變頻節(jié)能技術(shù)在煤礦設(shè)備上的應(yīng)用探討

呂耀民

(銅川市耀州區(qū)秀房溝煤礦，陜西 銅川 727104)

0 引言

隨著市場對于煤炭這種傳統(tǒng)能源需求量的不斷增大，煤礦的生產(chǎn)強(qiáng)度、機(jī)械化程度和原煤產(chǎn)量也越來越大，這就對煤礦機(jī)電設(shè)備安全高效、穩(wěn)定地運(yùn)轉(zhuǎn)提出了更高的要求。煤礦成本構(gòu)成中，電耗是一項特別重要的指標(biāo)，降低噸煤電耗是煤礦節(jié)能改造工作的重要攻關(guān)難點(diǎn)[1-3]。為此，改進(jìn)煤礦機(jī)電設(shè)備效率，提高設(shè)備的節(jié)能效果和技術(shù)含量成為當(dāng)前煤礦設(shè)備的重要發(fā)展方向。在這樣的背景下，推廣變頻節(jié)能技術(shù)可有效降低煤礦機(jī)電設(shè)備的能源消耗量[4-7]，在提高機(jī)電設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)效率的同時，增強(qiáng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性與使用壽命，同時降低煤礦生產(chǎn)成本。

1 變頻節(jié)能技術(shù)

1.1 變頻技術(shù)概念

變頻技術(shù)是一種通過電力電子器件把固定的交流電源(50Hz)轉(zhuǎn)換成不同頻率的交流電的技術(shù)[8-11]。在這一切的轉(zhuǎn)化過程中幾乎沒有電能的變化，只存在著電流頻率的變化。交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速可以表示為式(1)。

N=60f/p(1-s)

(1)

式中：f—供電頻率；p—電動機(jī)極對數(shù)；s—轉(zhuǎn)差率。一臺電動機(jī)出廠后，極對數(shù)、轉(zhuǎn)差率成為定值，這樣電動機(jī)轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比關(guān)系。對于工頻電源，當(dāng)電源頻率從0變到50 Hz，電動機(jī)則從0變到額定轉(zhuǎn)速的100%，利用調(diào)節(jié)電源頻率線性變化，則機(jī)械設(shè)備的驅(qū)動電機(jī)會實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速的要求。煤礦機(jī)電設(shè)備的軸功率往往對轉(zhuǎn)速十分敏感，這為落實(shí)機(jī)電設(shè)備的節(jié)能任務(wù)提供了一個新思路。

1.2 變頻節(jié)能技術(shù)

煤礦機(jī)電設(shè)備的特點(diǎn)是功率大，運(yùn)轉(zhuǎn)過程中并不是一直需要相同的功率，而是在一定的功率范圍內(nèi)波動，這就為機(jī)電設(shè)備節(jié)能留有很大的空間[12-13]。例如，采煤機(jī)遇到夾矸煤層和非夾矸煤層，驅(qū)動采煤機(jī)滾筒電機(jī)需要提供不同的功率才能夠正常割煤，避免“大馬拉小車”。為了使驅(qū)動電機(jī)提供不同的輸出功率和割煤速度，這時就需要運(yùn)用變頻技術(shù)來適應(yīng)這種變化。

對于水泵、風(fēng)機(jī)類負(fù)荷，軸功率見式(2)。

P=QH/η

(2)

式中：Q—流量；H—壓力；η—設(shè)備效率。可看出，軸功率與流量、壓力成正比關(guān)系。從流體力學(xué)理論可知，流量Q與設(shè)備轉(zhuǎn)速n成正比；壓力H與轉(zhuǎn)速n的平方成正比，則軸功率P與轉(zhuǎn)速近似成立方比。當(dāng)設(shè)備效率一定時，為調(diào)節(jié)流量下降，可調(diào)整設(shè)備轉(zhuǎn)速下降來達(dá)到目的，借助變頻技術(shù)這時設(shè)備的軸功率會成立方關(guān)系下降，意味著節(jié)約了電能消耗。

煤礦設(shè)備直接啟動或Y/Δ啟動時，啟動電流是額定電流的4～8倍，會對電網(wǎng)造成嚴(yán)重沖擊、造成母線電壓下降保護(hù)動作，為此往往需要加大電網(wǎng)容量，增加了系統(tǒng)投資。同時，啟動時電動機(jī)功率因數(shù)極低(cosφ≈0.4)，造成系統(tǒng)資源浪費(fèi)。采用變頻技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備軟啟動，提高了啟動時設(shè)備功率因數(shù)，減少了電網(wǎng)沖擊，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能的目的。

