交流變頻調速技術在新河新副井凍結工程中的應用

曹化春

（1.中煤特殊鑿井有限責任公司，安徽 合肥 230001；2.煤礦深井建設技術國家工程實驗室（淮北），安徽 淮北 235000）

交流變頻調速技術在新河新副井凍結工程中的應用

曹化春1，2

（1.中煤特殊鑿井有限責任公司，安徽 合肥 230001；2.煤礦深井建設技術國家工程實驗室（淮北），安徽 淮北 235000）

交流電動機進行變頻調速控制，不僅能使電力拖動系統具有優秀的控制性能，且在許多生產場合中，還具有非常顯著的節能效果。在耗能較高的凍結工程中引入并應用了交流變頻調速技術，使用變頻調速控制技術比使用前，鹽水泵的節能介于31.1%～73.3%之間；轉速的減慢能減小了鹽水泵的磨損，提高了鹽水泵的使用壽命；同時對變頻調速控制技術在凍結工程鹽水泵應用中出現的問題和缺陷進行了分析和解決。

變頻技術；節能；鹽水泵；流量；耗電量

0 引言

隨著科學的發展，變頻器的應用更加廣泛，從工業設備至家用電器都會使用到變頻器，可以說，只要有三相異步電動機的地方，就會有變頻器的存在[1]。使用變頻調速技術后，生產機械的控制精度可大幅度提高，較大幅度地提高勞動生產率和產品質量，且能對諸多生產過程實施自動控制。通過大量的理論研究和實驗，人們認識到：對交流電動機進行調速控制，不僅能使電力拖動系統具有非常優秀的控制性能，且在許多生產場合中，還具有非常顯著的節能效果。交流變頻調速技術在楊村風井凍結工程試驗中節能區間為13%～67%[2]。在全國節能減排的大環境下，新河新建副井凍結工程對工程運轉心臟部位-鹽水泵上引入并應用了交流變頻調速技術。

1 變頻技術節能的原理

交流調速技術自問世到現在，經歷了幾十年的過程，先后出現了多種的交流調速方式，直到現在，一些調速方式依然繼續在一些生產過程中使用，如：異步電機變極調速、定子電壓調速及轉子串電阻調速。三相交流電動機定于繞組中的三相交流電在定子氣隙圓周上產生一個旋轉磁場，這個旋轉磁場的轉速稱同步轉速，記為n0，實際電動機轉速n（此處為鹽水泵轉速）要低于同步轉速，故一般稱這樣的三相交流電動機為三相異步電動機。交流變頻調速的方式即為異步電機變頻調速，其基本原理如下[3]。

異步電動機的同步轉速遵從電機學基本關系：n0＝60f/p。

式中：f為電源交變頻率（HZ），我國工業頻率f為50Hz；p為電機定子磁極對數，取值見表1。

電機極對數的取值表 表1

電機學中還常用轉差率s參量，其定義為：s＝(n0-n)/n0。電機的實際轉速為n=（60f/p）（1-s）。

設定電機定子磁極對數P不變，調節頻率f，即可使同步轉速n0與實際轉速n得到調節，這就是變頻調速的原理。電機的實際轉速的公式直觀的表達了電動機轉速與供電頻率存在正比的關系，在鹽水泵運轉的過程中，電動機極數作為一個固定值，不會任意發生改變，尤其是在投入生產時，通過改變供電頻率，就可控制鹽水泵電動機轉速。一般供電頻率處于歸零狀態或不超過50Hz，常在這個范圍值上下浮動。因此，電動機轉速存在寬廣的調節空間，變頻器其實就是根據電動機電源頻率的改變來調節電機速度的，通過此種技術的運用，有助于實現鹽水泵電機性能的提高，是一種科學有效的調速技術[4]。

2 在新河新建副井凍結工程中的應用

2.1 工程概述

淄博礦業集團新河煤礦新建副井立井工程使用凍結法鑿井，新建副井凈直徑6.5m，凍結深度245m，具體相關參數見表2。

新河煤礦新建副井井筒凍結工程相關參數表 表2

2.2 變頻控制柜的應用

新河新建副井凍結工程將鹽水泵變頻器投入使用。調試前，將站內運轉機組全部減載為0。停止鹽水泵及其對應自耦變壓器啟動柜，切換到變頻控制柜，干管去路閥門全部打開，通過改變頻率的方式來改變鹽水泵的轉速，進而控制流量的大小。為安全起見頻率的范圍27Hz～45Hz之間，具體調試數據見表3。

由表2作圖1，由圖1可知：在鹽水泵閥門全開的情況下，使用變頻柜后鹽水泵的流量、進線電流與頻率幾乎呈正比關系。鹽水泵流量與頻率的擬合方程為Q=-49.66077+16.8349f，相關性系數為0.99958。進線電流與頻率的擬合方程為I=-125.58217+5.76006f，相關性系數為0.99468。相關系數趨近于1.0，表明上述兩組數據是可進行線性擬合的。

轉速控制方式下，由于在閥門開度不變的情況下，流量Q和轉速n是成正比的，比值Q/n不變。閥門開度不變的情況下，通過控制輸入頻率來調節轉速，轉速來調節流量大小。由圖1（b）知：在一定條件下（新河新建副井凍結工程的鹽水干管去路頭部Ф325變徑Ф377，鹽水泵流量在408～702m3/h之間），頻率與電流幾乎呈線性關系（進線電壓不變）。這樣就解釋了為什么通過調節頻率大小來調節干管流量，進而可達到節電的目的。

