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      變頻節(jié)能技術(shù)在煤礦設(shè)備上的應(yīng)用探討

      2019-02-12 22:50:50呂耀民
      陜西煤炭 2019年5期
      關(guān)鍵詞:象限采煤機(jī)變頻

      呂耀民

      (銅川市耀州區(qū)秀房溝煤礦,陜西 銅川 727104)

      0 引言

      隨著市場(chǎng)對(duì)于煤炭這種傳統(tǒng)能源需求量的不斷增大,煤礦的生產(chǎn)強(qiáng)度、機(jī)械化程度和原煤產(chǎn)量也越來(lái)越大,這就對(duì)煤礦機(jī)電設(shè)備安全高效、穩(wěn)定地運(yùn)轉(zhuǎn)提出了更高的要求。煤礦成本構(gòu)成中,電耗是一項(xiàng)特別重要的指標(biāo),降低噸煤電耗是煤礦節(jié)能改造工作的重要攻關(guān)難點(diǎn)[1-3]。為此,改進(jìn)煤礦機(jī)電設(shè)備效率,提高設(shè)備的節(jié)能效果和技術(shù)含量成為當(dāng)前煤礦設(shè)備的重要發(fā)展方向。在這樣的背景下,推廣變頻節(jié)能技術(shù)可有效降低煤礦機(jī)電設(shè)備的能源消耗量[4-7],在提高機(jī)電設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)效率的同時(shí),增強(qiáng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性與使用壽命,同時(shí)降低煤礦生產(chǎn)成本。

      1 變頻節(jié)能技術(shù)

      1.1 變頻技術(shù)概念

      變頻技術(shù)是一種通過(guò)電力電子器件把固定的交流電源(50Hz)轉(zhuǎn)換成不同頻率的交流電的技術(shù)[8-11]。在這一切的轉(zhuǎn)化過(guò)程中幾乎沒(méi)有電能的變化,只存在著電流頻率的變化。交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以表示為式(1)。

      N=60f/p(1-s)

      (1)

      式中:f—供電頻率;p—電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù);s—轉(zhuǎn)差率。一臺(tái)電動(dòng)機(jī)出廠后,極對(duì)數(shù)、轉(zhuǎn)差率成為定值,這樣電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比關(guān)系。對(duì)于工頻電源,當(dāng)電源頻率從0變到50 Hz,電動(dòng)機(jī)則從0變到額定轉(zhuǎn)速的100%,利用調(diào)節(jié)電源頻率線性變化,則機(jī)械設(shè)備的驅(qū)動(dòng)電機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速的要求。煤礦機(jī)電設(shè)備的軸功率往往對(duì)轉(zhuǎn)速十分敏感,這為落實(shí)機(jī)電設(shè)備的節(jié)能任務(wù)提供了一個(gè)新思路。

      1.2 變頻節(jié)能技術(shù)

      煤礦機(jī)電設(shè)備的特點(diǎn)是功率大,運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中并不是一直需要相同的功率,而是在一定的功率范圍內(nèi)波動(dòng),這就為機(jī)電設(shè)備節(jié)能留有很大的空間[12-13]。例如,采煤機(jī)遇到夾矸煤層和非夾矸煤層,驅(qū)動(dòng)采煤機(jī)滾筒電機(jī)需要提供不同的功率才能夠正常割煤,避免“大馬拉小車”。為了使驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供不同的輸出功率和割煤速度,這時(shí)就需要運(yùn)用變頻技術(shù)來(lái)適應(yīng)這種變化。

      對(duì)于水泵、風(fēng)機(jī)類負(fù)荷,軸功率見(jiàn)式(2)。

      P=QH/η

      (2)

      式中:Q—流量;H—壓力;η—設(shè)備效率??煽闯?,軸功率與流量、壓力成正比關(guān)系。從流體力學(xué)理論可知,流量Q與設(shè)備轉(zhuǎn)速n成正比;壓力H與轉(zhuǎn)速n的平方成正比,則軸功率P與轉(zhuǎn)速近似成立方比。當(dāng)設(shè)備效率一定時(shí),為調(diào)節(jié)流量下降,可調(diào)整設(shè)備轉(zhuǎn)速下降來(lái)達(dá)到目的,借助變頻技術(shù)這時(shí)設(shè)備的軸功率會(huì)成立方關(guān)系下降,意味著節(jié)約了電能消耗。

      煤礦設(shè)備直接啟動(dòng)或Y/Δ啟動(dòng)時(shí),啟動(dòng)電流是額定電流的4~8倍,會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重沖擊、造成母線電壓下降保護(hù)動(dòng)作,為此往往需要加大電網(wǎng)容量,增加了系統(tǒng)投資。同時(shí),啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)極低(cosφ≈0.4),造成系統(tǒng)資源浪費(fèi)。采用變頻技術(shù),可實(shí)現(xiàn)設(shè)備軟啟動(dòng),提高了啟動(dòng)時(shí)設(shè)備功率因數(shù),減少了電網(wǎng)沖擊,實(shí)現(xiàn)了節(jié)能的目的。

