論采用何種調(diào) 速方式，均可使用 P=kn3 來計算負(fù)載功率。設(shè)風(fēng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為 n1， 根據(jù)實(shí)際需要確定的最低轉(zhuǎn)速為n2，則不同轉(zhuǎn)速下的負(fù)載功率為P1=kn13，P2=kn23，采用異步電動機(jī)變頻調(diào)速運(yùn)行比定速運(yùn)行時的最大 節(jié)電功率為 P= k

9、n13- kn23= kn13 （1-1/ 3）。其中為調(diào)速范圍， = n1/ n2。由此式可以看出，調(diào)速范圍越大， P 就越大，即采用變頻調(diào)速 技術(shù)的節(jié)能效果就越明顯。動態(tài)調(diào)整節(jié)能變頻調(diào)速器在軟件上設(shè)有 5000 次 / 秒的測控輸出功能，始 終保持電機(jī)的輸出高效率運(yùn)行。通過變頻自身的 V/F 功能節(jié)能在保證電機(jī)輸出力矩的情況下， 可自動調(diào)節(jié) V/F 曲線， 減少 電機(jī)的輸出力矩，降低輸入電流，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。變頻自帶軟啟動節(jié)能在電機(jī)全壓啟動時，由于電機(jī)啟動力矩的需要，要從電網(wǎng)吸 收 7 倍的電機(jī)額定電流，而啟動電流變大既浪費(fèi)了電能，對電網(wǎng) 的電壓波動損害也增大，還增加了線損。變頻改造后，可實(shí)現(xiàn)軟

10、 啟動，啟動電流可以從 0 - 電機(jī)額定電流逐漸增大，這就減 少了啟動電流對電網(wǎng)的沖擊，實(shí)現(xiàn)在節(jié)約電能的同時，減少啟動 慣性對設(shè)備的大慣量的轉(zhuǎn)速沖擊，延長設(shè)備的使用壽命。提高功率因數(shù)節(jié)能電動機(jī)由定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組通過電磁作用產(chǎn)生力矩。對電 網(wǎng)而言，阻抗特性呈感性，電機(jī)在運(yùn)行時吸收大量的無功功率， 造成功率因數(shù)變小。采用變頻控制后，其性能變?yōu)椋?AC DC AC，在整 流濾波后， 負(fù)載特性發(fā)生變化， 變頻器對電網(wǎng)的阻抗特性呈阻性， 功率因數(shù)變大，減少了無功損耗。變頻改造方案乳化液泵站改造采用一臺 BPBT75/660 型礦用隔爆型變頻調(diào)速器，外加一套 PLC 可編程控制器作為乳化液泵站的主控設(shè)備

11、， 采用隔爆兼本安型壓力變 送器檢測管網(wǎng)的壓力。壓力傳感變送器的測量值以 010V（ 420mA） 信號控制變頻器，變頻器依據(jù)給定值和測量值的誤差經(jīng) PID 運(yùn)算后， 給出適當(dāng)?shù)碾妷汉皖l率給乳化液泵站的電機(jī)。 在泵站運(yùn)行過程中， 一 旦當(dāng)管路壓力升高超過給定值時， 變頻器降低電機(jī)轉(zhuǎn)速， 使泵的流量 減小，從而使管路壓力降低，反之則電動機(jī)轉(zhuǎn)速增加，從而使管路壓 力保持為恒定值。具有以下優(yōu)點(diǎn)：1啟動泵時，先進(jìn)行泵站的液位檢測，隨時進(jìn)行泵站的吸空報 警，保證系統(tǒng)的正常工作； 2啟動泵站后不用進(jìn)行任何手動卸荷操作， 減少操作人員的主 觀失誤，減輕工人勞動強(qiáng)度，提高自動化程度；變頻器要對乳 化液泵站的各

12、種程序自動進(jìn)行節(jié)能和保護(hù)控制； 3根據(jù)傳感器信號，隨時判斷和提醒供液管是否存在泄漏，以 提高系統(tǒng)的可靠性，節(jié)約能源；4系統(tǒng)不注液時，根據(jù)電氣控制，實(shí)現(xiàn)卸荷空載運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)節(jié) 能并延長設(shè)備壽命；5長時間不注液時， 根據(jù)電氣控制器的決策， 可以自動停電機(jī)， 實(shí)現(xiàn)節(jié)能和延長裝備使用壽命；6根據(jù)壓力傳感器檢測的信號，由電氣控制器決策，實(shí)現(xiàn)乳化 液泵的各種運(yùn)行工況，保證可靠供液；7通過對系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速響應(yīng)，縮短支 護(hù)時間，提高支護(hù)安全性。風(fēng)機(jī)變頻改造風(fēng)機(jī)變頻改造方案 煤礦的風(fēng)機(jī)多是根據(jù)滿負(fù)荷工作時的需用量來選型的，但在 實(shí)際應(yīng)用中，大部分時間并非處于滿負(fù)荷狀態(tài)。改造后，我們采 用變頻器

