變頻節能技術在煤礦設備上的應用探討

呂耀民

(銅川市耀州區秀房溝煤礦，陜西 銅川 727104)

0 引言

隨著市場對于煤炭這種傳統能源需求量的不斷增大，煤礦的生產強度、機械化程度和原煤產量也越來越大，這就對煤礦機電設備安全高效、穩定地運轉提出了更高的要求。煤礦成本構成中，電耗是一項特別重要的指標，降低噸煤電耗是煤礦節能改造工作的重要攻關難點[1-3]。為此，改進煤礦機電設備效率，提高設備的節能效果和技術含量成為當前煤礦設備的重要發展方向。在這樣的背景下，推廣變頻節能技術可有效降低煤礦機電設備的能源消耗量[4-7]，在提高機電設備運轉效率的同時，增強設備運轉穩定性與使用壽命，同時降低煤礦生產成本。

1 變頻節能技術

1.1 變頻技術概念

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

N=60f/p(1-s)

(1)

式中：f—供電頻率；p—電動機極對數；s—轉差率。一臺電動機出廠后，極對數、轉差率成為定值，這樣電動機轉速與電源頻率成正比關系。對于工頻電源，當電源頻率從0變到50 Hz，電動機則從0變到額定轉速的100%，利用調節電源頻率線性變化，則機械設備的驅動電機會實現無級調速的要求。煤礦機電設備的軸功率往往對轉速十分敏感，這為落實機電設備的節能任務提供了一個新思路。

1.2 變頻節能技術

煤礦機電設備的特點是功率大，運轉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波動，這就為機電設備節能留有很大的空間[12-13]。例如，采煤機遇到夾矸煤層和非夾矸煤層，驅動采煤機滾筒電機需要提供不同的功率才能夠正常割煤，避免“大馬拉小車”。為了使驅動電機提供不同的輸出功率和割煤速度，這時就需要運用變頻技術來適應這種變化。

對于水泵、風機類負荷，軸功率見式(2)。

P=QH/η

(2)

式中：Q—流量；H—壓力；η—設備效率。可看出，軸功率與流量、壓力成正比關系。從流體力學理論可知，流量Q與設備轉速n成正比；壓力H與轉速n的平方成正比，則軸功率P與轉速近似成立方比。當設備效率一定時，為調節流量下降，可調整設備轉速下降來達到目的，借助變頻技術這時設備的軸功率會成立方關系下降，意味著節約了電能消耗。

煤礦設備直接啟動或Y/Δ啟動時，啟動電流是額定電流的4～8倍，會對電網造成嚴重沖擊、造成母線電壓下降保護動作，為此往往需要加大電網容量，增加了系統投資。同時，啟動時電動機功率因數極低(cosφ≈0.4)，造成系統資源浪費。采用變頻技術，可實現設備軟啟動，提高了啟動時設備功率因數，減少了電網沖擊，實現了節能的目的。

煤礦電動機屬感性負載，工作時需要占用一定的無功功率，削弱了電網的供電能力。采用變頻技術后，由于變頻器內部濾波電容器的作用和功率器件的觸發方式的調節，使用電設備功率因數cosφ≈1，從而減少了系統無功損耗，增加電網有功功率，達到了節能效果。

2 變頻器在煤礦機電設備中的應用

2.1 礦用變頻器

由于變頻器屬功率電子設備，具有降低機電設備能源損耗，提高設備的自動化和智能化性能，還具備遠程操作的便利性和可靠性，變頻器在煤礦自動化設備中應用十分廣泛，且頗受好評。隨著經濟、科技水平、生產力的快速發展，常規變頻器逐漸不能適應煤礦設備技術更迭的情況，只有不斷對變頻器進行技術開發，才能使其在煤礦自動化機電設備中立于不敗之地。目前礦用變頻器正在向大功率、高電壓、特種模塊化、智能化轉變，功率器件冷卻方式也從風冷式、水冷式向特種冷卻方式轉變，如超導熱管冷卻、半導體冷卻等。其優點是功能豐富、性能穩定、隔爆安全、使用便捷、響應迅速。

