淺談變頻器在煤礦生產中的應用

蒙江洪

【摘 要】在煤礦機械設備中應用變頻器節能技術，有利于降低設備能源的消耗，提高煤礦生產效率，該技術在煤礦生產中起著重要的作用。文章結合變頻器在X煤礦主扇風機上的應用情況進行介紹，結果表明采用高壓變頻器對煤礦主扇風機設備進行調速節能改造，具有良好的社會效益和經濟效益。通過對變頻器在煤礦工程中的應用進行論述和節能分析，說明變頻器在工程中的應用可行且經濟，煤礦的自動化水平得到進一步提升，煤礦生產過程更加安全可靠。

【關鍵詞】變頻器；調速；節能

【中圖分類號】TD442.2 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2017）03-0124-03

0 引言

作為能源消耗較高的煤礦企業，在眾多設備中都應用到了變頻技術，例如采掘、排水、運輸、通風及空氣壓縮設備等。變頻器節能技術運用到這些設備中，有利于降低煤礦生產電能消耗，從而提高煤礦企業的生產效益。

隨著我國經濟的飛速發展，能源成為制約經濟增長的瓶頸，節能降耗也就成為國家和企業嚴重關切的問題。國家及各地都出臺了一些節能降耗指標，并采取了一定的措施。具有節能效果和調速性能的變頻器成為首選的節能產品。變頻器主要用于交流電動機轉速的調節，是理想的調速方案。變頻器調速以其自身所具有的調速范圍廣、調速精度高、動態響應好等優點，在許多速度控制應用領域中發揮了越來越重要的作用。它除了具有優良的調速性能之外，還具有顯著的節能效果。

1 變頻器的工作原理

變頻器一般是先將交流電進行整流得到直流電輸出，然后在第一次輸出的直流電再通過電路來轉換成實際需求的交流電，其中應用到了整流技術、濾波技術、電力電子技術等技術。變頻器的主要由以下幾個方面來構成。？譹？訛整流：實現將工頻電源（變頻器的輸入的電源或稱為工作電源）的交直流轉換，得到直流電輸出。？譺？訛濾波：濾波的作用是將信號中特定波段頻率濾除的操作，是抑制和防止干擾的一項重要措施，對于剛剛通過整流過來的直流電源，里面可能會包含幾次諧振波或者其他的頻率波，屬于脈動電壓或者電流，這些波段電源可能導致電源的性能不夠穩定可靠。？譻？訛二次整流：將通過濾波后輸出的直流電重新轉換成交流電，這些交流電的電壓和頻率可以根據不同的整流的方式來調節。？譼？訛其他部分：整流—濾波—整流其實就已經實現了輸出電源的電壓和頻率的可調，增加制動單元、驅動單元、檢測單元、微處理單元等部分，是為了讓輸出的電源信號更加可靠和方便使用。

總體流程可以這樣描述：將工頻電源變換為直流功率的整流器，吸收在整流時產生的電壓脈動的平波回路，以及將直流功率變換為交流功率的逆變器，通過這三大部分的完美結合，就可以得到一個簡單的變頻器電路。

2 變頻器的選擇

低壓變頻器由二極管整流電路、中間直流回路、逆變橋及IGBT功率器件組成；高壓變頻器由移相變壓器、功率單元和控制器組成。

變頻器的正確選用對于機械設備電控系統的正常運行至關重要。按照機械設備的類型、負載轉矩特性、調速范圍、靜態速度精度、啟動轉矩和使用環境的要求，決定選用何種控制方式和防護等級的變頻器。

目前，變頻器合理的電壓等級是由功率器件承受電壓水平決定的，而某一電壓等級下變頻器可能的功率范圍則由功率器件的承載電流能力決定。根據負載轉矩特性的不同，分為三大類型：恒轉矩負載、恒功率負載和風機、水泵類負載。在實際選擇變頻器時，要以電機額定電流值作為主要依據，電機的額定功率只能作為參考，并考慮一定余量。

