變頻節能技術在皮帶運輸杌上的應用

摘 要：該文簡要介紹了變頻節能技術的原理，針對在煤礦企業中廣泛采用的皮帶運輸機作為研究對象，具體闡述了變頻節能技術的應用方法以及在節能環保方面的技術優勢。

關鍵詞：變頻 節能 皮帶運輸機

中圖分類號：TM571 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）05（b）-0040-01

改革開放以來，我國能源消費總量經過近30年的發展從1978年的57144萬t標準煤增長到2005年的222000萬t標準煤，已成為全球能源消費大國。

煤炭是在我國占總能源消費60%以上的一次消費能源，石油、天然氣等能源消費比重呈現逐年上升趨勢。水電、地熱、太陽能、風能等其它資源的開發利用在我國能源消費中卻不足1%，我國的能源消費結構很不合理，環境污染問題嚴重。在我國，電機的總裝機容量已達到4億千瓦，然而我國電機驅動系統的能源利用率仍然很低，各工業企業的各類大功率設備如風機、水泵等消耗了大部分的電力。

變頻節能技術具有顯著的節電效率，優良的調速性能，近幾年正廣泛應用于冶金、航空、機械制造、家用空調等各領域。通過控制電機輕載時的電機轉速達到節能目的，取得了長遠的經濟效益和社會效益。

1 變頻節能技術原理

現代電力傳動技術發展的主要發展方向即是變頻調速技術，由于變頻節能技術節電效果顯著，調速性能精確、穩定可靠，同時還可以延長設備的使用壽命，并廣泛應用到空調、電梯、冶金、機械、電子、石化、造紙、紡織等行業。變頻節能技術已經歷了40多年的快速發展，國內外專家學者已經對變頻調速技術建立了一套較為完善的科學理論體系，變頻節能技術融合了電機學、電力電子信息技術、微電子技術、控制技術等多方面學科。變頻節能技術的核心產品是變頻器。變頻器被人們稱為“工業維生素”，其原理是將交流電轉換為可變頻變壓運行的電能。整流器、平波電抗器或濾波電容器、逆變器及控制電路組成了變頻調速裝置。變頻器工作時，首先輸入的工頻交流電通過整流器轉換為直流電，再經過中間直流電路網絡輸出到逆變器變換為所需要的頻率、電壓均可調的交流電。變頻器中間直流電路中儲能元件的結構的不同可以分為電流型變頻器和電壓型變頻器。電流型變頻器的儲能元件是串接平波電抗器，而電壓型變頻器的儲能元件則是并聯濾波電容器。變頻器通過控制調節頻率控制電機的運轉速度，在電機運轉速度低的時候通過儲能元件把能源儲存起來，在工作時再將儲存的能量釋放供給電動機，從而達到節約能耗的目的。

2 變頻節能技術的優勢

工程應用中的電力拖動系統，主要的調速方式有變極調速、串級調速、調壓調速、液力耦合器調速和變頻調速。變頻調速是目前交流電動機最理想的調速方案，變頻器調速在性能和可靠性方面的主要優勢如下：

（1）與變極調速相比，工作時平滑性較好，效率高，低速時，相對穩定性好。而變極調速是通過改變異步電動機定子繞組的極對數，從而改變電動機的同步轉速。變極調速僅僅適用于平滑性要求不高、連續和頻繁調速的鼠籠型異步電動機場合。變極調速屬于有極調速，且其調速級差較大。

（2）與串級調速相比：變頻調速范圍更大，精度更高，且變頻調速氣動電流低，對電網系統無沖擊，節能效果顯著。串級調速需要在繞線式異步電動機的轉子電路串聯一個附加電勢，這個附加電勢具有與轉子相同的頻率，但相位相反。此時異步電動機的轉速通過改變轉差率進行控制，轉差功率在調速時轉化為機械能驅動負載，因此串級調速的調速范圍由調速裝置的容量決定，調速范圍大約為70%～95%，若采用可控硅串級調速，會產生高次諧波造成電網污染。

（3）與液力耦合器調速：液力耦合器安裝在電動機與負載之間，先在電動機側將電動機的機械能轉化為油的動能和勢能，而在負載側則將油的動能和勢能轉換為輸出的機械能，并通過油的循環流動實現傳遞功率，改變油的循環量即可調節輸出機械能的轉速。液力耦合器調速滑差損失較大、效率較低，不適合于低速小功率的調速裝置，調速精度和穩定性都與變頻調速有很大的差距，變頻調速在恒轉矩調速時，低速段電機的過載能力可大為降低。

（4）在交流拖動電力系統中，負載的總用電量約占總用電量的一半以上，采用變頻節能技術，可大大提高效率，又獲得十分可觀的節電效果，減少大約10%的電能消耗。

3 皮帶運輸機上的變頻節能改造

目前我國各類煤礦企業普遍采用工頻拖動方式驅動皮帶運輸機，這種方式主要的缺陷有：工頻拖動方式普遍效率不高；電機無法采用軟啟動軟停止，產生劇烈的機械沖擊；皮帶、液力耦合器的維修成本較高。

皮帶運輸機通過電動機驅動輪鼓，皮帶與輪鼓之間產生的摩擦牽引力使皮帶和所輸送的物體運動。在皮帶運輸機停止和運行時，由于皮帶自身的彈性即可儲存大量勢能，因此電機需要采用軟啟動。使用變頻節能技術對皮帶運輸機進行改造后，其節能效果主要體現以下幾個方面。

（1）通常情況下，皮帶輸送機通常選用裕量較大的電機，電機絕大部分時間內工作在滿電壓、滿速度，但輕載運行中，也有部分時間是空載運行。因此電機的功率因數沒有達到最佳，電能損失較嚴重。特別是在輕載運行時，定子電流勵磁的無功分量較有功分量大得多，功率因數降低。采用變頻器驅動有效改變了整個過程，無功功率通過變頻器中的儲能元件儲存起來在重載荷時再使用，有效提高功率因數至0.9以上。

（2）電機與減速器之間不需要通過液力耦合器聯接。液力耦合器本身通過液體傳遞機械能，傳遞效率比采用變頻器驅動的系統總效率要低5%～10%左右。另外，通常礦井和變電站之間距離較遠，變頻器對不同時段的電壓波動可進行自動穩壓，也起到了部分節能作用，系統效率得到有效提高。

（3）解決了電機同軸出力不平衡的問題，電機在低速段運行時也可以獲得最大的轉矩輸出。變頻控制系統實現了對皮帶運輸機進行過程和邏輯控制；變頻控制系統可對皮帶運輸機運行中的主要技術參數進行檢測，如堆料檢測、速度檢測、壓力突變檢測、煙霧、干濕、溫度檢測、皮帶狀態檢測等，從而皮帶運輸機運行狀態更加穩定，實現了過程控制自動化。也使皮帶運輸機的維護和檢修更加方便。

4 結語

變頻調速技術是近20年來發展前景最廣闊的電機調速方法，進過變頻技術改造后的皮帶運輸機節能效果顯著，實現了電機的軟啟軟停，改造后系統的功率因素和系統效率顯著提高，取得了良好的經濟效益。

參考文獻

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