探讨变频器节能技术在煤矿应用

一、前言

众所周知，煤炭企业是耗电大户，其电耗成本占其生产成本相当大的比例。在煤矿企业中，由于生产设备一般满足服务年限长的特点，选型较大造成大马拉小车的现象，电能浪费严重，设备运行效率往往都比较低。对于煤矿生产企业来说，电耗所占比例相当大，根据调查，风机、水泵、压缩机、提升绞车、瓦斯抽放设备的用电量占整个煤矿生产用电量的40%以上。但是有很大一部分电能是白白浪费掉的。如果采用挡板、阀门来进行调节往往造成比较大的浪费，而采用电动机变频调速来调节流量，这样可以节省20%-50%左右，自然可能产生巨大的社会和经济效应。对于大负荷电机来说，往往启动时间长、电流大，设备绝缘强度受到严重影响，容易烧毁大功率电动机。并且启动时对机械部分设备冲击较大，往往造成较为严重的机械损伤。所以说，这样不仅仅增加了设备维修成本，而且对于电网安全造成很大冲击。控制艺单一，同时实时性较差，自动化程度低。同时，对于转矩极限控制、可逆运行控制、速度控制、启动停止方式、加减速功能和机械传动部件使用寿命等方面存在明显缺陷，不能满足大规模自动化控制要求，而变频调速技术的发展成为解决这一问题的良方之一。

二、变频调速技术的原理与节能作用

1、变频调速技术的原理

交流变频调速是近几十年来发展起来的新技术，以其卓越的调速性能、显着的节电效果以及在国民经济各领域的广泛适用性，而被公认是一种最有前途的调速方式。交流变频调速技术是微机技术、电力电子技术和电机传动技术的综合应用，基本原理是在电力半导体器件的通断作用下，通过整流桥将工频交流电压变为直流电压，再由逆变器转换为频率、电压可调的交流电压作为交流电机的驱动电源，使电动机获得无级调速所需的电压和电流，是一种无附加转差损耗的高效调速方式之一。综合强弱电混合、机电一体的基础上，对于电力电子技术、微技术和电机传动技术进行综合应用，这就是交流变频调速技术。这样就能作为无附加转差损耗的高效调速方式，同时，使得电动机获得无级调速所需的电压和电流。在能源危机中发展的变频调速技术，可以有效大幅度提高工作效率，是因为它能按照电机负载而进行自动的平滑的增速、减速工作。这样，通过电动机的供电电源频率的改变，作为一种高效率、高性能的调速手段变频调速技术能够实现有效调节。

2、变频调速技术的节能作用

随着电子技术、计算机技术、自动控制技术、大功率输出技术的迅速发展，交流电机变频调速技术取得了突破性的进步，成为当今节电和改善环境、推动技术进步的一种主要手段，已成为一种必然的发展趋势。明显的节能效果和优越的调节性能，使变频节能技术在我国煤矿中的应用越来越广泛，技术也越来越成熟。大容量、多功能、高可靠性的变频器在煤矿生产中得到广泛的推广和应用，为煤矿节省大量电能，特别是在流体类负载中，其节能率在20%-60%。变频控制原理是：采用变频调速电动机实现真正的软启动和平滑调速，利用变频器控制提高输入电源的功率因数，在基频以下为恒转矩输出，输出功率随转速变化。

三、变频调速技术在煤矿生产中的具体应用-以带式输送机为例

1、带式输送机在煤矿生产中的节能问题

带式输送机作为煤矿运输的主要设备被大量采用，随着煤矿高产高效工作面的发展，长距离、大运量、高速带式输送机越来越多的被设计、制造并投入运行。这些大型机种的使用，使输送机存在的冲击载荷大、驱动电机出力不均而导致电机过载等问题更加尖锐地暴露出来。皮带机的启动和运行方式为绕线电机经转子绕组降压启动后工频运行，经液力耦合器切换至皮带机。皮带机的工作原理是皮带机通过驱动轮毂，靠摩擦力牵引皮带运动，皮带通过张力变形和摩擦力带动物体在支撑辊轮上运动。皮带是弹性储能材料，在皮带机停止和运行时都储存有大量势能，这就决定了皮带机启动时应该采用软启动的方式。

因此对带式输送机的起动和运行提出下列要求：如果电机直接重载起动时，要求电源提供比正常运行时大6-7倍的电流，这样电机就会因电流过大和起动时间过长而过热烧毁；电网会因大电流使电压过分降低而影响其它设备运转；所以要求新型驱动系统能够降低电机起动时的电流。目前大型带式输送机都要求驱动系统能提供可调、平滑的、无冲击的起动力矩，以减小冲击，从而改善对整机的受力状况，延长整机的寿命，提高设备的可靠性，即希望实现软起动。长距离带式输送机，如果起动过快，拉紧装置就来不及拉紧，使得传动滚筒打滑，导致发热着火；对于大倾角的上运带式输送机，如果起动加速度过快，会引起物料下滑或滚料现象；这就要求起动加速度可控，实现平稳起动。为便于带式输送机的检修，希望能实现低速验带运行。综上所述，要求驱动系统能够自适应起动、运行、停车工况的要求，使带式输送机起停平稳、运行高效、驱动平衡、工作安全可靠。然而，目前国内大多数煤矿采用液力耦合器来实现皮带机的软启动，在启动时调整液力耦合器的机械效率为零，使电机空载启动。虽然采用了转子串接电阻改善启动转矩和降压空载启动等方法，但电机的启动电流仍然很大，不仅会引起电网电压的剧烈波动，还会造成电机内部机械冲击和发热等现象。同时由于液力耦合器长时间工作会引起其内部油温升高、金属部件磨损、泄漏及效率波动等情况发生，不仅会加大维护难度和成本、污染了环境，还会使多机驱动同一皮带时难以解决功率平均和同步问题。

2、变频调速技术在带式输送机中的应用

带式输送机中的变频调速自动控制系统由可编程序控制器PLC、变频器、电流互感器、电流变送器、核子皮带秤、带速传感器和电机转速传感器等组成，具体可归纳为检测单元、控制单元和执行单元三部分。检测单元：电流互感器及变送器取得电机电流信号。带速传感器采集的带速信号，经过转换为电压信号。电机转速传感器采集的转速信号，通过转换为电压信号。核子皮带秤采集运量信号。各信号均送入核心模块。控制单元：当PLC接收到检测信号，经过判断决策，完成带式输送机的起动、功率平衡、节能调速功能。同时主控单元还具有断带、堆煤、撕带、烟雾、打滑、温度等故障保护功能。执行单元：变频器接收到PLC的频率控制信号，按给定信号输出相应频率的电压加至电动机，实现电机的调速，完成带式输送机的各种功能。经过变频技术改造后皮带机彻底实现了皮带输送机的软起、软停运行方式，使皮带机在工作中更加性能稳定。系统的功率因数在整个过程中达0.9以上，大大节省了无功功率。采用变频器驱动后，使系统总的传递效率要比液力偶合器驱动的效率高5%-10%系统效率。改造后系统可以根据负载变化情况自动调整输出频率和输出力矩，改变了以前电机工频恒速运行的模式，在很大程度上节约了电力能源消耗。而且四象限中高压变频器的使用实现了皮带机能量回馈功能，进一步使得皮带机的能耗降低，液力耦合器的退出更大地节约了设备的维护和维修费用。在节能环保方面更加的完善。

四、结语

总之，变频器在煤矿的应用已经取得了良好的效果，随着新型电力电子器件的发展及性能的不断提高，变频调速技术在煤矿生产的应用会发挥更大作用，取得更加显着的经济效益。