張立軍

華潤天能徐州煤電有限公司沛城煤礦，江蘇 徐州 221600

我國煤炭工業(yè)堪稱我國第一能源工業(yè)，既是產能大戶，又是耗能大戶，同時也是節(jié)能潛力大戶。節(jié)約資源是我國的一項基本國策，但我國目前的工業(yè)生產中仍然存在著一定程度的能源浪費現(xiàn)象。為推動經濟發(fā)展，保障國民經濟持續(xù)快速協(xié)調健康發(fā)展，全面推進能源、原材料等資源節(jié)約和綜合利用工作，根據(jù)國家的政策和產業(yè)的發(fā)展導向，對煤礦井上、下電氣裝備進行技術性節(jié)能改造，對提高煤礦裝備的現(xiàn)代化和自動化水平，提高企業(yè)的經濟效益具有重要的意義。

1 現(xiàn)實依據(jù)

我國大部分煤礦企業(yè)的機電設備，特別是乳化液泵、空壓機、皮帶運輸機、絞車等仍然呈現(xiàn)出一種高投入，低產出狀態(tài)，這就增加了企業(yè)運行成本，降低了企業(yè)經濟效益。以乳化液泵站為例，在實際運行過程中存在以下問題：

1）乳化液泵站的電機是根據(jù)工作面的最大用液量來配備的，在多數(shù)情況下，電機是持續(xù)全速運轉的，乳化液泵提供的乳化液系統(tǒng)不能完全利用，對于多余的部分，要通過溢流閥流回系統(tǒng)，這個過程就出現(xiàn)了無功作業(yè)，造成了電能的浪費；2）電機長時間全速運轉，增大了機械磨損，縮短了機械的使用壽命；3）電機在啟動時會產生很大的電流，對電網造成了較大的沖擊力；4）溢流閥頻繁動作，容易損壞；5）系統(tǒng)管路壓力不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)“爆管子”現(xiàn)象。使用變頻控制后，不僅實現(xiàn)了根據(jù)系統(tǒng)用液量來調節(jié)電機的轉速，而且實現(xiàn)了軟起動，減少了“爆管子”現(xiàn)象，減少了設備的磨損，減輕了勞動強度，還實現(xiàn)了節(jié)能降耗。

因此，為了減少企業(yè)的運行成本，減少電力的不必要損耗，對煤礦設備進行變頻改造勢在必行。

2 國內外現(xiàn)狀

國外變頻器產品起步較早，其產業(yè)化規(guī)模日趨壯大。交流變頻器自20世紀60年代左右問世，到20世紀80年代在主要工業(yè)化國家已廣泛使用，而從20世紀90年代以來，隨著人們節(jié)能環(huán)保和解決大氣溫室效應意識的增強，變頻器的推廣與應用越來越受到人們的重視。國內自20世紀90年代以來，隨著人們節(jié)能環(huán)保意識的加強，變頻器的應用越來越普及。相對于工業(yè)化國家來說，我國變頻器行業(yè)起步較晚，經過10余年的推廣和使用，已經逐步得到了用戶的認可。

3 變頻器的優(yōu)點

3.1 降低電力線路電壓波動

電機工頻啟動時，電流劇增的同時，電壓也會大幅波動，電壓下降幅度的大小將取決于啟動電機功率的大小和配電網的容量。電壓下降將會導致同一供電網絡中的電壓敏感設備故障跳閘或工作異常，而采用變頻調速后，由于能在零頻零壓時逐步啟動，能最大程度的消除電壓下降。

3.2 減少對電網的沖擊

電機功率與電流和電壓的乘積成正比, 通過工頻直接啟動，電機消耗的功率將大大高于變頻啟動所需要的功率。在一般工作情況下，直接工頻啟動電機所產生的電涌會對同網上的其他用戶產生嚴重的影響,造成峰谷差值過大。如果采用變頻器進行電機起停, 就不會產生類似的問題。

3.3 加速功能可控

工頻啟動時對電機或相連的機械部分軸或齒輪都會產生劇烈的振動，這種振動將進一步加劇機械磨損和損耗，降低機械部件和電機的壽命；而變頻控制實現(xiàn)零速啟動，并能按照用戶的需要進行平滑加速，并且其加速曲線也可以選擇（直線加速、S形加速或者自動加速），從而避免了上述問題。

3.4 運行速度可控

運用變頻調速能優(yōu)化工藝過程，滿足生產工藝過程對速度的要求。借助內置PID的調節(jié)功能，可以實現(xiàn)無級調節(jié)，還能通過PLC或其他控制器來實現(xiàn)遠程速度的調節(jié)。

3.5 轉矩極限可調

通過變頻調速后，能夠設置相應的轉矩極限來保證工藝過程的連續(xù)性和產品的可靠性。目前的變頻技術不僅可以調節(jié)轉矩極限，甚至轉矩的控制精度都能達到3%～5%左右。但在工頻狀態(tài)下，電機只能通過檢測電流值或熱保護來進行控制，而無法像在變頻控制一樣設置精確的轉矩值來動作。