13、直接控制風(fēng)機(jī)。利用變頻器內(nèi)置 PID 調(diào)節(jié)軟件，直接調(diào) 節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速以保持恒定的風(fēng)量，從而滿足系統(tǒng)的工況要求， 實(shí)現(xiàn)閉環(huán)恒壓或恒流量控制，節(jié)能效率將進(jìn)一步提高。由于變頻器可實(shí)現(xiàn)大功率電機(jī)的軟停、軟起，避免啟動時的 電壓沖擊，減少了電動機(jī)的故障率，從而延長了電機(jī)使用壽命， 也降低了對電網(wǎng)的容量要求和無功損耗。風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能原理風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速從 nl 變?yōu)?n2時， Q、H、P 之間的關(guān)系為：Q2=Q1（n 2nl ）H2=H1（n 2nl） 2P2=P1（n 2nl） 3 Q風(fēng)量 （ 單位： m3 /min）H風(fēng)壓 （ 單位： H2Omm） P風(fēng)機(jī)功率 （單位： kw）由上式可知風(fēng)機(jī)流量與轉(zhuǎn)速的

14、一次方成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的 二次方成正比，而軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。因而，理想情 況下功率與轉(zhuǎn)速有如下關(guān)系 :流量百 分比轉(zhuǎn)速百 分比壓力（揚(yáng)程） 百分比功率百 分比節(jié)約能源 百分比100100100100090908172.927.180806451.248.870704934.365.760603621.678.450502512.587.5由上表可見：當(dāng)需求流量下降時，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速可以節(jié)約大量能 源。例如：當(dāng)流量需求減少半時，通過變頻調(diào)速，從理論上講， 僅需額定功率的 12.5%，即可節(jié)約 87.5 的能源。如采用傳統(tǒng)的 擋板方式調(diào)節(jié)風(fēng)量，雖然能控制流量，但沒有節(jié)能效果。變頻改造后的功能

15、與特點(diǎn)（1）采用變頻器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，取消了擋板調(diào)節(jié)，降低了裝 備的故障率，節(jié)電效果顯著；（2）采用變頻器控制電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的軟啟動，減少了機(jī)械 磨損，延長了設(shè)備的使用壽命，避免了對電網(wǎng)的沖擊； （ 3）電機(jī)將在低于額定轉(zhuǎn)速的狀態(tài)下運(yùn)行， 減少了噪音對環(huán)境 的影響；（4）具有過載、 過壓、 過流、欠壓、電源缺相等自動保護(hù)功能； （5）運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)靈活多樣，可手動控制也可完全實(shí)現(xiàn)自動控制， 并且可與其他自控裝置進(jìn)行電氣連鎖及計算機(jī)控制；（ 6）安裝時可不破壞原有的配電設(shè)施和環(huán)境，不影響生產(chǎn)； （7）只需調(diào)節(jié)電位器旋鈕即可調(diào)整風(fēng)量，操作方便。皮帶運(yùn)輸機(jī)的變頻改造方案目前，井下采區(qū)皮帶運(yùn)輸機(jī)由于受生產(chǎn)

16、條件的限制，普遍存在 著欠載運(yùn)行的現(xiàn)象，浪費(fèi)電能。偶爾也出現(xiàn)皮帶機(jī)過煤量較大，形成 堆煤現(xiàn)象。 因此皮帶機(jī)合理地運(yùn)行方式是適應(yīng)過煤量， 即在過煤量大 時速度快、過煤量小時速度慢。采用了 V/F 控制算法的變頻控制后， 電機(jī)的啟動力矩已經(jīng)能滿足 用戶的需求，而且啟動電流小 ,降低了設(shè)備成本及防護(hù)等級 , 提高了操 作安全。通過設(shè)置物流傳感器可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)煤流大小調(diào)節(jié)皮帶機(jī)運(yùn)行速度。優(yōu)點(diǎn)一 :節(jié)約電能對于風(fēng)機(jī)類型負(fù)載，節(jié)能主要包括兩個方面： 電機(jī)啟動的過程中， 通過使用變頻器控制啟動電流的大小， 從而提高電能的利用率， 降低 能耗。優(yōu)點(diǎn)二 :改善電機(jī)的工作特性通過采用 BPBT系列隔爆型防爆變頻器