3 變頻器的應用

在煤礦生產作業中，通常由空氣壓縮機提供井下作業時所需的壓縮空氣，但壓縮空氣應用的是非連續性的機械設備，而壓縮機屬于連續運行的機械設備，所使用的時間較長。在煤礦井下作業時，由于電動機系統難以根據負載量大小進行調整，而在供風系統設備中運用變頻器節能技術能夠有效地調節電動機系統，能夠確保在壓力較穩定時，使煤礦壓縮空氣的質量得到進一步的提高。此外，在煤礦壓縮機中應用變頻節能技術的優勢還體現在以下方面：其一，變頻器節能技術能夠避免機械設備受到電流沖擊；其二，通過應用變頻器節能技術，能夠使系統在恒壓控制的狀態下，恒定氣壓，從而使煤礦作業氣源的質量得到有效改善；其三，應用變頻器節能技術，所節省的電能可達到總電能耗費量的20%，從而有效降低變頻器節能技術的投入成本。通風機是為煤礦井下強制通風所用，是為井下傳送新風，從而使井下各處的氣體混合物的濃度滿足規程規范的要求。利用現代自控技術、風筒壓力等多參量，實現對變頻器的可靠控制，隨時調節通風機的運行速度，從而自動監視風筒壓力，以維持風壓恒定。

X煤礦主扇風機原來使用2臺對旋風機，1用1備，電機功率為250 kW，轉速為740 r/min，電壓為6 000 V，原風機為20世紀80年代中期安裝使用，磨損嚴重，漏風嚴重，維護量大，影響了煤礦通風安全。風機啟動電流大，啟動后以工頻方式運行，無法根據井下用風量的改變調節風量，電能的浪費現象較為嚴重。

為了實現礦用通風機高效經濟運行，X煤礦領導在2013年煤礦技改項目中，采用南陽防爆集團股份有限公司生產的2臺BCDZNO25礦用主通風機和佳木斯電機股份有限公司生產的YBF560M1—8隔爆型三相異步電動機更換原有通風設備。

3.1 合理選用變頻器電壓等級

由于風機負荷較大，礦井地面高壓為6 kV，因此選用6 kV/690 V的進線變壓器，則可獲得660 V電源電壓。

3.2 機械設備的負載轉矩特性

風機屬于典型的流體類負載，該類負載設備在煤礦中占很大的比例。負載的轉矩與轉速的二次方成正比，功率與轉速的三次方成正比。流體類負載通過變頻器調速來調節風量、流量，可以大幅度節約電能。

3.3 變頻器容量選擇

根據電機額定功率，考慮變頻器的高次諧波的影響，使電機發熱，適當留有余量，以防止溫升過高，影響變頻器的使用壽命。按增加10%考慮，選用710 kW AC690V變頻器。

3.4 變頻裝置的配置

（1）進線電抗器可以大大減少進線電網諧波，而且可以減少對設備的電流沖擊，保證設備的可靠性。抵制或消除變頻器輸入電流中的高次諧波通過電網對電子回路和電子設備的干擾。

（2）配備熔斷器組合開關，保護整流進線單元電子元器件，保證檢修人員安全或停機時分合主電路存有明顯斷點。

（3）接觸器+急停開關。在出現設備故障時，按急停開關，依靠進線接觸器作為自動跳閘器件，切斷主電路，保證設備和人身安全，使系統更加安全且便于遠程操作。

（4）配有Du/dt濾波器，690 VAC電機所用變頻裝置配有Du/dt濾波器，減少電機的噪聲，降低電磁輻射，確保電磁環境干凈，延長電機壽命，以確保電機的可靠使用。

（5）12脈波整流器。每套裝置都配有2套6脈波整流器，組成12脈波整流器，可以有效地消除電流中的11次以下諧波，減少對電網諧波干擾，凈化電網環境。為得到12脈沖方式的相位移，要求使用多繞組變壓器。采用干式變壓器，隔離變壓器有2個次級繞組，一個為Y接法，另一個為△接法，這樣2個次級繞組間產生30°的相位差，提供12脈波，滿足12脈沖輸入整流橋的要求。

