變頻調速在煤礦企業的應用

摘 要： 介紹了變頻調速技術的發展情況， 同時舉例說明變頻調速技術在煤礦企業的應用及其節能效果。

關鍵詞： 變頻調速 煤礦企業 節能

近年來，電機交流變頻調速技術成為當今節電和改善環境、推動技術進步的一種主要手段。變頻調速以其優異的調速和起、制動性能，高效率、高功率因數和節電效果，廣泛的適用范圍及其他許多優點而被國內外公認為是最有發展前途的調速方式。利用變頻調速技術對煤礦企業現有設備進行改造，完全能達到改善工況、節省電費、提高效率的目的。

一、交流變頻調速技術的發展

20世紀50年代末發明了晶閘管（SCR） 因而生產出了靜止可控整流裝置。 它推動直流調速控制系統快速發展起來， 成為第一代控制器。70年代陸續發明了功率晶體管GTR、門極可關斷晶閘管GTO 、功率場效應管（POWERMOSFET）、絕緣柵極雙極型晶體管IGBT、耐高壓絕緣柵極雙極型晶體管HVIGBT、靜電感應晶體管SIT、靜電感應晶閘管SITH等， 成為第二代控制器件。1971年對于異步電動機的高階、非線性、強耦合多變量系統數學模型，德國專家F·B·Aschke提出了《感應電機磁場定向的控制原理》，美國專家P·C·Custman 與A·A·Clank 提出了《感應電機定子電壓的坐標變換控制》，解決了異步電動機矢量控制的理論問題。自此，交流電機變頻調速技術突飛猛進地發展起來，變頻調速由變壓變頻控制的變頻調速發展到了矢量控制變頻調速。通過控制交流電動機里相當于并勵直流電動機勵磁繞組的磁通變化，提高變頻器的恒轉矩輸出范圍和動靜態特性，使得交流電動機變頻調速系統的性能超過了直流電動機調壓調速系統的性能，實現了高動態性能的交流變頻調速。到80年代中期，又出現了功率集成電路PIC， 它把驅動、保護、檢測和功率輸出單元集中在一塊芯片上， 成為第三代控制器件。 它的出現被譽為第二次電子革命的前沿， 把交流變頻調速技術又推向新的高度。目前，國際上又推出了諧振式逆變器， 使開關元件在零電壓或零電流時導通和關斷，將開關損耗減少到最小程度， 使開關頻率達到MHz 級，減小了主回路體積， 這種電源已達到了100Kw。！10MHzPWM 逆變器的體積只有火柴盒大小，125W 共振電源已達到1MHz。這項新技術能提高勞動生產率， 降低能耗， 節約生產成本，已得到人們極大的關注。隨著工業自動化程度的不斷提高和能源全球性短缺，變頻調速技術越來越廣泛地應用在煤礦、機械、紡織、化工、造紙、冶金、食品等各個行業以及風機、水泵等節能場合，并取得顯著的經濟效益。

二、交流變頻調速技術在煤礦企業的應用

煤炭企業可使用變頻調速的設備很多，如通風機、空氣壓縮機、水泵、給煤機、調車絞車（鐵牛）、輸送機（皮帶、刮板）、提升機、采煤機以及焦化廠鼓風機等，利用變頻技術對煤炭企業現有設備進行改造，完全能實現改善工況、節省電能并提高效率的目的。

（一） 礦井通風系統

礦井的開采階段不同，用風量也是不同的，而風機是按最大用風量設計的 一般情況下用風量都大大低于風機的額定流量，多余的風只能采用放風或人為增加阻力（ 限流） 的方式滿足生產需要。這種傳統供風方法的缺點是電能浪費嚴重，調節精度差。變頻改造是在保留原工頻回路（ 作為備用回路）的基礎上增加一套變頻回路和工頻回路并聯，形成雙回路系統，保障生產的連續正常運行。改造后的系統有如下優點： 一是任意調節風機電機轉速來滿足生產用風量，不需放風，既增加了調節精度，又節省了電能，節電可達20%～50%。二是軟啟動功能，減少了大電流對電網的沖擊和機械沖擊。三是具有完善、可靠的保護功能，有效地保護供配電設備和電機安全。

（二）供風系統

煤礦井下氣動工具生產所需要的壓縮空氣，是由空氣壓縮機提供的，原系統的輸出氣壓是由電壓壓力表或壓力繼電器按工藝要求控制在一定范圍內的。啟動后，當氣壓升到設定上限后，自動卸荷或停電機，進入保壓狀態，當壓力降到設定下限后，自動帶荷或啟動電機，再次升壓。這種方式存在供氣氣壓不穩定，卸荷閥動作或電機啟停頻繁，系統可靠性低，能耗大等缺點。用變頻器改造空氣壓縮機有以下優點：一是節省電費20%以上，約半年即可收回變頻器投資。二是通過壓力傳感器與變頻等構成壓力閉環調節回路，進行恒壓控制，使氣壓基本保持恒定，大大改善了氣源質量。三是軟啟動功能，減少了大電流沖擊及機械沖擊。

（三）煤礦副井操車系統

煤礦副井操車系統擺渡車是礦車入罐籠下井的中間環節，由于擺渡車運行屬恒力矩負載，因此行走電機的調速可采用變頻調速。由于煤礦副井操車作業中，負載變化大，如上下空車、矸車、設備或液壓支架等，同時，要求行車時速度穩定。這樣就需要有效地減少擺渡車停車時慣性的沖擊力，故可設計為采用兩段速度，即行走時為輸出高速，停車前為低速爬行。

（四）裝車系統

目前國內各工礦裝車站列車牽引裝置———調車絞車（俗稱鐵牛），仍主要采用雙速電機調速，即在裝煤時使用低速、回繩時使用高速。由于在裝煤時列車前進速度不變，為使煤能均勻裝入車廂，并且重量在要求范圍內，操作人員不得不頻繁啟停“鐵牛”，使用很不方便，效率也不高，且電機、電氣設備頻頻受啟動電流沖擊，使用壽命降低，維修量增加，電能損耗也很大。使用變頻調速后，裝車時的操作改變為：由操作人員根據煤流量大小進行調速，如來煤流量穩定， 調到一個合適的速度后，就基本不用再調了。當所有車廂都裝滿后，鐵牛脫開列車，選擇反轉，調到高速，使鐵牛快速返回。在調車絞車調速系統中采用變頻調速具有以下優點：一是節省電費20%以上。二是提高了裝煤自動化程度和生產效率。三是啟動功能，除了能減少電流及機械沖擊外，還解決了脫繩、爬繩等危及安全生產的問題。

隨著科學技術的不斷進步，交流電動機變頻調速技術已日趨完善，在煤礦企業技術改造和產品更新換代及在節能和實現生產過程自動化方面都取得了明顯的效果。因此，必須積極推廣先進的交流變頻調速技術，用先進的設備武裝、改造煤礦等傳統產業，促進工業自動化的進一步發展。

參考文獻：

[1]胡崇岳現代交流調速系統北京機械工業出版社，1998年

[2]王占奎變頻調速應用百例北京科學出版社，1999年

[3]陳國呈PWM變頻調速及軟開關電力變頻技術北京機械工業出版社，2001年