17、V/F 的控制算法， 能改變受 控異步交流電動機(jī)的工作特性，特別是針對風(fēng)機(jī)電機(jī)應(yīng)用的控制要 求，既能保證電機(jī)有較高的轉(zhuǎn)速精度和響應(yīng)速度， 又能保證電機(jī)的啟 動電流不會太大實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動。 從而提高電機(jī)的使用壽命和降低對 周邊用電設(shè)備的沖擊，使工廠的電氣系統(tǒng)更加安全可靠。 優(yōu)點(diǎn)三 : 降低對電網(wǎng)的污染為了實(shí)現(xiàn)“綠色能源”的國家規(guī)劃，國家對用電單位都有用電質(zhì) 量起出更高的要求， 特別對于動力用電。 傳統(tǒng)的降壓啟動和可控硅軟 啟動器調(diào)速， 一方面無法提高電機(jī)系統(tǒng)的功率因素， 同時也造成對電 網(wǎng)的諧波干擾， 造成系統(tǒng)的其他用電設(shè)備的不穩(wěn)定。 采用變頻器控制 后，通過安裝交流電抗器，則可以有效降低干擾，

18、還提高了系統(tǒng)的功 率因數(shù)。絞車的變頻改造方案絞車采用變頻控制的優(yōu)點(diǎn)（1）軟啟動、軟停車變頻改造后， 減小了機(jī)械沖擊， 啟動及加速換檔時電流對電 網(wǎng)沖擊很小，使絞車系統(tǒng)和電網(wǎng)運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠；變頻器本身 提供的功能使機(jī)械制動與電制動有機(jī)結(jié)合， 保證系統(tǒng)的絕對安全。（ 2）采用 PLC控制與傳感器構(gòu)成閉環(huán)控制 （ 也可采用開環(huán)控制 ） ，簡化了系統(tǒng)構(gòu) 成，減小了人工勞動強(qiáng)度。（3）實(shí)現(xiàn)了無極調(diào)速調(diào)速范圍寬、運(yùn)行曲線成 S 型、加速平滑、無沖擊感。（4）安全保護(hù)功能齊全 裝備的外殼是隔爆防護(hù)等級，且變頻器除一般過流、直流過 壓、直流欠壓、變頻器過溫、短路、輸入缺相、環(huán)境溫度、過頻、 I/O 控制板內(nèi)

19、部故障、 內(nèi)部故障外， 還具有可編程故障保護(hù)功能、 AIMin 功能、控制盤信號丟失、外部故障功能、電機(jī)過熱保護(hù)、 堵轉(zhuǎn)保護(hù)、欠載功能、電機(jī)缺相功能、接地故障保護(hù)、通訊故障 保護(hù)等。（5）控制精度高、動態(tài)性能好 裝備采用全數(shù)字、 IGBT 逆變器變頻單元向負(fù)載提供變頻電 源，特選提升機(jī)應(yīng)用宏，使所有控制功能均由參數(shù)設(shè)定完成，速 度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器參數(shù)均通過優(yōu)化而自動設(shè)置；電流、速度 雙閉環(huán)，滿足各種控制要求；直接轉(zhuǎn)矩控制，實(shí)現(xiàn)高動態(tài)性能的 轉(zhuǎn)速控制、轉(zhuǎn)矩控制，達(dá)到并超過直流裝備的動態(tài)特性。壓風(fēng)機(jī)變頻改造方案 用調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法同樣可以調(diào)整供氣量。由于空壓機(jī)基 本上屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，用變頻調(diào)速

20、的方法調(diào)整供氣量能使電機(jī)的 輸出功率基本與轉(zhuǎn)速（供氣量）成正比，進(jìn)而達(dá)到很好的節(jié)電效 果。采用具有矢量控制功能的變頻器后，可使電機(jī)在低速時也能 提供滿足負(fù)載需要的轉(zhuǎn)矩；同時，變頻器的自動節(jié)能模式，可使 電機(jī)在滿足負(fù)載轉(zhuǎn)矩要求下以最小電流運(yùn)行，而達(dá)到更好的節(jié)電 效果。對空壓機(jī)進(jìn)行變頻改造后，實(shí)現(xiàn)了恒壓供氣，可帶來如下效 果：（ 1）出氣口釋放閥全部關(guān)閉， 取消用出氣口釋放閥調(diào)節(jié)供氣量 方式，以避免由此導(dǎo)致的電能浪費(fèi)。代之以變頻器調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn) 速來調(diào)整氣體流量，使電機(jī)輸出功率與流量需求基本上成正比關(guān) 系，始終使電機(jī)高效率工作，以達(dá)到明顯的節(jié)電效果；（ 2）利用變頻器的節(jié)能模式， 使電機(jī)在輕載時以最高效率運(yùn)行， 減少不必要的電能損耗；（ 3）根據(jù)嚴(yán)格的 EMS標(biāo)準(zhǔn)，高效的 PWM變頻器使用高速低耗的IGBT，降低諧波失真和電機(jī)的電能損失；（ 4）可使電機(jī)起動、加載時的電流平緩上升，沒有任何