蒙江洪

【摘 要】在煤礦機(jī)械設(shè)備中應(yīng)用變頻器節(jié)能技術(shù)，有利于降低設(shè)備能源的消耗，提高煤礦生產(chǎn)效率，該技術(shù)在煤礦生產(chǎn)中起著重要的作用。文章結(jié)合變頻器在X煤礦主扇風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用情況進(jìn)行介紹，結(jié)果表明采用高壓變頻器對(duì)煤礦主扇風(fēng)機(jī)設(shè)備進(jìn)行調(diào)速節(jié)能改造，具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)對(duì)變頻器在煤礦工程中的應(yīng)用進(jìn)行論述和節(jié)能分析，說(shuō)明變頻器在工程中的應(yīng)用可行且經(jīng)濟(jì)，煤礦的自動(dòng)化水平得到進(jìn)一步提升，煤礦生產(chǎn)過(guò)程更加安全可靠。

【關(guān)鍵詞】變頻器；調(diào)速；節(jié)能

【中圖分類號(hào)】TD442.2 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2017）03-0124-03

0 引言

作為能源消耗較高的煤礦企業(yè)，在眾多設(shè)備中都應(yīng)用到了變頻技術(shù)，例如采掘、排水、運(yùn)輸、通風(fēng)及空氣壓縮設(shè)備等。變頻器節(jié)能技術(shù)運(yùn)用到這些設(shè)備中，有利于降低煤礦生產(chǎn)電能消耗，從而提高煤礦企業(yè)的生產(chǎn)效益。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，能源成為制約經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的瓶頸，節(jié)能降耗也就成為國(guó)家和企業(yè)嚴(yán)重關(guān)切的問(wèn)題。國(guó)家及各地都出臺(tái)了一些節(jié)能降耗指標(biāo)，并采取了一定的措施。具有節(jié)能效果和調(diào)速性能的變頻器成為首選的節(jié)能產(chǎn)品。變頻器主要用于交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，是理想的調(diào)速方案。變頻器調(diào)速以其自身所具有的調(diào)速范圍廣、調(diào)速精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)，在許多速度控制應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用。它除了具有優(yōu)良的調(diào)速性能之外，還具有顯著的節(jié)能效果。

1 變頻器的工作原理

變頻器一般是先將交流電進(jìn)行整流得到直流電輸出，然后在第一次輸出的直流電再通過(guò)電路來(lái)轉(zhuǎn)換成實(shí)際需求的交流電，其中應(yīng)用到了整流技術(shù)、濾波技術(shù)、電力電子技術(shù)等技術(shù)。變頻器的主要由以下幾個(gè)方面來(lái)構(gòu)成。？譹？訛整流：實(shí)現(xiàn)將工頻電源（變頻器的輸入的電源或稱為工作電源）的交直流轉(zhuǎn)換，得到直流電輸出。？譺？訛濾波：濾波的作用是將信號(hào)中特定波段頻率濾除的操作，是抑制和防止干擾的一項(xiàng)重要措施，對(duì)于剛剛通過(guò)整流過(guò)來(lái)的直流電源，里面可能會(huì)包含幾次諧振波或者其他的頻率波，屬于脈動(dòng)電壓或者電流，這些波段電源可能導(dǎo)致電源的性能不夠穩(wěn)定可靠。？譻？訛二次整流：將通過(guò)濾波后輸出的直流電重新轉(zhuǎn)換成交流電，這些交流電的電壓和頻率可以根據(jù)不同的整流的方式來(lái)調(diào)節(jié)。？譼？訛其他部分：整流—濾波—整流其實(shí)就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了輸出電源的電壓和頻率的可調(diào)，增加制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元、微處理單元等部分，是為了讓輸出的電源信號(hào)更加可靠和方便使用。

總體流程可以這樣描述：將工頻電源變換為直流功率的整流器，吸收在整流時(shí)產(chǎn)生的電壓脈動(dòng)的平波回路，以及將直流功率變換為交流功率的逆變器，通過(guò)這三大部分的完美結(jié)合，就可以得到一個(gè)簡(jiǎn)單的變頻器電路。