煤礦電動機(jī)屬感性負(fù)載，工作時需要占用一定的無功功率，削弱了電網(wǎng)的供電能力。采用變頻技術(shù)后，由于變頻器內(nèi)部濾波電容器的作用和功率器件的觸發(fā)方式的調(diào)節(jié)，使用電設(shè)備功率因數(shù)cosφ≈1，從而減少了系統(tǒng)無功損耗，增加電網(wǎng)有功功率，達(dá)到了節(jié)能效果。

2 變頻器在煤礦機(jī)電設(shè)備中的應(yīng)用

2.1 礦用變頻器

由于變頻器屬功率電子設(shè)備，具有降低機(jī)電設(shè)備能源損耗，提高設(shè)備的自動化和智能化性能，還具備遠(yuǎn)程操作的便利性和可靠性，變頻器在煤礦自動化設(shè)備中應(yīng)用十分廣泛，且頗受好評。隨著經(jīng)濟(jì)、科技水平、生產(chǎn)力的快速發(fā)展，常規(guī)變頻器逐漸不能適應(yīng)煤礦設(shè)備技術(shù)更迭的情況，只有不斷對變頻器進(jìn)行技術(shù)開發(fā)，才能使其在煤礦自動化機(jī)電設(shè)備中立于不敗之地。目前礦用變頻器正在向大功率、高電壓、特種模塊化、智能化轉(zhuǎn)變，功率器件冷卻方式也從風(fēng)冷式、水冷式向特種冷卻方式轉(zhuǎn)變，如超導(dǎo)熱管冷卻、半導(dǎo)體冷卻等。其優(yōu)點(diǎn)是功能豐富、性能穩(wěn)定、隔爆安全、使用便捷、響應(yīng)迅速。

2.2 交流四象限變頻器

交流電動機(jī)運(yùn)行機(jī)械特性曲線反映在數(shù)學(xué)軸上有四個象限。第一象限為正傳電動狀態(tài)，第二象限為回饋制動狀態(tài)，第三象限為反轉(zhuǎn)電動狀態(tài)，第四象限為反接制動狀態(tài)。電動機(jī)在這四象限都可工作，只不過一、三象限電動機(jī)處于電動狀態(tài)，從電網(wǎng)消耗能量；二、四象限電動機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，可向電網(wǎng)回饋能量。適應(yīng)電動機(jī)四象限運(yùn)行特性的變頻器稱為交流四象限變頻器。對于驅(qū)動具有位勢負(fù)載的特性(如提升機(jī)、牽引機(jī)車)的電動機(jī)，運(yùn)用交流四象限變頻器，當(dāng)系統(tǒng)增加勢能過程中，電動機(jī)處于電動狀態(tài)，從電網(wǎng)吸取能量；當(dāng)系統(tǒng)勢能減少過程中，電動機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，四象限變頻器沒有出現(xiàn)以前，這種情況下，只能通過電阻發(fā)熱消耗掉能量。四象限變頻器出現(xiàn)后，其逆變回路可以把電動機(jī)產(chǎn)生的電力回饋給電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。目前，四象限變頻器的功率模塊可以實(shí)現(xiàn)能量雙向流動，通過具有高速運(yùn)算能力的微處理模塊，可輸出脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號，實(shí)時觸發(fā)功率器件使變頻器輸出完美、不產(chǎn)生諧波，成為綠色產(chǎn)品。既不污染電網(wǎng)，又能向電網(wǎng)回饋能量，極大程度地提高了煤礦機(jī)電設(shè)備的節(jié)能效果。

3 變頻節(jié)能技術(shù)在煤礦設(shè)備中的應(yīng)用

3.1 在采煤機(jī)中的應(yīng)用

采煤機(jī)是集電氣、機(jī)械、液壓、檢測控制為一體的大型復(fù)雜成套裝備，是現(xiàn)代化煤礦的重要設(shè)備之一。采煤機(jī)不僅可以提高采煤效率、降低體力勞動強(qiáng)度，還大大提高了煤礦工人生產(chǎn)的安全性，實(shí)現(xiàn)降低企業(yè)成本的效果。在現(xiàn)代化采煤過程中，采煤機(jī)扮演重要角色，一旦采煤機(jī)故障，將直接影響整個礦井的出煤，煤礦其他部門的工作也隨之受到影響。而變頻技術(shù)的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用，使采煤機(jī)工作效率、無故障工作時間和維修周期都得到很大改善。目前，電牽引采煤機(jī)采用變頻器驅(qū)動已成為標(biāo)配。不同廠家的設(shè)備區(qū)別僅在于智能化配置、通信控制功能和關(guān)鍵部件的材質(zhì)上。

