高壓變頻器在煤礦地面瓦斯抽放泵上的應用和分析

杜 欣

（山西省陽泉煤業集團有限公司，山西陽泉 045000）

1 概述

伴隨筆者所在煤礦開采能力的提高，煤炭的產能加大，隨之而來的瓦斯也在增多，瓦斯泵的數量也有所增加。為了減少瓦斯抽放泵耗電量，決定對現有的瓦斯抽放泵進行技術改造。經過技術經濟分析，最終決定采用高壓變頻技術對瓦斯抽放泵的控制系統進行改造[1]。

2 瓦斯泵變頻節能原理

泵類設備的轉速（n）和流量（Q）、泵的揚程（H）和功率（P）兩者之間關系如下：

式（1）：Ql/Q2=nl/n2；

式（2）：Hl/H2=(nl/n2)2；

式（3）：Pl/P2=(nl/n2)3。

從上述的關系式可得出，通過降低電機轉速實現減少流量輸出時，其節能效果和轉速成立方比關系。

當瓦斯量較少時，可以降低電機的轉速。比如電機轉速降低為額定轉速的80%，由式（3）可得出，降低后電機實際功率為降低前功率的51.2%。由此可見，運用變頻調速技術可以有效降低能耗。在瓦斯抽放泵滿足生產的前提下，降低轉速，泵的效率有所下降，但是可帶來能耗的減少，有利于節約電能。

目前，煤礦瓦斯抽放泵處于全速（電機額定轉速）運行狀況，不能依據礦井的瓦斯量和民用瓦斯量的多少進行瓦斯抽放量調整。也就是說，瓦斯涌出量相當多時，瓦斯抽放泵全速運行，當瓦斯涌出量較少時，泵全速運行將會造成瓦斯抽放濃度降低，使得排放瓦斯混入過多的空氣，有可能引發爆炸事故，同時還造成了電能的過多損耗。

經過對瓦斯抽放泵的控制系統進行變頻改造，能夠依據瓦斯涌出量，實時閉環控制調節或手動開環調節變頻器的瞬時頻率，實現電機速率改變，從而實現電機在經濟轉速范圍下運行。這樣既能保證生產運行正常，又能有效節約電能。

3 高壓變頻器改造方案確定

（1）各類調速方式分析比較

通過對瓦斯抽放泵的驅動電機采用變頻調速技術，以實現瓦斯抽放泵的節能。當前，三相異步電動機成熟的調試技術主要有以下幾種：電磁調速、液力耦合器調速、液態電阻調速、變極調速、傳統串級調速、內反饋串級調速、變頻調速等。

1）電磁調速，該調速裝置軸向尺寸較長，所需安裝空間較大。當電磁滑差離合器發生異常時，只能采取停機措施，方能檢修；同時，該裝置在調試過程中，對能量有一定的消耗，不利于節能。尤其是轉速為電機額定轉速2/3時，消耗能量最多，可達電機額定功率的14.8%，可見，該調速方式耗能較高，對能源耗費較大。

2）液力耦合器。安裝方式：液力耦合器串在驅動電機與負載端間，利用液位的高低調整耦合扭矩，從而完成負載端速度調整。其調速本質是運用轉差功率消耗實現的，當轉速較低時，其效率隨之降低。液力耦合器日常維護量較大[2]。

3）液態電阻調速，通過電動執行機構實現調速，一旦電動執行機構發生異常將會波及整個系統的安全性。

4）變極調速，該調速方式在20世紀70年代應用較廣泛。該調速方式具有較硬的機械特性，優越的穩定性能，不存在轉差耗能，執行效率高，接線難度小，易于控制，造價較低；缺點是不能實現無極調速，有較大的級差，無法實現平滑調速；對操作要求偏高，需要在定子邊使用高壓開關完成切換操作，一旦切換失誤，會引發事故。采用變極調速方式，對電機要求較高，電機定子接線復雜程度高，其相應尺寸需要加大。

5）傳統串級調速，該調速方式通常適用于繞線式異步電機，把轉子的部分能力經過整流逆變返到電網。該調速方式效率高，投資小，對裝置容量要求較低。缺點：該調速方式功率因數不高，產生的諧波對環境造成一定的污染。

6）高壓交流變頻調速，該調速方式充分運用了先進的電子技術、計算機控制技術、通信技術和高壓電氣、電機拖動等學科技術，其調速性能優越，高精度、低耗能大區間、高可靠性、安裝簡單、維護簡便，便于實現自動通訊，是節能調速的首選方式。

經過分析比較，對陽煤一礦陽坡堰瓦斯泵選用高壓變頻技術是最佳方案。

（2）變頻調速控制方式

1）一對一、用一備一。采用兩套變頻系統，一套系統對應一臺電機，實現單臺瓦斯抽放泵成為一套獨立系統。

2）工頻手動切換(自選)。為保障變頻系統安全可靠運行，系統設置手動工頻旁路，用于變頻系統異常時手動切換至工頻運行。

3）自行設置啟動曲線。變頻系統能夠多段速啟動，系統具備軟啟動能力，以減少對電網的沖擊。

（3）變頻調速控制系統的配置

控制柜、功率柜各配置1臺，變壓器柜配置3臺，手動旁路柜配置1臺。

4 高壓變頻器原理、功能與特點

高壓變頻器三相Y型輸出，每相串聯的5單元一端與電機相接，一端與變頻器相接。隔離移相變壓器一端引入KV電源，另一端設置15組繞組，各繞組采用單獨供電方式，以此實現高質量的疊加正弦波，完成對電機的驅動。

高壓變頻器功能與特點：

（1）高功率因數，無需補償[3]；

（2）諧波畸變小，微干擾；

（3）電動機噪聲變化輕微；

（4）無共振現象；

（5）應用范圍廣；

（6）全面的自診斷及報警功能。

5 高壓變頻器的運行效果分析

（1）優勢

1）高可靠性、易操作

高壓變頻器柜觸摸屏，采用中文界面，便于掌控運行狀態，同時，中文易識別，有利于故障排除快速排除。

2）系統采用軟啟動

經過高壓變頻改造后，軟啟動不會對電網造成大的沖擊，有利于提高設備的使用壽命。

3）系統節電效果顯著

高功率因數對電能利用率高；依據實際工況實時調整電機轉速，有利于降低能耗。

（2）存在的問題

1）前期設備采購，投入資金較大。

2）崗位職工素質普遍較低，需要進行專業培訓和認知過程。

3）設備的后期維護、保養，缺少專業技術人員，需要與廠家建立維護合作關系。

6 分析結論

隨著高產高效綜采技術在煤礦的推廣，以及煤礦開采強度與深度的增加，瓦斯問題日趨嚴重，提高瓦斯抽放技術勢在必行。對此，采用高壓變頻技術對瓦斯泵進行技術改造，增強了系統的穩定性、可靠性，節能環保。

［1］秦玉忠，盧芳，張錦平，等.變頻器在煤礦行業的應用［J］.自動化與儀器儀表，2012（05）：73-74.

［2］肖朋生.變頻器及其控制技術［M］.北京：機械工業出版社，2008.

［3］仲明振，趙相賓.高壓變頻器應用手冊［M］.北京：機械工業出版社，2009.