變頻節能技術在煤礦機電設備中的應用分析

樊曉波

（同煤集團忻州窯礦，山西大同 037021）

0 前言

現階段，隨著社會與經濟快速發展，資源消耗數量不斷增加，同時環境污染問題日益嚴重，人們越來越重視節能減排工作，我國政府更是出臺了多項宏觀調控措施，力求達到節能減排的目標。我國節能減排工作之中，煤礦企業是非常重點的節能減排對象。對于煤礦企業來說，礦井開采過程中消耗的能源是最大的，而其中通風機電設備的耗能又非常多。現階段，通過何種方法能夠有效的降低煤礦通風機電設備能源消耗數量是煤礦行業亟待解決的問題。本文作者以煤礦主通風設備為例，通過應用變頻節能技術，改善主通風機電設備的能源消耗情況，以達到有效的節能效果。

表1 煤礦主通風機技術參數與環境工況

1 煤礦概況

某礦井水文地質類型中等，井田內煤層底板均高于奧灰水位，不存在帶壓開采，屬低瓦斯礦井。礦井的通風方法屬于機械抽出式通風方法，煤礦開采工藝采用的是長壁式機械化采煤工藝。礦井有完整獨立的通風系統，主斜井、副斜井為進風井，回風立井為回風井，回風井安裝對旋式通風設備[1]。煤礦主通風機技術參數與環境工況如表1所示。

2 通風設備變頻節能設計目標與整體設計

2.1 通風設備變頻節能設計目標

該煤礦通風設備變頻節能設計要求應當能夠達到通風設備軟啟動以及自動保護的要求，同時還能夠確保通風設備在運行過程中也可以實現變頻節能控制的目標。通風系統能夠依照實際的生產條件，利用PLC裝置完成變頻信號的輸出，以實現對通風設備的變頻控制，確保通風設備的實時風量能夠達到實際生產需求[2-3]。變頻節能技術應用于煤礦通風機電設備控制系統之中，要求應當能夠達到信息共享的目標，并且所構建的變頻節能系統還應當能夠對通風機設備實時參數進行控制，可以完成信息查詢。變頻節能設計還應當盡可能做到操作便捷，擁有優良的可維護性，與操作人員的操作習慣相符合。

2.2 通風設備變頻節能系統整體設計

通風機電設備的變頻節能系統整體結構如圖1所示。變頻節能系統所采用的控制裝置是型號為Logix1769PLC控制裝置，該變頻節能系統之中包含有上位機裝置、PLC裝置、驅動裝置、信號監測裝置以及風機保護裝置等。

（1）上位機裝置。上位機采用型號為610L的工業計算機，一共購置兩臺相同的上位機，一臺作為主機一臺作為備用機。主機承擔監測和控制的功能，若是主機出現故障則備用機將直接轉換成為主機，確保變頻節能控制系統能夠安全的運行。

（2）PLC控制裝置。該裝置為變頻節能系統控制過程中的核心裝置，主要完成相關信息的收集、運算以及信息輸出工作。所采用的PLC控制裝置型號為Logix1769，并且按照系統控制先進性以及可靠性要求，采取雙CPU冗余[4]。

（3）變頻驅動裝置。變頻節能系統中所采用的變頻器設備為高壓變頻器，擁有自動保護的功能，具體操作過程也較為簡便，可以實現信息的共享，確保通風機設備能夠安全與節能地運行。

（4）信號監測裝置主要是針對井下的溫度、風量、瓦斯氣體濃度以及電機電壓和電流進行監測。

圖1 通風設備變頻節能系統整體設計示意圖

3 煤礦通風機電變頻節能系統的具體設計

3.1 高壓部分設計

該煤礦通風機電設備變頻節能控制系統高壓部分主要是為通風機提供動力，并且還為通風監測裝置提供運行所需電能。進行高壓部分的設計過程中，應當堅持經濟性原則以及適用性原則，其中主接線采取的是單母分段接線，兩個回路的進線從不同變壓器中引入，這樣能夠確保整個系統供電的可靠性。高壓饋電柜裝置主要是為了向主通風設備提供其運行所需電源，其中包含有進線柜、變頻裝置柜、隔離柜和站用變柜等。在高壓柜之中設置有型號為VAD-12型的短路器裝置，該裝置擁有電流三段保護的功能，同時還擁有接地報警功能[5]。另外，在配電柜之中也設置有零序保護，不同的保護裝置能夠依照現實情況加以調節，具體操作相對來說較為方便。該煤礦通風機電設備高壓饋線柜實物圖如圖2所示。