2 變頻器的選擇

低壓變頻器由二極管整流電路、中間直流回路、逆變橋及IGBT功率器件組成；高壓變頻器由移相變壓器、功率單元和控制器組成。

變頻器的正確選用對(duì)于機(jī)械設(shè)備電控系統(tǒng)的正常運(yùn)行至關(guān)重要。按照機(jī)械設(shè)備的類型、負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性、調(diào)速范圍、靜態(tài)速度精度、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和使用環(huán)境的要求，決定選用何種控制方式和防護(hù)等級(jí)的變頻器。

目前，變頻器合理的電壓等級(jí)是由功率器件承受電壓水平?jīng)Q定的，而某一電壓等級(jí)下變頻器可能的功率范圍則由功率器件的承載電流能力決定。根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性的不同，分為三大類型：恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載、恒功率負(fù)載和風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載。在實(shí)際選擇變頻器時(shí)，要以電機(jī)額定電流值作為主要依據(jù)，電機(jī)的額定功率只能作為參考，并考慮一定余量。

3 變頻器的應(yīng)用

在煤礦生產(chǎn)作業(yè)中，通常由空氣壓縮機(jī)提供井下作業(yè)時(shí)所需的壓縮空氣，但壓縮空氣應(yīng)用的是非連續(xù)性的機(jī)械設(shè)備，而壓縮機(jī)屬于連續(xù)運(yùn)行的機(jī)械設(shè)備，所使用的時(shí)間較長(zhǎng)。在煤礦井下作業(yè)時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)難以根據(jù)負(fù)載量大小進(jìn)行調(diào)整，而在供風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備中運(yùn)用變頻器節(jié)能技術(shù)能夠有效地調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，能夠確保在壓力較穩(wěn)定時(shí)，使煤礦壓縮空氣的質(zhì)量得到進(jìn)一步的提高。此外，在煤礦壓縮機(jī)中應(yīng)用變頻節(jié)能技術(shù)的優(yōu)勢(shì)還體現(xiàn)在以下方面：其一，變頻器節(jié)能技術(shù)能夠避免機(jī)械設(shè)備受到電流沖擊；其二，通過(guò)應(yīng)用變頻器節(jié)能技術(shù)，能夠使系統(tǒng)在恒壓控制的狀態(tài)下，恒定氣壓，從而使煤礦作業(yè)氣源的質(zhì)量得到有效改善；其三，應(yīng)用變頻器節(jié)能技術(shù)，所節(jié)省的電能可達(dá)到總電能耗費(fèi)量的20%，從而有效降低變頻器節(jié)能技術(shù)的投入成本。通風(fēng)機(jī)是為煤礦井下強(qiáng)制通風(fēng)所用，是為井下傳送新風(fēng)，從而使井下各處的氣體混合物的濃度滿足規(guī)程規(guī)范的要求。利用現(xiàn)代自控技術(shù)、風(fēng)筒壓力等多參量，實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的可靠控制，隨時(shí)調(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行速度，從而自動(dòng)監(jiān)視風(fēng)筒壓力，以維持風(fēng)壓恒定。

X煤礦主扇風(fēng)機(jī)原來(lái)使用2臺(tái)對(duì)旋風(fēng)機(jī)，1用1備，電機(jī)功率為250 kW，轉(zhuǎn)速為740 r/min，電壓為6 000 V，原風(fēng)機(jī)為20世紀(jì)80年代中期安裝使用，磨損嚴(yán)重，漏風(fēng)嚴(yán)重，維護(hù)量大，影響了煤礦通風(fēng)安全。風(fēng)機(jī)啟動(dòng)電流大，啟動(dòng)后以工頻方式運(yùn)行，無(wú)法根據(jù)井下用風(fēng)量的改變調(diào)節(jié)風(fēng)量，電能的浪費(fèi)現(xiàn)象較為嚴(yán)重。