使用自耦變壓器啟動柜時，是通過掩去路閥門開度的大小來調節流量，水泵的轉速是不變的。鹽水流量產生的能量消耗在掩上部分的閥門及管阻上，這就產生了電量的浪費。使用變頻控制柜，去路閥門全開，調節頻率來控制轉速，進而在管阻不變的前提下控制流量，減小電流，就達到了節能的目的。

2.3 經濟效益分析

由表2得到：鹽水干管去路頭部Ф325變徑Ф377，鹽水泵流量在408～702m3/h之間時，使用變頻柜與未使用變頻柜的電流差值與未使用變頻控制柜的電流值比介于31.1%～73.3%之間。且根據表1中的數據可看出：流量越小，節電量就越大。后期維護凍結時，流量如再減小，還有不少節電的空間，收回成本的時間就會更短。

新河項目部用三相有功電表接在變壓器控制柜的低壓開關上，量測鹽水泵采用和不采用變頻控制柜時用電量情況。

①頻率34Hz，流量500m3/h，壓力0.2MPa，用變頻控制柜用電量為1031.6kW·h/d；

②流量不變情況下，使用自耦變壓器啟動柜的用電量為 2368.8kW·h/d。一天節電量為（2368.8-1031.6=1317.2）kW·h/d。使用變頻控制柜比自耦變壓器啟動柜的節電率為55.6%。

新河新副井變頻技術應用參數記錄一覽表 表3

按照新河礦0.8元/度的用電收費標準，新河新副井凍結工程使用變頻控制柜直接節約電費為31612.8元/月。不到70d即可收回變頻控制柜的成本。轉速的減慢能減小鹽水泵部件（電機軸承、葉輪等）的磨損，減少鹽水泵的維修次數，進而提高鹽水泵的使用壽命；維修次數減少自然節約不少的人力和物力。

2.4 應用中需注意的問題

該變頻柜型號為：JYSBPK-110，是針對新河凍結站使用的鹽水泵（300S-32，流量790m3/h，揚程32m，功率110kW）量身定做的。若鹽水泵型號改變，需定做相應的變頻控制柜。同一功率的鹽水泵需對應量身定做不同頻率的變頻控制柜。這是因為變頻器負載匹配問題會對變頻器負載產生一定影響的是電壓、電流、轉矩的匹配，電壓匹配要保證變頻器的額定電壓及其負載的額定電壓一致，電流匹配要保證變頻器的額定電流與電動機額定電流一致，根據生產機械設備的不同、性能的不同、工藝不同，轉矩特性也會發生變化，不同變頻器的負載類型，選擇不同的變頻器[5]。

圖1 使用變頻柜后鹽水泵的流量、進線電流與頻率之間的關系曲線及擬合方程

經過調試和觀察，通過變頻控制柜調整流量的底線為25.05Hz，流量約410m3/h（鹽水干管去路頭部Ф325變徑Ф377，鹽水泵為110kW）。頻率小于25.05Hz時，鹽水泵電機不再轉動。這也是鹽水泵變頻柜在凍結法施工中使用時的一個弊端：不能無限減小鹽水的流量。

鹽水泵變頻柜安全無事故運轉180天，鹽水泵變頻控制柜連續兩天中午出現掉電故障。經過排查，掉電原因為：變頻器內部溫度過高。發熱問題變頻器在運作的過程中，會因為內部元件消耗了能量，而產生較高的熱量，出現變頻器發熱現象。為有利于變頻器散熱，保證變頻器持續穩定的運作，變頻器工作環境溫度應控制在40℃以下，且不低于0℃[6]。實際施工中將變頻控制柜的后門拆除后進行通風，安全無事故運轉至站內停機。這也說明新河新建副井的鹽水泵變頻控制柜的通風散熱設計需進一步改進。

3 結語

新河新建副井凍結工程鹽水泵變頻調速技術的應用取得了較好的效果，這也是繼楊村煤礦風井凍結工程鹽水泵變頻調速技術試驗后的第一次推廣應用。鹽水泵變頻控制柜在使用中顯露了一些設計及技術本身的缺陷，但利遠大于弊。該變頻調速技術的應用不僅帶來直觀的經濟利益，且根據工況適當減慢轉速能減小鹽水泵部件的磨損，如電機軸承、葉輪等；減少鹽水泵的維修次數，進而提高鹽水泵的使用壽命；維修次數減少自然節約不少的人力和物力。變頻調速控制技術對我方凍結工程節約電能，減小工程成本有著積極的意義。同時該技術還可運用于凍結站內的冷凝器風機、清水泵等設備上。

[1]張源淳.三相異步電動機變頻調速及應用[J].科技信息，2013(11)：132.

[2]李子祥，武勝男，王春玲.變頻技術在凍結工程中的應用[J].建井技術，2014，35（4）：31-33.

[3]杜金城.電器變頻器調速設計技術[M].北京：中國電力出版社，2001：1-3.

[4]劉云涌.分析油田生產系統應用變頻技術節能效果[J].價值工程，2014，（15）：73-74.

[5]牟建，馬進，曹長義.高壓變頻技術在循環冷卻水系統中的節能控制應用[J].電氣技術，2014（3）：95-98.

[6]朱明杰.電器變頻器運作中的問題分析[J].中國新技術新產品，2012，（24）：112.

TU985.1

A

1007-7359（2016）06-0063-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.06.024

曹化春(1964-)，男，安徽濉溪人，高級工程師，主要從事特殊鑿井技術及施工管理工作。