圖2 煤礦通風機電設備高壓饋線柜實物圖

3.2 操作控制臺

操作控制臺之中包含有兩個型號一致的工業計算機以及相應操作柜，可以實時地對通風機電設備進行操作，還可以實現在線監控功能。兩臺工業計算機監控系統是同時運行的，其中一臺不僅能夠進行監控同時還能進行操作，作為主機使用；而在主機發生故障情況下則另外一臺備用機則轉變為主機，這樣便能夠確保系統可以更加安全與可靠的運行。在操作臺之中設置有不間斷電源UPS實現對操作臺的供電，即便是在電源發生故障的情況下，還能夠確保3 h之內操作臺不會斷電，從而保證了系統運行的可靠性。在風機監視系統之中，能夠實現遠程的操作，可以在線對設備運行加以監測，同時還能完成信息的查詢工作。操作系統包含有3種不同的控制方式，分別為遠程控制方式、就地控制方式以及檢修控制方式。

3.3 變頻驅動裝置

依照該煤礦通風機電設備具體運行環境，在此系統之中采取的是一驅一運行模式，也就是一臺容量是650 kVA高壓變頻裝置來控制一臺電機的變頻操作，由于一共擁有4臺電機，需要4臺高壓變頻控制裝置。利用變頻調速技術可以確保滿足礦井生產需要風量基礎上，有效降低通風設備能源消耗，減少通風設備維護工作，而且變頻調節的操作也較為簡單[6]。該煤礦通風機電設備變頻裝置采用的是東芝三菱生產的19 kV高壓變頻控制裝置，該裝置包含有控制柜、單元柜、旁路柜以及變壓器柜等，并且可以平滑地輸出0～10 kV電壓。采用此變頻裝置無需把電機轉變為角接方式，這樣便不需要再加設切換柜，確保了變頻節能系統變得更為簡單。

該煤礦通風機電設備變頻節能系統采取非常先進的矢量控制技術，在實際的使用過程中操作較為便捷，而且也非常耐用。三菱變頻裝置擁有相對大的扭矩，而且具有較強的過載能力，可以確保電動機設備能夠在一些較為惡劣環境之下正常運轉，而且借助于其整流逆變控制能夠確保電壓線性增長，消除了接啟動過程中對于電機造成的影響，從而保證了通風機電設備能夠安全、可靠運行，達到變頻節能的目標[7]。

4 變頻節能系統運行中的問題分析

變頻節能系統于3月15日運行，至5月26日期間1#變頻器出現2次故障問題，2#變頻器出現2次故障問題，3#變頻器出現6次故障問題，4#變頻器出現12故障。所以，對變頻器裝置之中的歷史數據進行查詢與分析，在分析之后發現出現故障問題情況下，變頻器裝置的電壓輸入數值要減少30%左右，導致了輸入電壓減少到了失壓保護設定值，從而出現了自保護現象，如圖3所示。導致這一問題的主要原因是由于煤礦中一些大型的機電設備投入運行過程中，而未采取相應的軟啟動技術措施。

圖3 變頻器錄波分析圖

針對這一常發生問題，采取相應的軟啟動措施，而且一些大型設備要求盡可能的分階段投入使用，避免煤礦電網之中電壓發生較大波動。

5 主通風機節能分析

5.1 節能效果

該煤礦2016年完成了通風系統的構建工作，并且經由設備檢測站的安全測試，1#通風機設備與2#通風機設備均能夠穩定的運行，各個參數也能夠達到規定的要求。現在變頻節能系統應用后通風機已經安全運行近1年時間，在具體的運行過程中系統維護較為簡單也易于操作。在2017年通風機設備平均以37 Hz的頻率運行，較2016年2臺通風機設備總的耗電量減少了430萬kW·h左右，電費按照0.5元／（kW·h）計算，2017年僅電費節約高達215萬元，具有非常明顯的節能效果，經濟效益非常顯著[8]。

5.2 降低了電機設備啟動過程中電流沖擊

若是電機直接進行啟動，則啟動過程中的電流將會增加到6IN左右，雖然采取星三角啟動，那么電流也會超過4IN。而應用軟啟動則機電設備的啟動電流僅僅增加2IN左右。就變頻器來說，可以有效避免啟動過程中電壓對于電機裝置帶來的沖擊，定子電流會隨著轉速而呈現線性增長，不過卻低于額定電流。所以，在通風機電設備之中應用變頻節能技術，能夠有效避免電機直接啟動過程中沖擊電流的出現，能夠顯著改善電機裝置運行的工況。

6 結束語

煤礦機電設備在應用變頻節能技術之后，確保了企業自動化程度進一步提升，進一步推動了企業從粗放型生產轉變為集約型生產的步伐，對煤礦生產效率提升起到了很好的促進作用。在應用變頻節能技術之后，確保提升設備能夠安全、自動運行，還能夠對故障加以判斷并及時發出預警信號，預警信號能夠直接輸送至上位機之中，確保維護工作人員可以更加迅速與準確的找到故障位置，從而顯著減輕了工作人員的勞動強度，也使得作業人員的工作環境得以優化。