為了實(shí)現(xiàn)礦用通風(fēng)機(jī)高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，X煤礦領(lǐng)導(dǎo)在2013年煤礦技改項(xiàng)目中，采用南陽(yáng)防爆集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的2臺(tái)BCDZNO25礦用主通風(fēng)機(jī)和佳木斯電機(jī)股份有限公司生產(chǎn)的YBF560M1—8隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)更換原有通風(fēng)設(shè)備。

3.1 合理選用變頻器電壓等級(jí)

由于風(fēng)機(jī)負(fù)荷較大，礦井地面高壓為6 kV，因此選用6 kV/690 V的進(jìn)線變壓器，則可獲得660 V電源電壓。

3.2 機(jī)械設(shè)備的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性

風(fēng)機(jī)屬于典型的流體類負(fù)載，該類負(fù)載設(shè)備在煤礦中占很大的比例。負(fù)載的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。流體類負(fù)載通過(guò)變頻器調(diào)速來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)量、流量，可以大幅度節(jié)約電能。

3.3 變頻器容量選擇

根據(jù)電機(jī)額定功率，考慮變頻器的高次諧波的影響，使電機(jī)發(fā)熱，適當(dāng)留有余量，以防止溫升過(guò)高，影響變頻器的使用壽命。按增加10%考慮，選用710 kW AC690V變頻器。

3.4 變頻裝置的配置

（1）進(jìn)線電抗器可以大大減少進(jìn)線電網(wǎng)諧波，而且可以減少對(duì)設(shè)備的電流沖擊，保證設(shè)備的可靠性。抵制或消除變頻器輸入電流中的高次諧波通過(guò)電網(wǎng)對(duì)電子回路和電子設(shè)備的干擾。

（2）配備熔斷器組合開(kāi)關(guān)，保護(hù)整流進(jìn)線單元電子元器件，保證檢修人員安全或停機(jī)時(shí)分合主電路存有明顯斷點(diǎn)。

（3）接觸器+急停開(kāi)關(guān)。在出現(xiàn)設(shè)備故障時(shí)，按急停開(kāi)關(guān)，依靠進(jìn)線接觸器作為自動(dòng)跳閘器件，切斷主電路，保證設(shè)備和人身安全，使系統(tǒng)更加安全且便于遠(yuǎn)程操作。

（4）配有Du/dt濾波器，690 VAC電機(jī)所用變頻裝置配有Du/dt濾波器，減少電機(jī)的噪聲，降低電磁輻射，確保電磁環(huán)境干凈，延長(zhǎng)電機(jī)壽命，以確保電機(jī)的可靠使用。

（5）12脈波整流器。每套裝置都配有2套6脈波整流器，組成12脈波整流器，可以有效地消除電流中的11次以下諧波，減少對(duì)電網(wǎng)諧波干擾，凈化電網(wǎng)環(huán)境。為得到12脈沖方式的相位移，要求使用多繞組變壓器。采用干式變壓器，隔離變壓器有2個(gè)次級(jí)繞組，一個(gè)為Y接法，另一個(gè)為△接法，這樣2個(gè)次級(jí)繞組間產(chǎn)生30°的相位差，提供12脈波，滿足12脈沖輸入整流橋的要求。

上述風(fēng)機(jī)使用變頻器不僅可以完成生產(chǎn)工藝要求，同時(shí)可以使風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)控制，既減小了電機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，又減少了風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)磨損和設(shè)備的沖擊能耗，延長(zhǎng)了設(shè)備的電氣和機(jī)械壽命。