3.6 停止方式可控

如同可控的加速一樣, 在變頻調速中, 停止方式也是可控的，并且有不同的停止方式可以選擇（減速停車、自由停車、減速停車＋直流制動），這樣能減少對機械部件和電機的沖擊，從而使整個系統(tǒng)更加安全，壽命也會相應增加。

3.7 控制電機的啟動電流

當電機通過工頻直接啟動時，將會產生7～8倍的電機額定電流，這個電流值將大大增加電機繞組的電應力并產生熱量，這就降低電機的壽命，而變頻后則可以在零速零電壓啟動(可以適當加轉矩提升)，充分降低啟動電流，提高繞組承受力，使電機的維護成本降低、電機的壽命增加。

3.8 可逆運行控制

在變頻器控制中，要實現(xiàn)可逆運行控制無須額外的可逆控制裝置，只要改變輸出電壓的相序即可，這就降低了維護成本、節(jié)省了安裝空間。

3.9 減少機械傳動部件的磨損

目前矢量變頻器可以實現(xiàn)高效的轉矩輸出, 從而節(jié)省齒輪箱等機械傳動部件,構成直接變頻傳動系統(tǒng)，從而降低成本，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

4 變頻改造方案

4.1 乳化液泵站改造

采用一臺BPBT75/660型礦用隔爆型變頻調速器，外加一套PLC可編程控制器作為乳化液泵站的主控設備，采用隔爆兼本安型壓力變送器檢測管網的壓力。壓力傳感變送器的測量值以0V～10V（4mA～20mA）信號控制變頻器，變頻器依據(jù)給定值和測量值的誤差經 PID運算后，給出適當?shù)碾妷汉皖l率給乳化液泵站的電機。在泵站運行過程中，一旦當管路壓力升高超過給定值時，變頻器降低電機轉速，使泵的流量減小，從而使管路壓力降低，反之則電動機轉速增加，從而使管路壓力保持為恒定值。具有以下優(yōu)點：

1）啟動泵時，先進行泵站的液位檢測，隨時進行泵站的吸空報警，保證系統(tǒng)的正常工作；

2）啟動泵站后不用進行任何手動卸荷操作，減少操作人員的主觀失誤，減輕工人勞動強度，提高自動化程度；變頻器要對乳化液泵站的各種程序自動進行節(jié)能和保護控制；

3）根據(jù)傳感器信號，隨時判斷和提醒供液管是否存在泄漏，以提高系統(tǒng)的可靠性，節(jié)約能源；

4）系統(tǒng)不注液時，根據(jù)電氣控制，實現(xiàn)卸荷空載運行，實現(xiàn)節(jié)能并延長設備壽命；

5）長時間不注液時，根據(jù)電氣控制器的決策，可以自動停電機，實現(xiàn)節(jié)能和延長裝備使用壽命；

6）根據(jù)壓力傳感器檢測的信號，由電氣控制器決策，實現(xiàn)乳化液泵的各種運行工況，保證可靠供液；

7）通過對系統(tǒng)參數(shù)的調整，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的快速響應，縮短支護時間，提高支護安全性。

4.2 風機變頻改造

4.2.1 風機變頻改造方案

煤礦的風機多是根據(jù)滿負荷工作時的需用量來選型的，但在實際應用中，大部分時間并非處于滿負荷狀態(tài)。改造后，我們采用變頻器直接控制風機。利用變頻器內置PID調節(jié)軟件，直接調節(jié)電動機的轉速以保持恒定的風量，從而滿足系統(tǒng)的工況要求，實現(xiàn)閉環(huán)恒壓或恒流量控制，節(jié)能效率將進一步提高。

由于變頻器可實現(xiàn)大功率電機的軟停、軟起，避免啟動時的電壓沖擊，減少了電動機的故障率，從而延長了電機使用壽命，也降低了對電網的容量要求和無功損耗。

4.2.2 風機變頻調速節(jié)能原理

風機的轉速從nl變?yōu)閚2時，Q、H、P之間的關系為：

由上式可知風機流量與轉速的一次方成正比，壓力與轉速的二次方成正比，而軸功率與轉速的三次方成正比。因而，理想情況下功率與轉速有如下關系：

節(jié)約能源百分比100 100 100 100 090 90 81 72.9 27.180 80 64 51.2 48.870 70 49 34.3 65.760 60 36 21.6 78.450 50 25 12.5 87.5流量百分比轉速百分比壓力（揚程）百分比功率百分比

由上表可見：當需求流量下降時，調節(jié)轉速可以節(jié)約大量能源。例如：當流量需求減少—半時，通過變頻調速，從理論上講，僅需額定功率的12.5%，即可節(jié)約87.5%的能源。如采用傳統(tǒng)的擋板方式調節(jié)風量，雖然能控制流量，但沒有節(jié)能效果。

