變頻調速技術在礦山中的應用

張燕青

(西山煤電集團公司屯蘭礦)

變頻調速技術在礦山中的應用

張燕青①

(西山煤電集團公司屯蘭礦)

介紹了變頻器在礦山中的應用,如變頻調速技術應用于礦井提升機、空壓機、通風機等,論述了選擇變頻器的注意事項,指出變頻調速技術在礦山中的應用對于提高礦山生產設備的效率,節約電能都是至關重要的。

變頻調速技術;礦山;變頻器;應用

1 變頻器在礦山中的應用

1.1 變頻調速技術在礦井提升機中的應用

礦井提升機是礦山運輸的主要設備。它是用一定的裝備沿井筒運出礦石、廢石、升降人員及材料、設備等運輸環節。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;按提升容器可分為罐籠提升機和箕斗提升機等;按提升用途可分為主提升機、副井提升機和輔助提升機。

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,因為電氣傳動系統性能的優劣,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,動態響應速度快,有準確的制動和定位功能,可靠性要求高等。

目前,我國地下礦山礦井提升機的電氣傳動系統主要有:對于大型礦井提升機,主要采用直流傳動系統,有采用直流電動機-直流發電機系統和晶閘管變流器—直流電動機系統。這兩種系統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,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的發展方向。我國已有幾臺大型礦井提升機采用交—交變頻調速系統,取得了很好的效果,但其缺點是功率因數低,諧波大,需加諧波和功率因數補償裝置。隨著變頻調速技術的發展,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,采用這種變頻調速的交流提升機可以克服直流調速系統和交—交變頻調速系統的缺點,是提升機電氣傳動的發展方向。對于小型交流提升機已有成功應用變頻器的實例。

1.2 變頻調速技術在空壓機中的應用

空氣壓縮機是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。分析空氣壓縮機的電能消耗情況,找出節能潛力,實現空氣壓縮機的節能運行,將會降低礦山生產成本,提高其經濟效益。現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,2臺國產空氣壓縮機(活塞式空氣壓縮機)。6臺空氣壓縮機采用并聯運行方式。一般情況下,只運行2～3臺(其中一臺國產空氣壓縮機)其余的空氣壓縮機作為備用。4臺日本日立空壓機采用的是多級壓力節流進氣控制方式:即當壓力低于6.2 MPa時,打開全部進氣閥,壓縮機組以100%負荷率狀態運行;當壓力達到6.2～6.5MPa時關閉隙閥,壓縮機組以75%負荷率運行;當壓力達到6.8～7 MPa時,關閉一個進氣閥,壓縮機組以50%負荷率運行,當壓力達到7 MPa時關閉所有進氣閥,壓縮機組進入空載運行狀態。由于活塞式空氣壓縮機的起、停有著嚴格的規程,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)。金屬礦山的空壓機站多采用這種方式,但這種控制方式顯然存在較大的缺點:

a)據統計,壓縮機組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,管網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。

b)精度低,在某一進風量工作狀態下壓力波動大,特別在生產用風量變化頻繁時期內(用風量大且變化頻繁),不能穩定風壓。

c)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工作壓力偏高,增大了單位壓風量的功耗。

d)當空壓機運行在75%、50%進氣量的工作狀態下,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。

因此,通過對現有的調節方式進行改進,節約了電能,提高了空壓機的運行效率。為活塞式空氣壓縮機的節能運行提供了重要的新手段,對于企業節能降耗,提高企業經濟效益有重要意義,有廣闊的推廣應用前景。

1.3 變頻調速技術在礦井通風機中的應用

礦井通風機是礦山生產的主要用電設備之一,其節能運行在礦山節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(6 kV～10 kV)。

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的,一般都留有余量,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,通常礦山井下作業不均衡,一般夜班工作人員少,所需風量也小,在節假日時,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風量,若要調節風量時,傳統的方法是調節檔板。這種辦法雖然簡單,但從節能的觀點看,不經濟。

1.4 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,他控式變頻調速系統和自控式變頻調速系統。他控式變頻調速系統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,屬速度開環控制。自控式變頻調速系統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。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,屬自控式變頻調速系統,它由變頻器、同步電機、轉子位置檢測器以及控制系統組成。變頻器主電路采用晶閘管串聯組成的高壓閥串作為功率元件,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,因而主電路結構簡單。

2 選擇變頻器應注意的事項

變頻器,特別是高壓變頻器價格昂貴,如選擇不當,達不到節電和提高生產效率的目的,以致造成浪費和不必要的損失。

2.1 根據工藝要求選擇變頻器

1)電機調速雖是風機、水泵節能的有效途徑,但并非凡是風機、水泵都能采用調速節電。對于工藝參數基本穩定,不需要調速的風機、水泵可以采用高效節能電機和高效節能風機,以提高系統效率。對于已建成而配置不合理的風機可以通過采用更換電機,調節葉片角度等方法達到節電的目的。選擇調速節能時應注意:風機、水泵的轉速變化范圍不宜太大,通常最低轉速不少于額定轉速的50%,一般調速范圍在100%～70%為宜,因為當轉速低于額定轉速的40%～50%時,風機、水泵本身的效率明顯下降,是不經濟的;調速范圍確定時,應注意避開機組的機械臨界共振轉速,否則調速至該諧振頻率時,將可能損壞機組。