      煤礦電動(dòng)機(jī)屬感性負(fù)載,工作時(shí)需要占用一定的無(wú)功功率,削弱了電網(wǎng)的供電能力。采用變頻技術(shù)后,由于變頻器內(nèi)部濾波電容器的作用和功率器件的觸發(fā)方式的調(diào)節(jié),使用電設(shè)備功率因數(shù)cosφ≈1,從而減少了系統(tǒng)無(wú)功損耗,增加電網(wǎng)有功功率,達(dá)到了節(jié)能效果。

      2 變頻器在煤礦機(jī)電設(shè)備中的應(yīng)用

      2.1 礦用變頻器

      由于變頻器屬功率電子設(shè)備,具有降低機(jī)電設(shè)備能源損耗,提高設(shè)備的自動(dòng)化和智能化性能,還具備遠(yuǎn)程操作的便利性和可靠性,變頻器在煤礦自動(dòng)化設(shè)備中應(yīng)用十分廣泛,且頗受好評(píng)。隨著經(jīng)濟(jì)、科技水平、生產(chǎn)力的快速發(fā)展,常規(guī)變頻器逐漸不能適應(yīng)煤礦設(shè)備技術(shù)更迭的情況,只有不斷對(duì)變頻器進(jìn)行技術(shù)開發(fā),才能使其在煤礦自動(dòng)化機(jī)電設(shè)備中立于不敗之地。目前礦用變頻器正在向大功率、高電壓、特種模塊化、智能化轉(zhuǎn)變,功率器件冷卻方式也從風(fēng)冷式、水冷式向特種冷卻方式轉(zhuǎn)變,如超導(dǎo)熱管冷卻、半導(dǎo)體冷卻等。其優(yōu)點(diǎn)是功能豐富、性能穩(wěn)定、隔爆安全、使用便捷、響應(yīng)迅速。

      2.2 交流四象限變頻器

      交流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行機(jī)械特性曲線反映在數(shù)學(xué)軸上有四個(gè)象限。第一象限為正傳電動(dòng)狀態(tài),第二象限為回饋制動(dòng)狀態(tài),第三象限為反轉(zhuǎn)電動(dòng)狀態(tài),第四象限為反接制動(dòng)狀態(tài)。電動(dòng)機(jī)在這四象限都可工作,只不過(guò)一、三象限電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài),從電網(wǎng)消耗能量;二、四象限電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài),可向電網(wǎng)回饋能量。適應(yīng)電動(dòng)機(jī)四象限運(yùn)行特性的變頻器稱為交流四象限變頻器。對(duì)于驅(qū)動(dòng)具有位勢(shì)負(fù)載的特性(如提升機(jī)、牽引機(jī)車)的電動(dòng)機(jī),運(yùn)用交流四象限變頻器,當(dāng)系統(tǒng)增加勢(shì)能過(guò)程中,電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài),從電網(wǎng)吸取能量;當(dāng)系統(tǒng)勢(shì)能減少過(guò)程中,電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài),四象限變頻器沒(méi)有出現(xiàn)以前,這種情況下,只能通過(guò)電阻發(fā)熱消耗掉能量。四象限變頻器出現(xiàn)后,其逆變回路可以把電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電力回饋給電網(wǎng),實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。目前,四象限變頻器的功率模塊可以實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng),通過(guò)具有高速運(yùn)算能力的微處理模塊,可輸出脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào),實(shí)時(shí)觸發(fā)功率器件使變頻器輸出完美、不產(chǎn)生諧波,成為綠色產(chǎn)品。既不污染電網(wǎng),又能向電網(wǎng)回饋能量,極大程度地提高了煤礦機(jī)電設(shè)備的節(jié)能效果。

      3 變頻節(jié)能技術(shù)在煤礦設(shè)備中的應(yīng)用

      3.1 在采煤機(jī)中的應(yīng)用

      采煤機(jī)是集電氣、機(jī)械、液壓、檢測(cè)控制為一體的大型復(fù)雜成套裝備,是現(xiàn)代化煤礦的重要設(shè)備之一。采煤機(jī)不僅可以提高采煤效率、降低體力勞動(dòng)強(qiáng)度,還大大提高了煤礦工人生產(chǎn)的安全性,實(shí)現(xiàn)降低企業(yè)成本的效果。在現(xiàn)代化采煤過(guò)程中,采煤機(jī)扮演重要角色,一旦采煤機(jī)故障,將直接影響整個(gè)礦井的出煤,煤礦其他部門的工作也隨之受到影響。而變頻技術(shù)的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用,使采煤機(jī)工作效率、無(wú)故障工作時(shí)間和維修周期都得到很大改善。目前,電牽引采煤機(jī)采用變頻器驅(qū)動(dòng)已成為標(biāo)配。不同廠家的設(shè)備區(qū)別僅在于智能化配置、通信控制功能和關(guān)鍵部件的材質(zhì)上。

