郭 霖

（忻州職業(yè)技術(shù)學院，山西 忻州 034000）

引言

碳達峰碳中和是國家能源消耗的重要目標，工業(yè)能耗作為我國能源消耗的主要方面，其能耗問題必然需要引起高度重視，尤其是工業(yè)中最主要的電機能耗，以及其他生活領(lǐng)域的電機能源消耗。電機實際能耗約占工業(yè)總能耗的75%以上，電機能效提升、促進電機產(chǎn)業(yè)升級已上升到國家戰(zhàn)略層面。當前我國企業(yè)所使用的電機，真正實現(xiàn)變頻拖動的電機較少，而變頻拖動的各類設(shè)備起到節(jié)約能耗的更少，尤其是在煤礦安全生產(chǎn)中，大型設(shè)備、大功率設(shè)備高強度、長時間使用，變頻電機的節(jié)能效果更加明顯，所以，推進變頻電機在煤礦中的應(yīng)用勢在必行，而且發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

煤礦運輸中廣泛使用帶式輸送機作為輸送煤炭、物料的主要設(shè)備，其電能消耗占煤礦用電比例較大，但由于長期以來，煤礦生產(chǎn)粗放化，各種設(shè)備的選配功率均有較大余量，皮帶電動機運行過程中普遍存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象，煤礦帶式輸送機綜合效率很低，其節(jié)能改造潛力巨大。通過變頻器節(jié)能控制技術(shù)改造可有效提高帶式輸送機工作效率，節(jié)約電能[1-2]。

1 皮帶運輸在礦山應(yīng)用的能耗現(xiàn)狀

在煤礦生產(chǎn)環(huán)境中，由于煤炭運輸量大、運輸線路長等特點，各類設(shè)備為適應(yīng)高強度、長周期運轉(zhuǎn)的實際情況，往往對設(shè)備進行電動機設(shè)計選型時都選用有較大余量的電動機，但這種啟動電流瞬時沖擊大，對設(shè)備的損耗也大，電能消耗嚴重且維修保養(yǎng)成本較高。

在實際工作中，皮帶機運行過程中大部分時間處于非滿載狀態(tài)，甚至多數(shù)時間屬于空轉(zhuǎn)，對電機和皮帶的磨損很大，耗電量也居高不下。

井下皮帶開啟采用逆煤流啟動方式，如果運輸線采用多部皮帶長距離運輸，則煤炭等物料從上皮帶到運到煤庫需要較長時間，運輸系統(tǒng)的下游皮帶有很長的空載時間，浪費電能，磨損設(shè)備。

井下皮帶機實際運行速度基本保持不變，在煤量變小時皮帶速度仍保持高速運行，對電能也存在較大浪費。

如下頁表1所示，對某礦的主皮帶運輸系統(tǒng)進行了1個月的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，按照每個月工作28 d計算，進行了帶式輸送機運煤情況統(tǒng)計。

表1 某礦帶式輸送機某月運煤情況統(tǒng)計匯總表

根據(jù)現(xiàn)場實際監(jiān)測的數(shù)據(jù)顯示，即使在礦井出煤的高峰期，帶式輸送機也在不同程度上存在著空載和半載的時候，在半載和空載的工況下均有較大的節(jié)能空間。

2 變頻節(jié)能控制裝置的構(gòu)成及運行方式

當前，傳感器技術(shù)水平已經(jīng)大大提高，可以充分利用各種傳感器對皮帶的運行速度、溫度等進行數(shù)據(jù)采集，通過PLC處理、控制皮帶運轉(zhuǎn)，達到安全、可靠、節(jié)能、高效運行的目的。以一部皮帶為例，通過安設(shè)PLC防爆控制箱、速度傳感器、開停傳感器、料流傳感器、防爆電源箱等設(shè)備，控制系統(tǒng)實施監(jiān)控皮帶運行情況，并自動根據(jù)運送煤量調(diào)節(jié)皮帶速度，實現(xiàn)節(jié)能目的。

PLC即可編程邏輯控制器，可對傳感器采集數(shù)據(jù)進行分析計算并實現(xiàn)有效控制。防爆箱用于防爆變頻器的監(jiān)測，可設(shè)置在皮帶機頭司機操作臺；速度傳感器用于監(jiān)測皮帶運行速度并起到速度保護作用，可安設(shè)在皮帶機頭下皮帶上；料流傳感器用于實時監(jiān)測皮帶機上物料量，安設(shè)在距離皮帶機頭100 m左右的位置；同時在給煤機驅(qū)動電機電纜上安裝一臺開停傳感器，用來檢測該給煤機的運行信號。

