變頻控制技術在高突出礦井中的應用

文/金德平

變頻控制技術在高突出礦井中的應用

文/金德平

變頻器是具有無沖擊啟動與軟停機優良控制特性的新型電力變換裝置，已廣泛應用于工業生產領域。為解決機電運輸高耗能設備這一問題，緩解礦井提升運輸的安全高效性能與煤炭事業快速發展之間的矛盾，平頂山天安煤業股份有限公司十礦先后在己四采區鋼纜皮帶和主副井絞車電控系統改造中選擇使用了變頻控制技術，使礦井機電設備的安全性、可靠性、操作性和節能性得到提升，生產效率得以提高。本文針對平煤股份十礦這一高突出礦井中變頻控制技術的應用進行了闡述。

一、項目研究

1.變頻控制技術原理和發展

變頻控制技術原理是經由半導體元件把工頻電流信號轉換成其他的頻率，而后再把轉換成的工頻交流電轉換為直流電，并在這一過程中通過逆變器實現對電壓與電流的控制和調節，使機電設備處于無級調速的狀態之中。

進入21世紀以來，機電設備傳統的電控技術與電力傳動被更快捷、安全、高效的電力電子信息化技術所取代，變頻控制技術在節能減排領域得到了越來越廣泛的認可。變頻控制技術中智能控制模塊的出現，實現了控制方式和控制功能的拓展，生產的綜合自動化水平得到了提高，也促進了變頻控制技術的應用發展。

2.變頻控制技術在煤礦生產中的重要性

在煤礦生產中，變頻控制技術的應用就是要通過電機轉速和電流頻率之間的同步增長關系，實現對電機轉速和機電設備的有效控制。變頻控制技術應用于煤礦中，可以實現對設備的平穩和自動加、減速控制，從而提高煤礦的工作效率，降低能耗。

二、項目實踐

1.變頻控制技術在己四鋼纜運輸中的應用

己四系統是平煤股份十礦通往三水平的主運輸系統，全長1700米，原設計采用六部皮帶運輸，最大運行負荷功率達到1800KW，每臺電壓660V電流272A，煤量1000噸/日，每班上崗人員6人。具有耗能大，維護量大，功能單一等劣勢。采用變頻控制技術后，啟動可調給定0～50Hz頻率，啟動電流緩慢上升0～150A，每次啟動，降低了普通電機啟動電流4～7倍電流的計算，解決了大負載啟動對電網和機械設備的沖擊，節能達到15%。

在驅動設計上，根據平煤股份十礦己四采區的實際生產能力和交流電動機的性能等因素，采用ZJT系列隔爆變頻器進行變頻調速，實現了交流電動機的軟啟動，即低速起動。針對高突出礦井中電機還應具有防爆功能和散熱性能的特點，采用“隔爆型三相交流異步水冷電動機”，即選用了4×250KW隔爆型三相交流異步水冷電動機進行拖動。與此同時，鋼絲繩牽引皮帶運輸機具有兩個驅動輪帶動兩條鋼絲繩運轉以帶動皮帶運轉。每個驅動輪由一臺減速機拖動，輸出軸一端與驅動輪相連，另一端安裝逆止器，雙輸入軸兩端各有一臺防爆電機拖動，每臺電機各有一臺變頻器供電并變頻。

己四防爆變頻鋼纜皮帶投入運行后，最大運行負荷功率1000KW，電流200A，運輸煤量1500噸/日，每班上崗人員6人，解決了己四軌道運輸提升壓力，提高了運煤效率。每年節約電費約192萬元，節約工資36萬元，提高運輸煤量后增加凈利潤為4050萬元，合計效益4278萬元。

2.變頻控制技術在礦井提升機的應用

平煤股份十礦主井擔負著戊組原煤的提升任務，副井擔負著人和物料的提升任務，在生產過程中起著非常重要的作用，但兩提升絞車的電控系統仍然采用老式的TKD系統，即為繞線異步電機+轉子串電阻調速+高壓接觸器換向。這種轉子切換電阻調速方案存在諸多缺點，已無法滿足現在的提升能力需求和安全保障，急需進行技術改造和設備更換。采用轉子雙饋變頻調速方案后，將礦井主副井老電控系統改造為節能降耗的高效變頻電控系統。

（1）系統的技術特點。

實現轉子雙饋調速下電機的順利啟動，特別是主井雙機拖動時電機啟動出力的一致性；實現了電機的四象限運行，調速平滑穩定，電機溫升比老系統運行時降低10℃左右；縮短了單次提升循環時間，每鉤節省時間10s左右，增強礦井提升能力15%～30%。

實現能量的雙向流動，保證下放重物時發電產生的能量回饋至電網；系統在整個工況中均運行在高功率因數下，諧波符合國家標準要求。

實現礦井提升或下放全過程的自動化控制，并應用矢量控制技術實現對交—直—交變頻器的控制，達到了理想的控制精度；系統運行安全可靠，各項保護齊全且動作靈敏，系統故障實現自診斷；實際運行節電率超20%。

（2）經濟效益計算基礎及社會效益。

每天提升時間為16小時，則每天可多提煤量為：16小時×4鉤×9.8噸=627.2噸/天。

經改造后，年提升能力（按330天計）提高大約：330天×627.2噸/天=206976噸。

新的雙饋調速系統，年創造經濟效益為（90元∕噸）：M=90元/噸×206976噸=1862.7萬元。

副井每鉤提矸5.4噸，每小時多提5鉤，每噸按新增產值20元計算，可得到副井新增產值：N=5鉤×16小時/天×5.4噸/鉤×20元/噸×3 30天/年= 285.12萬元。

主副井提升能力得以提高后，年創造經濟效益為：P=M+N=1862.7萬元+285.12萬元=2147.82萬元；

每天可以節約電能:9544度-7360度=2184度，全年按提升時間330天計算,一年可節約電能費用: 2184度×330天×0.5元=360360元；

全年增收節支總額為：2147.82+36.036=2183.856萬元。

平煤股份十礦主副井電控系統改造方案保留了原電控裝置，可通過轉換柜方便切換，每套電控都可獨立運行，為主提升系統安全可靠運行奠定了基礎。自試運行以來，具有技術先進、安全可靠、保護完善和經濟效益明顯等特點，提高了主副井提升能力，降低了工人的勞動強度，緩解了礦井出煤提矸緊張的局面，有很高的推廣應用價值。

三、結論

變頻控制技術在平煤股份十礦先后投入使用以來，具有調頻范圍寬，分辨率高，保護齊全且靈敏度高，主功率器件自我保護功能良好，運行平衡，通訊接口齊全，有利于上位機和遠控控制等優點，體現了其優良的技術特性和高效的節能效果。

隨著自動化控制、電子技術、信息技術和計算機技術不斷在煤礦機電領域中得到應用，煤礦機電設備的智能化水平也會越來越高，這將為變頻控制技術的應用奠定堅實的基礎。

（作者單位：平頂山天安煤業股份有限公司十礦）

（責任編輯：周瓊）