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煤矿企业是中国用电大户,其生产所用的主要机电设备耗电所占其用电比例相当大,像矿井主通风机、压风机、主排水泵、主副井提升机及瓦斯泵站等大型机电设备(俗称“五大件”)用电负荷基本占到煤矿生产用电量的60%以上。
以2012年中国煤炭生产为例,全年产煤38.7×108 t,但全年用电量为376×108 kW˙h,用电量占全国用电量3.49%,吨煤用电成本仍相比国外高许多。从数据分析来看,中国煤炭企业既是产能大户,同时也是耗能大户,但节能空间也潜力巨大。
1、变频器介绍
1.1变频器
随着电子元器件科技水平不断发展,绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)被广泛应用,科技人员通过改变电机工作电源频率的方式来达到控制交流电动机的电力控制,即使得变频器顺利诞生。变频器的组成单元主要有整流单元、滤波单元、逆变单元、制动单元、驱动单元、检测单元、微处理单元7个单元组成。变频器通过控制其内部IGBT开断来调整其输出电源的电压和频率,匹配电机实际需要的电源电压,从而达到节能及调速的目的。
1.2变频器的主要用途
变频器主要用在设备的大功率配套电机上,像大型风机,如煤矿主通风机、军工风动风机等设备,还有一些大型水泵,如煤矿主排水设备等。为能使在这些机械与电气设备中配套的电机满足使用要求,其功率参数一般选择都留有一定裕量。当电机正常运转下,其正常功率在满足机械设备动力驱动外,多余转矩造成了有功功率消耗,使得电能无端浪费。这些设备往往通过机械方式来满足所需功率要求,如风机通过调节机身入口或出口挡板、水泵通过调节入口或出口的阀门开启角度等来调节风、水的流量、压力等参数,这些都是典型大马拉小车的配套方式。这种配套方式,通过人为增加阻力,并以浪费电能为代价来满足使用条件的做法,与中国节能减排及“十二五”规划背道而驰。当电机使用变频调速时,只要通过降低风机或水泵的转速即可满足要求。
2、变频器在煤矿主通风中的应用
2.1风机变频改造方案
煤矿主通风机设备大多依据矿井用风满负荷进行设备选型,实际应用中,风机大部分时间并未处于满负荷状态运行。采用变频器后可通过变频直接控制风机启动,利用变频器PID(比例积分微分控制)对电机进行调速以得到所需恒定风量,满足矿井不同时段的风量需求。
2.2 风机变频调速节能原理
主通风机的转速从nl变为n2时,风量、风压及功率有以下公式:
Q2=Q1(n2/nl),(1)
H2=H1(n2/nl)2,(2)
P2=P1(n2/nl)3,(3)
式(1)~(3)中,nl、nl分别为变频前后的主通风机转速,r/min;Q1、Q2分别为变频前后的每分钟风量,m3/min;H1、H2分别为变频前后的风机风压,Pa;P1、P2分别为变频前后的风机功率,kW[1]。
由(1)~(3)式可知,风机风量与电机转速比成正比,风机风压与电机转速比的二次方成正比,风机功率与电机转速比的三次方成正比,因此,可推出表1数据。
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