上述風機使用變頻器不僅可以完成生產工藝要求，同時可以使風機實現軟啟動控制，既減小了電機啟動時對電網的沖擊，又減少了風機的啟動磨損和設備的沖擊能耗，延長了設備的電氣和機械壽命。

3.5 節能分析

根據機械專業所提供的資料，風機年運行8 000 h，風量100%運行時間占20%，風量70%運行時間占50%，風量50%運行時間占30%，電費以0.7元/kW·h計算，當采用擋板控制時，每年電費為298.4萬元，采用可變速控制時每年電費為152.6萬元，每年可節省電費145.8萬元，節電率為49%。采用變頻器控制時，初期安裝費用較高，但從長遠看，還是經濟的。

3.6 變頻運行情況

3.6.1 變頻運行

變頻器投入運行以來一直穩定運行，輸出頻率、電壓和電流穩定，風機運行穩定，變頻器網側實測功率因數為0.976，效率均高于96%，滿載時網側電流諧波總容量小于3%，輸出電流諧波小于4%。風機以低于額定轉速運行，不僅節約了能源，減少了維護費用，還降低了風機的運行噪聲，經濟效益良好。

3.6.2 變頻操作

變頻器顯示采用中文圖形界面，觸摸屏操作，生動直觀，變頻器的運行狀態一目了然，各種運行數據可在觸摸屏上查詢，便于操作人員及時了解變頻器的運行情況。變頻器操作簡單，可在120 s之內啟動至高速，短時間內達到所需風量。簡便的操作和短的啟動時間確保了生產安全。并且，反風操作比以前簡單可靠，只需設置變頻器按反向的頻率運行即可，完全可滿足10 min內實現反風的要求。

4 結語

X煤礦主扇風機應用變頻調速控制后，不僅滿足了煤礦通風要求，而且使得風機高效運行，節能效果顯著。目前，我國煤礦大量主扇風機能力富裕、長期低效運行，造成大量電能的浪費。交流變頻調速器具有適用性強、可靠性高、操作使用方便、高效節能等優點，受到廣大用戶的青睞。通過事例，說明煤礦采用變頻器不僅可行，而且經濟，控制和線路非常簡單，再加上變頻器完善的故障診斷和顯示功能，使整個調速系統的可靠性、可維修性大幅度提高，煤礦的自動化水平也得到進一步提升，煤礦的生產更加安全可靠，得到了用戶的肯定，市場前景非常廣泛。

近年來，在煤礦機械設備中應用變頻器節能技術越來越廣泛。作為一種新興的電力節能技術，變頻器節能技術具有高性能、數字化及智能化等優勢，對于煤礦的生產有著重要的意義。隨著科學技術的發展，不斷涌現出了具有高性能、高安全性及高穩定性的變頻器，并且變頻器節能技術越來越好。因此，將變頻器節能技術應用到煤礦生產中，能進一步降低煤礦生產中所消耗的能源，從而有效地提高煤礦企業的經營效益。

參 考 文 獻

[1]張逢吉，王玉濤，蘇愛琴.變頻器在煤礦生產中的應用

[J].山東煤炭科技，2006（6）.

[2]賀和平.淺析變頻和變速技術在煤礦生產中的應用[J].太原科技，2009（2）.

[3]胡永立，王廣周，黨鐵果.變頻調速技術在煤礦生產中的應用[J].中州煤炭，2001（2）.

[4]吳海彪，陳喆.變頻器在煤礦中的應用[J].內蒙古煤炭經濟，2016（17）.

[5]李勇，吳建平，劉海峰.變頻技術在煤礦通風機控制系統中的應用設計[J].信息技術，2009（8）.

[6]王學紅.高壓變頻器在煤礦提升系統中的應用[J].機械管理開發，2015（9）.

[責任編輯：陳澤琦]