      3.2 在風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用

      秀房溝煤礦主要通風(fēng)機(jī)型號(hào)為FBCDZN026,風(fēng)機(jī)功率為2×200 kW。使用變頻調(diào)速控制系統(tǒng)后,主要效果:①減小電機(jī)的啟動(dòng)電流;②降低電力線路容量和啟動(dòng)時(shí)的電壓波動(dòng);③啟動(dòng)加速度可控;④改善了供電系統(tǒng)的功率因數(shù);⑤可逆運(yùn)行、控制方便。

      變頻裝置可以在設(shè)備零速度、零電壓狀態(tài)下啟動(dòng),按照V/F或矢量控制方式,帶動(dòng)負(fù)載達(dá)到適宜的工況點(diǎn)運(yùn)行,這個(gè)過(guò)程能充分降低啟動(dòng)電機(jī)電流,減少電力線路電壓波動(dòng),不會(huì)引起電壓敏感設(shè)備故障跳閘或工作異常。由于風(fēng)機(jī)葉片質(zhì)量較大,變頻啟動(dòng)過(guò)程中能按照需要進(jìn)行平滑的加速,其加速曲線可預(yù)先選擇(直線加速、S形加速或自動(dòng)加速),便于風(fēng)機(jī)迅速通過(guò)諧振點(diǎn),防止設(shè)備出現(xiàn)劇烈震動(dòng)。通過(guò)檢測(cè)電機(jī)電流,可設(shè)置過(guò)載保護(hù)、防止設(shè)備過(guò)扭矩和電機(jī)過(guò)載損壞。風(fēng)機(jī)采用電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)反風(fēng),只需控制變頻器可逆運(yùn)行就可以了,控制操作簡(jiǎn)單。礦井通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、負(fù)壓是按礦井后期最不利工礦點(diǎn)選擇的,初期風(fēng)量、負(fù)壓較小,此時(shí)讓風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)按35 Hz運(yùn)行,既滿足通風(fēng)需要,又節(jié)約電能。

      3.3 在傳送帶運(yùn)輸機(jī)中的應(yīng)用

      主斜井膠帶輸送機(jī)型號(hào)為DTL80/35/2×220,采用單滾筒雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)(單機(jī)功率為220kW),皮帶傾角為16.8°。利用變頻調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動(dòng),能長(zhǎng)期可靠地服務(wù)于長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)這類恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載,具有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、啟動(dòng)電流小、便于低速驗(yàn)帶等特點(diǎn)。系統(tǒng)可在輕載、重載工況下控制帶式輸送機(jī)這類柔性負(fù)載的軟啟動(dòng)/軟停車過(guò)程,并在全過(guò)程中實(shí)現(xiàn)各驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間的功率平衡和速度同步。系統(tǒng)提供的帶速調(diào)節(jié)功能,降低快速起動(dòng)/快速停車過(guò)程對(duì)機(jī)械和電氣系統(tǒng)的沖擊,避免了灑料,有效抑制了動(dòng)態(tài)張力波可能對(duì)膠帶和機(jī)械設(shè)備造成的危害,延長(zhǎng)了帶式輸送機(jī)使用壽命。

      3.4 在提升機(jī)中的應(yīng)用

      煤礦提升機(jī)承擔(dān)著提升煤炭、材料、人員、機(jī)械設(shè)備的任務(wù),是具有位勢(shì)能的機(jī)械設(shè)備。隨著變頻器技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步,絞車變頻器越來(lái)越成熟。在大型、特大型煤礦提升設(shè)備中,變頻提升機(jī)已占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。煤礦提升機(jī)常見(jiàn)的變頻器有四象限交-交變頻器和交-直-交變頻器2類,具備無(wú)級(jí)變速、控制平穩(wěn)、保護(hù)完整、節(jié)能、易于自動(dòng)化運(yùn)行等眾多優(yōu)點(diǎn)。

      4 結(jié)語(yǔ)

      變頻節(jié)能技術(shù)在煤礦設(shè)備中的廣泛應(yīng)用,可以幫助企業(yè)節(jié)能降耗,增強(qiáng)煤炭企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的動(dòng)力。變頻節(jié)能技術(shù)不僅賦予了設(shè)備較好的機(jī)械特性和節(jié)能效果,更為設(shè)備增強(qiáng)了控制調(diào)節(jié)功能,促進(jìn)了煤礦機(jī)電設(shè)備進(jìn)一步發(fā)展。

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