3.2 在風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用

秀房溝煤礦主要通風(fēng)機(jī)型號為FBCDZN026，風(fēng)機(jī)功率為2×200 kW。使用變頻調(diào)速控制系統(tǒng)后，主要效果：①減小電機(jī)的啟動電流；②降低電力線路容量和啟動時的電壓波動；③啟動加速度可控；④改善了供電系統(tǒng)的功率因數(shù)；⑤可逆運(yùn)行、控制方便。

變頻裝置可以在設(shè)備零速度、零電壓狀態(tài)下啟動，按照V/F或矢量控制方式，帶動負(fù)載達(dá)到適宜的工況點(diǎn)運(yùn)行，這個過程能充分降低啟動電機(jī)電流，減少電力線路電壓波動，不會引起電壓敏感設(shè)備故障跳閘或工作異常。由于風(fēng)機(jī)葉片質(zhì)量較大，變頻啟動過程中能按照需要進(jìn)行平滑的加速，其加速曲線可預(yù)先選擇(直線加速、S形加速或自動加速)，便于風(fēng)機(jī)迅速通過諧振點(diǎn)，防止設(shè)備出現(xiàn)劇烈震動。通過檢測電機(jī)電流，可設(shè)置過載保護(hù)、防止設(shè)備過扭矩和電機(jī)過載損壞。風(fēng)機(jī)采用電動機(jī)反轉(zhuǎn)反風(fēng)，只需控制變頻器可逆運(yùn)行就可以了，控制操作簡單。礦井通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、負(fù)壓是按礦井后期最不利工礦點(diǎn)選擇的，初期風(fēng)量、負(fù)壓較小，此時讓風(fēng)機(jī)電動機(jī)按35 Hz運(yùn)行，既滿足通風(fēng)需要，又節(jié)約電能。

3.3 在傳送帶運(yùn)輸機(jī)中的應(yīng)用

主斜井膠帶輸送機(jī)型號為DTL80/35/2×220，采用單滾筒雙電機(jī)驅(qū)動(單機(jī)功率為220kW)，皮帶傾角為16.8°。利用變頻調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動，能長期可靠地服務(wù)于長距離帶式輸送機(jī)這類恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，具有起動轉(zhuǎn)矩大、啟動電流小、便于低速驗(yàn)帶等特點(diǎn)。系統(tǒng)可在輕載、重載工況下控制帶式輸送機(jī)這類柔性負(fù)載的軟啟動/軟停車過程，并在全過程中實(shí)現(xiàn)各驅(qū)動電機(jī)之間的功率平衡和速度同步。系統(tǒng)提供的帶速調(diào)節(jié)功能，降低快速起動/快速停車過程對機(jī)械和電氣系統(tǒng)的沖擊，避免了灑料，有效抑制了動態(tài)張力波可能對膠帶和機(jī)械設(shè)備造成的危害，延長了帶式輸送機(jī)使用壽命。

3.4 在提升機(jī)中的應(yīng)用

煤礦提升機(jī)承擔(dān)著提升煤炭、材料、人員、機(jī)械設(shè)備的任務(wù)，是具有位勢能的機(jī)械設(shè)備。隨著變頻器技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，絞車變頻器越來越成熟。在大型、特大型煤礦提升設(shè)備中，變頻提升機(jī)已占有絕對優(yōu)勢。煤礦提升機(jī)常見的變頻器有四象限交-交變頻器和交-直-交變頻器2類，具備無級變速、控制平穩(wěn)、保護(hù)完整、節(jié)能、易于自動化運(yùn)行等眾多優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)語

變頻節(jié)能技術(shù)在煤礦設(shè)備中的廣泛應(yīng)用，可以幫助企業(yè)節(jié)能降耗，增強(qiáng)煤炭企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的動力。變頻節(jié)能技術(shù)不僅賦予了設(shè)備較好的機(jī)械特性和節(jié)能效果，更為設(shè)備增強(qiáng)了控制調(diào)節(jié)功能，促進(jìn)了煤礦機(jī)電設(shè)備進(jìn)一步發(fā)展。