3.5 節(jié)能分析

根據(jù)機(jī)械專業(yè)所提供的資料，風(fēng)機(jī)年運(yùn)行8 000 h，風(fēng)量100%運(yùn)行時(shí)間占20%，風(fēng)量70%運(yùn)行時(shí)間占50%，風(fēng)量50%運(yùn)行時(shí)間占30%，電費(fèi)以0.7元/kW·h計(jì)算，當(dāng)采用擋板控制時(shí)，每年電費(fèi)為298.4萬(wàn)元，采用可變速控制時(shí)每年電費(fèi)為152.6萬(wàn)元，每年可節(jié)省電費(fèi)145.8萬(wàn)元，節(jié)電率為49%。采用變頻器控制時(shí)，初期安裝費(fèi)用較高，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，還是經(jīng)濟(jì)的。

3.6 變頻運(yùn)行情況

3.6.1 變頻運(yùn)行

變頻器投入運(yùn)行以來(lái)一直穩(wěn)定運(yùn)行，輸出頻率、電壓和電流穩(wěn)定，風(fēng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，變頻器網(wǎng)側(cè)實(shí)測(cè)功率因數(shù)為0.976，效率均高于96%，滿載時(shí)網(wǎng)側(cè)電流諧波總?cè)萘啃∮?%，輸出電流諧波小于4%。風(fēng)機(jī)以低于額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，不僅節(jié)約了能源，減少了維護(hù)費(fèi)用，還降低了風(fēng)機(jī)的運(yùn)行噪聲，經(jīng)濟(jì)效益良好。

3.6.2 變頻操作

變頻器顯示采用中文圖形界面，觸摸屏操作，生動(dòng)直觀，變頻器的運(yùn)行狀態(tài)一目了然，各種運(yùn)行數(shù)據(jù)可在觸摸屏上查詢，便于操作人員及時(shí)了解變頻器的運(yùn)行情況。變頻器操作簡(jiǎn)單，可在120 s之內(nèi)啟動(dòng)至高速，短時(shí)間內(nèi)達(dá)到所需風(fēng)量。簡(jiǎn)便的操作和短的啟動(dòng)時(shí)間確保了生產(chǎn)安全。并且，反風(fēng)操作比以前簡(jiǎn)單可靠，只需設(shè)置變頻器按反向的頻率運(yùn)行即可，完全可滿足10 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)反風(fēng)的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

X煤礦主扇風(fēng)機(jī)應(yīng)用變頻調(diào)速控制后，不僅滿足了煤礦通風(fēng)要求，而且使得風(fēng)機(jī)高效運(yùn)行，節(jié)能效果顯著。目前，我國(guó)煤礦大量主扇風(fēng)機(jī)能力富裕、長(zhǎng)期低效運(yùn)行，造成大量電能的浪費(fèi)。交流變頻調(diào)速器具有適用性強(qiáng)、可靠性高、操作使用方便、高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，受到廣大用戶的青睞。通過(guò)事例，說(shuō)明煤礦采用變頻器不僅可行，而且經(jīng)濟(jì)，控制和線路非常簡(jiǎn)單，再加上變頻器完善的故障診斷和顯示功能，使整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的可靠性、可維修性大幅度提高，煤礦的自動(dòng)化水平也得到進(jìn)一步提升，煤礦的生產(chǎn)更加安全可靠，得到了用戶的肯定，市場(chǎng)前景非常廣泛。

近年來(lái)，在煤礦機(jī)械設(shè)備中應(yīng)用變頻器節(jié)能技術(shù)越來(lái)越廣泛。作為一種新興的電力節(jié)能技術(shù)，變頻器節(jié)能技術(shù)具有高性能、數(shù)字化及智能化等優(yōu)勢(shì)，對(duì)于煤礦的生產(chǎn)有著重要的意義。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，不斷涌現(xiàn)出了具有高性能、高安全性及高穩(wěn)定性的變頻器，并且變頻器節(jié)能技術(shù)越來(lái)越好。因此，將變頻器節(jié)能技術(shù)應(yīng)用到煤礦生產(chǎn)中，能進(jìn)一步降低煤礦生產(chǎn)中所消耗的能源，從而有效地提高煤礦企業(yè)的經(jīng)營(yíng)效益。

參 考 文 獻(xiàn)

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[責(zé)任編輯：陳澤琦]