4.2.3 變頻改造后的功能與特點

1）采用變頻器控制電機的轉速，取消了擋板調節(jié)，降低了裝備的故障率，節(jié)電效果顯著；

2）采用變頻器控制電機，實現(xiàn)了電機的軟啟動，減少了機械磨損，延長了設備的使用壽命，避免了對電網的沖擊；

3）電機將在低于額定轉速的狀態(tài)下運行，減少了噪音對環(huán)境的影響；

4）具有過載、過壓、過流、欠壓、電源缺相等自動保護功能；

5）運轉狀態(tài)靈活多樣，可手動控制也可完全實現(xiàn)自動控制，并且可與其他自控裝置進行電氣連鎖及計算機控制；

6）安裝時可不破壞原有的配電設施和環(huán)境，不影響生產；

7）只需調節(jié)電位器旋鈕即可調整風量，操作方便。

4.3 皮帶運輸機的變頻改造方案

目前，井下采區(qū)皮帶運輸機由于受生產條件的限制，普遍存在著欠載運行的現(xiàn)象，浪費電能。偶爾也出現(xiàn)皮帶機過煤量較大，形成堆煤現(xiàn)象。因此皮帶機合理地運行方式是適應過煤量，即在過煤量大時速度快、過煤量小時速度慢。

采用了V/F 控制算法的變頻控制后，電機的啟動力矩已經能滿足用戶的需求，而且啟動電流小,降低了設備成本及防護等級,提高了操作安全。通過設置物流傳感器可以實現(xiàn)根據(jù)煤流大小調節(jié)皮帶機運行速度。

4.4 絞車的變頻改造方案

4.4.1 絞車采用變頻控制的優(yōu)點

1）軟啟動、軟停車

變頻改造后，減小了機械沖擊，啟動及加速換檔時電流對電網沖擊很小，使絞車系統(tǒng)和電網運行更加穩(wěn)定可靠；變頻器本身提供的功能使機械制動與電制動有機結合，保證系統(tǒng)的絕對安全。

2）采用PLC控制

與傳感器構成閉環(huán)控制（也可采用開環(huán)控制），簡化了系統(tǒng)構成，減小了人工勞動強度。

3）實現(xiàn)了無極調速

調速范圍寬、運行曲線成S型、加速平滑、無沖擊感。

4）安全保護功能齊全

裝備的外殼是隔爆防護等級，且變頻器除一般過流、直流過壓、直流欠壓、變頻器過溫、短路、輸入缺相、環(huán)境溫度、過頻、I/O控制板內部故障、內部故障外，還具有可編程故障保護功能、AI

4.5 壓風機變頻改造方案

用調整電機轉速的方法同樣可以調整供氣量。由于空壓機基本上屬于恒轉矩負載，用變頻調速的方法調整供氣量能使電機的輸出功率基本與轉速（供氣量）成正比，進而達到很好的節(jié)電效果。采用具有矢量控制功能的變頻器后，可使電機在低速時也能提供滿足負載需要的轉矩；同時，變頻器的自動節(jié)能模式，可使電機在滿足負載轉矩要求下以最小電流運行，而達到更好的節(jié)電效果。

對空壓機進行變頻改造后，實現(xiàn)了恒壓供氣，可帶來如下效果：

1）出氣口釋放閥全部關閉，取消用出氣口釋放閥調節(jié)供氣量方式，以避免由此導致的電能浪費。代之以變頻器調整電機的轉速來調整氣體流量，使電機輸出功率與流量需求基本上成正比關系，始終使電機高效率工作，以達到明顯的節(jié)電效果；

2）利用變頻器的節(jié)能模式，使電機在輕載時以最高效率運行，減少不必要的電能損耗；

3）根據(jù)嚴格的EMS標準，高效的PWM變頻器使用高速低耗的IGBT，降低諧波失真和電機的電能損失；

4）可使電機起動、加載時的電流平緩上升，沒有任何沖擊；可使電機實現(xiàn)軟停，避免反生電流造成的危害，有利于延長裝備的使用壽命，減少對電網的沖擊；

5）采用變頻控制系統(tǒng)后，可以實時監(jiān)測供氣管路中氣體的壓力，使供氣管路中的氣體的壓力保持恒定，提高生產效率和產品質量；

6）由于電機在高效率狀態(tài)下運行，功率因數(shù)較高，降低了無功損耗，節(jié)約了大量電能。

5 結論

目前我礦已在中央風井、東風井、壓風機等處成功地使用了變頻器，均取得了較好效果。隨著國家對節(jié)能減排工作推進，實現(xiàn)企業(yè)經濟利益的提高，推進企業(yè)可持續(xù)發(fā)展。推廣使用變頻器、推廣使用變頻控制技術必將是一個發(fā)展趨勢。

[1]吳忠智，吳加林.變頻器應用指南[J].中國電力出版社.