浅谈煤炭机电领域变频调速技术的应用

浅谈煤炭机电领域变频调速技术的应用

贾永建

河南煤业化工集团鹤煤公司二矿贾永建

近年来，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。变频调速技术以其优异的调速和起动、制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，多种人性化保护，广泛的适用范围及其他许多优点而被国内外公认为是最有发展前途的调速方式。

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，其中通风、提升、压气、排水等设备的电能消耗占总能耗2/3以上，但是有很大一部分电能是白白浪费掉的。因为企业在最初进行设备的设计、选型时，都是按最大生产需求量来确定的，而实际应用中大多数时候达不到最大生产能力，又因生产工艺的需要，运行中往往要改变风量等参数，而目前多数采用档板或阀门来调节。虽然方法简单，但实质是人为增加阻力的办法，致使设备不能在最佳工况区域内运行。因此浪费大量电能，属不经济的调节方式。特别是水泵、风机等流体类负载，平均运转效率只有20％～50％，如果能将效率提高到95％以上:就可节约20％～50％的电费。所以说:煤炭企业的节电潜力是很大的。在当前“建设节约型社会”的大格局下，节能降耗业已成为企业降低生产成本、提高产品质量，实现科学发展的必由之路。利用变频调速技术对煤矿企业现有设备进行技术改造，完全能达到改善工况点、提高效率、节省电费的目的，具有积极的意义。

一、变频调速技术的原理

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，是强弱电混合、机电一体的综合性技术。其实质是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，其基本原理是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。变频调速技术之所以在能源危机中应运而生，就是因为它能根据电机负载的变化实现自动、平滑的增速、减速，从而大幅度提高工作效率。

二、变频调速技术的使用案例

以鹤煤公司二矿现用的的BD－Ⅱ－6－NO17型对旋轴流式风机使用INVT-P9-110T4型变频调速器前后为例来说明。INVT变频器采用西门子IGBT作为主回路功率器件，由微处理器实现全数字化控制，可满足设备实际运行中的各种特殊要求，并且可以设置多种参数以满足设备在不同工况下运行的需要。

我们知道，在矿井开采的不同阶段，随着开采和掘进的不断延伸，巷道延长，尽管风量基本不变，但井下所需的风压要求却不断增加，风机需用功率也随之增加。而风机是按最大用风量设计的，一般情况下用风量都大大低于风机的额定流量，多余的风只能采用放风或人为增加阻力（如安装风门限流等）的方式满足生产需要。而且，风机的起动、运行由自耦降压起动柜控制。自耦降压起动柜是通过内置的自耦变压器降压以达到降低电动机起动电流的目的，对供电网络的波动较大。这种传统供风方法的缺点是电能浪费严重，调节精度差。在改造过程中，我们使用变频调速器替换了原来的自耦降压起动柜，通过正弦波PWM【PWM是英文PulseWidthModulation(脉冲宽度调制)的缩写，是按一定规律改变脉冲列的脉冲宽度，以调节输出量和波形，获得按正弦包络电压波形输出值的一种调值方式】方式在0.1～50Hz的频率范围内控制电动机的加、减速及起动、运转，使电动机的起动、运行更加趋于平稳，对供电网络的影响也最小，真正实现了无极调速。

改造后的通风系统有如下优点：1、任意调节供电频率来改变风机电机转速，从而满足生产用风量，不需放风，而且增加了调节精度。如风机额定风量为3680m3/min，而现阶段矿井需要风量为2564m3/min，为额定风量的69.7％。为此，我们将风机工作频率设定为35Hz，通过降低风机的供电电压频率达到减少风机转速，从而减小风量的目的。2、节省了电能。电能消耗较之去年同比减少了66％。

当风机转速下降时，电动机的功率迅速降低，如风量下降到80％，转速亦下降到80％时，则轴功率下降到额定值的51.2％；若风量下降到50％，则轴功率将下降到额定值的12.5％，其节电潜力非常大。主扇风机月电耗节省计算过程如下：

节省电能K=电动机额定输入功率×省电率×24×30（kWh）

＝110×2×66%×24×30=104544（kWh）

以工业用电0.38元/kWh计算,可节支0.38×104544=39726元。购置一套INVT-P9-110T4变频调速器费用大约10万元，投入使用后3个月时间即可收回投资。因此该技术值得在矿井通风系统推广使用，并且可以在矿井的其它动力系统推广使用。

三、变频调速技术的优点

1、宽电网电压：±20%电网电压，可从容应付不同的电网状况。

2、软启动功能，减少了设备起动时大电流对电网的浪涌冲击和机械冲击。利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，加、减速过程平滑，保护了电机，降低电机维护费用。

3、降低电机噪音及机械震动。低速时，电机的转矩加大，运转更稳定、不共振、温升低，可延长设备使用寿命。

4、输入谐波小，高功率因数。

5、具有完善、可靠、人性化的保护功能，如电动机过载保护，瞬时过流、过载保护，过压失速保护，电流限幅保护，自动转矩补偿保护等，有效地保护供电、配电设备和电机安全运行。

6、效率高，无附加转差损耗，调速范围大、精度高、无级调速。

7、故障率低。低故障率可节省设备检修、维护费用。

8、改造工艺简单。可利用原有异步电动机对旧设备进行技术改造，它既保留了原有电动机，具有改造简单、可靠、耐用，维护方便的优点，既能达到节电的显著效果，又能保持恒压力的工艺需求，还能减小机械磨损。

四、变频调速技术在煤矿企业的发展前景

煤矿企业可以使用变频调速技术的设备很多，如通风机、空气压缩机、水泵、提升绞车、牵引电机车等，利用变频调速技术对煤炭企业现有设备进行技术改造，完全能实现改善工况点、提高效率、节省电能的目的。

鹤煤公司二矿随着科学技术的不断进步，交流电动机变频调速技术已日趋完善，在煤矿企业技术改造和产品更新换代及在节能和实现生产过程自动化方面都取得了明显的效果。因此，必须坚持“科技兴煤、科技兴安”，积极推广先进的交流变频调速技术，用先进的设备武装、改造煤矿等传统产业，促进煤矿企业的“科学理性，极速发展”，打造真正意义上的“现代化”、“本质安全型”煤矿。