變頻器在煤礦皮帶機中的應用

武 寧

（山西陽煤集團壽陽開元礦業有限責任公司，山西 陽泉 045000）

引言

在煤礦正常生產中，電能消耗很大，電費在運行成本中占很大的比重。其中通風、提升、排水、壓氣、運輸等設備的電能消耗占2／3以上，有很大一部分電能被白白浪費掉［1］。因為在設計時電氣設備都留有裕量，但是在實際運行中很少能達到固定的負荷。此外，為了在固定的工況點運行，采用固定的調節措施來維持正常運行，例如串電阻調節電流等，很大部分電能就被調節器浪費掉。煤礦運輸設備是煤礦正常生產的前提，而運輸設備的核心是皮帶機。由于煤的密度的不均勻性，使皮帶機上的負荷也不均勻。若長時間處在欠載狀態導致無功功率增加，則會導致電機發熱嚴重，產生較大的諧波，影響其他電器設備的運行。由于傳統的皮帶機電機在調速時多采用串電阻調速，導致在電阻上損耗了大部分電能，而且還不能實現無級調速，所以在現代化礦井中進行了改造，通過變頻器實現對電機的控制，這也有利于自動化的實現。

1 變頻器的工作原理

變頻器的核心變頻技術是微電子技術和電力電子技術的結合體。變頻的實現過程是，當電機發出變頻信號之后，控制電路控制整流橋正常工作，將工頻交流電轉化為直流電，然后控制電路控制逆變橋工作，將直流電轉化為特定頻率的交流電。交流電的頻率可以通過控制逆變橋的工作頻率來實現。以上介紹的是交直交變頻技術，原理簡圖如圖1所示。由于現在要求頻率變化范圍比較大，不采用交交變頻技術。

圖1 變頻器工作原理示意圖

電機轉速和頻率公式為：n＝60×f×（1－s）／p。其中f為電源頻率；s為電動機轉差率，p為電機的極對數。電機型號確定后，電動機轉速與電源頻率成正比。所以改變電源頻率即可改變轉速n。根據轉速和頻率的公式可知，通過改變頻率可以實現電機的無級調速。變頻調速是一種理想的調速方式。

2 變頻器在皮帶機上的應用

在皮帶機上的變頻器改造前和改造后有著明顯的區別。在改造之前，電機和電網直接相連，在改造之后電機通過變頻器和電網相連。經過變頻改造之后，皮帶機系統有以下優點：

1）實現皮帶機的軟起動和軟停車。在啟動時，變頻器可以通過調節頻率使皮帶機以一個較低的轉速啟動，逐漸過渡到正常工作狀態，減少了對電機轉子的沖擊。在停止的時候，可以控制變頻器逐漸降低電源的頻率，使電機平滑地停止運行并減少對電網的沖擊。

2）降低了皮帶強度的要求。采用變頻器之后，由于啟動變得平穩，減少了啟動過程中對皮帶強度的要求。

3）降低了設備的維護量。在實際應用過程中，由于降低了起動沖擊，皮帶機機械系統的設備損耗也隨之降低，減少了皮帶機機械部分的檢修量，使托輥及滾筒的壽命成倍的延長［2］。

4）節能效果明顯。通常情況下，煤礦皮帶機在設計時留有很大的裕量。然而由于在裝煤時煤量或煤的密度存在差異，使得大部分時間內電機不能在額定功率內運行，產生大量的無功功率，造成電機發熱，嚴重影響電機的壽命。經過變頻改造以后，在適當的時間內調整電機的工作狀態，可以使電機處在最佳工況點工作。使用變頻器之后，系統運行更加平穩，增加了設備的使用壽命，特別是皮帶的使用壽命。

煤礦皮帶機變頻器具有以下幾個特點：第一，技術指標高。啟動轉矩在2倍以上，能在150%額定電流以上連續運行；運行速度曲線成S形，加減速平滑；實現四象限運行，解決能量回饋；數字控制功能完善；第二，散熱性能好。由于變頻器工作時的功率很大，發熱量很嚴重，而在煤礦井下，設備都在防爆柜中進行，因此，其對散熱性能的要求相對較高。這就要求設備穩定性能好。由于在煤礦井大功率設備很多，在運行時會有大量的諧波注入電網中，故變頻器在工作時輸入的電壓含有一定量的高次諧波，變頻的關鍵電子元件能否在有諧波的情況下正常工作，而且在輸出時能否將諧波過濾掉，也是個棘手的問題。

3 采用變頻器后的經濟效益分析

煤礦皮帶機額定容量為800kW，在沒有采用變頻器前，每天的耗電量為16 320kW·h，采用變頻器后，實測皮帶機每天的耗電量是11 750kW·h，日耗電量節約為：16 320kW·h－11 750kW·h＝4 570kW·h，節電率為：4 570kW·h／16 320kW·h＝28%，企業用電為每度電1元，則年耗電量節約：4 570×320×1＝146.24萬元。

從計算可以看出，每年節省的電能就是一筆不小的收入，在經過改造后，1～2年的時間即可將改造的成本收回。經過變頻改造設備的使用壽命和無故障工作時間明顯增加，減少了設備的運行成本。

4 結語

對變頻器的工作原理以及變頻調速的原理作了簡要說明，闡述了煤礦皮帶機經過變頻改造之后性能的改善，最后對皮帶機改造后的經濟效益進行了簡單的計算。從計算的結果來看，改造之后企業的經濟效益有了很大的提升。同時也說明變頻技術的節能優勢很明顯，在大功率場合下調節電機轉速最好的方式就是變頻。

［1］ 林德貞.淺談變頻器在煤礦機電設備中的應用［J］.能源與環境，2013（5）：30－31.

［2］ 孫高峰.變頻器在煤礦皮帶機的應用研究［J］.煤礦現代化，2010（6）：102－103.