皮帶控制（保護）系統(tǒng)發(fā)出皮帶啟動指令，變頻器拖動電機從零速度開始軟啟動，最終達到額定轉(zhuǎn)速;安裝在皮帶機機頭的PLC控制箱在接收到變頻器返回的正常運行的信號后，開始通過安裝在膠帶機機尾的料流傳感器（非接觸式）檢測皮帶上的料流信號，實時計算皮帶上的煤流量，從而計算出當前煤量下膠帶機的最佳速度值，經(jīng)PLC輸出模擬量控制信號給變頻器主機，通過變頻器輸出頻率變化來調(diào)節(jié)皮帶機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)膠帶物料較少時自動降低皮帶速度，運量增大時自動提高皮帶速度。當PLC通過上游帶上的料流傳感器檢測到皮帶上的煤量時，同時檢測上游皮帶是否正在運行，當檢測到的煤量為無煤或煤量較小時，本條皮帶可以做深度調(diào)節(jié)，即變頻器輸出降到最小設(shè)置值，但當該條皮帶料流傳感器檢測到煤量突然增加時，本條皮帶立即開始加速，根據(jù)煤量大小加速到最佳速度。這樣可以避免上游皮帶煤量突然增大時造成下游皮帶提速不及時而造成皮帶機尾灑煤。

在PLC控制箱上有節(jié)能模式和標準模式兩種運行方式可選，當料流傳感器出現(xiàn)故障時，可以在PLC控制箱上通過轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)換到標準模式，變頻器的輸出頻率將不再受料流大小控制，皮帶機運轉(zhuǎn)在工頻額定速度下，避免其影響生產(chǎn)。

如圖1所示為皮帶機變頻節(jié)能控制裝置示意圖，通過對皮帶輸送機的節(jié)能改造，可實現(xiàn)皮帶機在變頻器拖動下的節(jié)能運行，即：“煤量增多轉(zhuǎn)速加快，煤量變少轉(zhuǎn)速降低”，使皮帶根據(jù)運輸物料的多少來實時調(diào)節(jié)皮帶的轉(zhuǎn)動速度，降低皮帶空耗，提高皮帶的有效做功。同時，本方案中充分發(fā)揮防爆變頻器特有的優(yōu)異的起動性能，可大大降低起動時對機械設(shè)備的沖擊，降低運輸機能源消耗的同時，提高了皮帶運輸機的壽命。

圖1 皮帶機變頻節(jié)能控制裝置示意圖

3 變頻皮帶實現(xiàn)功率節(jié)能情況

井下皮帶實測工作速度為3.15 m/s，在皮帶空載時或接近空載時，皮帶在電動機頻率為50 Hz時保持相應(yīng)的速度運轉(zhuǎn)。改造后，可以將電動機頻率降到最低10 Hz，在這種情況下，相應(yīng)的皮帶工作速度也降低到原來的20%，即3.15 m/s×20%=0.63 m/s，電流會有較大的變化。

P原=1.732×1 140×120×0.95=225.1 kW；

P改=1.732×1 140×50×0.95=93.8 kW。

按1部皮帶同時運轉(zhuǎn)（雙機）計算空載或輕載每小時節(jié)約電能（225.1-93.8）×2=262.6 kW；按目前煤礦正常生產(chǎn)的情況，參照某礦井下皮帶機的空載時間約占總時間的55%計算，每天生產(chǎn)時間按19 h計算，每年按330 d正常生產(chǎn)計算，耗電量為262.6×19×55%×330=905 576.1 kWh，按電費0.6元/kWh計算，電費為905 576.1×0.6=543 345.66元。通過采用變頻節(jié)能改造，單部皮帶年節(jié)省費用148萬元多，而且延長了皮帶的使用壽命。

如果煤礦整個運輸系統(tǒng)均安裝了本裝置后，還可以實現(xiàn)運輸系統(tǒng)的順煤流起車和有煤開車無煤停車功能，系統(tǒng)在無煤時完全可以停下來，減少空載運行時間，整個運輸系統(tǒng)的效率還可以進一步提高[3-4]。

4 結(jié)語

變頻調(diào)速是通過改變交流異步電動機的供電頻率，從而改變電動機的軸轉(zhuǎn)速，進而實現(xiàn)電動機的無極調(diào)速。通過變頻無極調(diào)速可實現(xiàn)皮帶機軟啟動和軟停機，降低了皮帶瞬時功率損耗和對設(shè)備的沖擊；在多機驅(qū)動的皮帶機上，可以實現(xiàn)重載多電機啟動，啟動后根據(jù)運送煤量減少電機運行數(shù)，在運行過程中能夠根據(jù)皮帶煤量運送量實時調(diào)節(jié)皮帶的運行速度；可以通過煤流監(jiān)測器控制下游皮帶的啟動運行，減少整個運輸系統(tǒng)空載運行的時間，有效提高皮帶機整體的運輸效率，節(jié)約了電能，延長了設(shè)備的使用壽命，具有較高的經(jīng)濟效益，極具推廣應(yīng)用價值。