2)進行可行性分析。在選擇變頻調速設備以后,應從提高效率或提高產品質量的需要情況,從節約電能的情況進行分析、計算,并與變頻器的投資進行比較,計算出變頻器的投資回收期。一般來說,從節約的電費或從提高產品質量、提高效率等方面所得的收益中,在兩年內償還變頻器的投資,認為是可行的。同時分析外部條件是否滿足變頻器的使用要求。

3)變頻器的可靠性。變頻器的可靠性如何,直接決定了變頻器能否成功地應用于生產。這是選擇變頻器的首要條件。

4)根據生產廠家提供的技術規格和技術參數來選擇變頻器在按工藝要求、電源條件、場地及容量等選擇了變頻器方案后,再選擇高壓變頻器。在選擇變頻器時可以根據廠家提供的產品樣本等技術資料及報價表來選擇。

2.2 技術規格和技術參數

1)型號。通過對型號和規格的了解,可以確認該廠家生產的品種。

2)效率。變頻器效率的高低,直接關系到變頻器調速節能的多少,因為在變頻器運行時,變頻器本體也要消耗一部分電能。一般來說直接高壓變頻器的效率都可達到0.97～0.98,而高-低-高式高壓變頻器由于多一個變壓器的損耗,使其系統效率有所降低。

3)功率因數。在整個調速范圍內,功率因數的變化是一項重要指標。最好是在整個調速范圍內功率因數都保持在0.95以上,以使其符合國家標準GB3485 -83的標準,這只有電壓型變頻器和IGBT單相變頻器串聯的高壓變頻器能夠滿足此項規定。而電流型變頻器較難滿足這項要求。

4)諧波。國家對電網諧波有嚴格要求。限制用戶非線性諧波設備注入電網的諧波電流,是限制電網電壓正弦波畸變的關鍵。所用的高壓變頻器的諧波(即裝置對電網產生的諧波)必須符合國標GB/T14549 -93“電能質量、公用電網諧波”的規定,在國際上要符合IEEE-519標準的規定。對于電流型變頻器如采用六脈沖整流,則5次、7次諧波都超過了這個標準,應采用12脈沖整流或附加諧波補償措施。

5)輸出容量和額定輸出電流。變頻器輸出容量以kVA或kW表示,它代表可以供給電動機的輸出功率。用kW表示時,一般以四極標準電機為基礎考慮;用kVA表示,需進行核算。額定輸出電流是在額定電壓下變頻器能夠連續輸出的電流值。在以輸出容量為標準選擇了變頻器以后,還應對額定輸出電流進行核算,以使電動機的額定電流不要超過變頻器的額定輸出電流。

6)頻率范圍。由最低使用頻率和最高頻率定義調速范圍。最低使用頻率的意思與起動頻率不同。起動頻率很小時,并不一定能使電機從該頻率起動。變頻器要對最高頻率設定,對風機、水泵的最高頻率應設定(即箝位)在50 Hz,所有的變頻器都可滿足這個要求,在選擇變頻器時可不作考慮,但使用中需注意。

7)電源容量和允許電壓變化范圍。供給變頻器的電源容量應足夠大,電源電壓變化范圍應在變頻器允許的范圍。用戶在選擇變頻器時應根據自己電網容量及電網電壓的變化情況,對變頻器進行選擇。曾有一個礦山因電壓波動范圍超過了變頻器的允許范圍,而使變頻器不能正常應用。

8)保護功能。變頻器樣本中一般標明其保護功能,這是為了檢測出變頻器的異常情況和防止外部原因及內部異常對變頻器造成損害,保護變頻器正常運行和變頻器安全可靠。

[1] 君 蘭.機電一體化[M].上海:上海科學技術文獻出版社,2009:18.

[2] 姜 橋.電子技術基礎[M].南京:南京大學出版社,2009:36.

[3] 吳忠智.調速用變頻器及配套設備選用指南[M].北京:機械工業出版社,2006:24.

Application on Frequency Conversion Technology in Mine

Zhang Yan-qing

Introduces the application of converter in the mines,such as frequency conversion technology for mine hoist,air compressor,ventilator,etc.,discusses the matters need attention of selection frequency converters,point out that the frequency conversion technology to enhance production equipment efficiency of the mine and energy conservation is essential.

Frequency conversion technology;Mine;Converter;Application

book=3,ebook=58

TD679

B

1672-0652(2010)03-0051-03

2010-01-24

張燕青 男 1980年出生 2009年畢業于中北大學 助理工程師 古交 030206