2.2 交流四象限變頻器

交流電動機運行機械特性曲線反映在數學軸上有四個象限。第一象限為正傳電動狀態，第二象限為回饋制動狀態，第三象限為反轉電動狀態，第四象限為反接制動狀態。電動機在這四象限都可工作，只不過一、三象限電動機處于電動狀態，從電網消耗能量；二、四象限電動機處于發電狀態，可向電網回饋能量。適應電動機四象限運行特性的變頻器稱為交流四象限變頻器。對于驅動具有位勢負載的特性(如提升機、牽引機車)的電動機，運用交流四象限變頻器，當系統增加勢能過程中，電動機處于電動狀態，從電網吸取能量；當系統勢能減少過程中，電動機處于發電狀態，四象限變頻器沒有出現以前，這種情況下，只能通過電阻發熱消耗掉能量。四象限變頻器出現后，其逆變回路可以把電動機產生的電力回饋給電網，實現節能運行。目前，四象限變頻器的功率模塊可以實現能量雙向流動，通過具有高速運算能力的微處理模塊，可輸出脈沖寬度調制(PWM)信號，實時觸發功率器件使變頻器輸出完美、不產生諧波，成為綠色產品。既不污染電網，又能向電網回饋能量，極大程度地提高了煤礦機電設備的節能效果。

3 變頻節能技術在煤礦設備中的應用

3.1 在采煤機中的應用

采煤機是集電氣、機械、液壓、檢測控制為一體的大型復雜成套裝備，是現代化煤礦的重要設備之一。采煤機不僅可以提高采煤效率、降低體力勞動強度，還大大提高了煤礦工人生產的安全性，實現降低企業成本的效果。在現代化采煤過程中，采煤機扮演重要角色，一旦采煤機故障，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。而變頻技術的出現和廣泛應用，使采煤機工作效率、無故障工作時間和維修周期都得到很大改善。目前，電牽引采煤機采用變頻器驅動已成為標配。不同廠家的設備區別僅在于智能化配置、通信控制功能和關鍵部件的材質上。

3.2 在風機中的應用

秀房溝煤礦主要通風機型號為FBCDZN026，風機功率為2×200 kW。使用變頻調速控制系統后，主要效果：①減小電機的啟動電流；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改善了供電系統的功率因數；⑤可逆運行、控制方便。

變頻裝置可以在設備零速度、零電壓狀態下啟動，按照V/F或矢量控制方式，帶動負載達到適宜的工況點運行，這個過程能充分降低啟動電機電流，減少電力線路電壓波動，不會引起電壓敏感設備故障跳閘或工作異常。由于風機葉片質量較大，變頻啟動過程中能按照需要進行平滑的加速，其加速曲線可預先選擇(直線加速、S形加速或自動加速)，便于風機迅速通過諧振點，防止設備出現劇烈震動。通過檢測電機電流，可設置過載保護、防止設備過扭矩和電機過載損壞。風機采用電動機反轉反風，只需控制變頻器可逆運行就可以了，控制操作簡單。礦井通風機的風量、負壓是按礦井后期最不利工礦點選擇的，初期風量、負壓較小，此時讓風機電動機按35 Hz運行，既滿足通風需要，又節約電能。

3.3 在傳送帶運輸機中的應用

主斜井膠帶輸送機型號為DTL80/35/2×220，采用單滾筒雙電機驅動(單機功率為220kW)，皮帶傾角為16.8°。利用變頻調速系統驅動，能長期可靠地服務于長距離帶式輸送機這類恒轉矩負載，具有起動轉矩大、啟動電流小、便于低速驗帶等特點。系統可在輕載、重載工況下控制帶式輸送機這類柔性負載的軟啟動/軟停車過程，并在全過程中實現各驅動電機之間的功率平衡和速度同步。系統提供的帶速調節功能，降低快速起動/快速停車過程對機械和電氣系統的沖擊，避免了灑料，有效抑制了動態張力波可能對膠帶和機械設備造成的危害，延長了帶式輸送機使用壽命。

3.4 在提升機中的應用

煤礦提升機承擔著提升煤炭、材料、人員、機械設備的任務，是具有位勢能的機械設備。隨著變頻器技術的發展進步，絞車變頻器越來越成熟。在大型、特大型煤礦提升設備中，變頻提升機已占有絕對優勢。煤礦提升機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、保護完整、節能、易于自動化運行等眾多優點。

4 結語

變頻節能技術在煤礦設備中的廣泛應用，可以幫助企業節能降耗，增強煤炭企業高質量發展的動力。變頻節能技術不僅賦予了設備較好的機械特性和節能效果，更為設備增強了控制調節功能，促進了煤礦機電設備進一步發展。