矿用变频器的发展与应用

• 关键词：上海沃陆电气
• 摘要：目前在国内煤炭行业电力电子技术已在部份矿务局得到推广。在现代化矿井中，由于设备大型化，自动化水平较高，吨煤人工费用所占比例不大，而电费所占比例增加，要降低成本，增强竞争力，应重视利用现代调速技术节约能量，例如在风机、水泵、带式输送机等设备上实现调速。

   目前在国内煤炭行业电力电子技术已在部份矿务局得到推广。在现代化矿井中，由于设备大型化，自动化水平较高，吨煤人工费用所占比例不大，而电费所占比例增加，要降低成本，增强竞争力，应重视利用现代调速技术节约能量，例如在风机、水泵、带式输送机等设备上实现调速。

下面分别谈变频器在煤矿带式输送机、矿井提升绞车、乳化液泵站的应用。

   第一、 带式输送机目前，变频器在国内煤矿的应用主要集中在带式输送机上。众所周知，皮带是一个弹性体，在静止或运行时皮带内贮藏了大量的能量，在皮带机起动过程中，如果不加设软起动装置，皮带内贮藏的能量将很快释放出去，在皮带上形成张力波并迅速沿着皮带传输出去。过大的张力波极易引起皮带被撕断。因此，《煤矿安全规程》规定，带式输送机必须加设软起动装置。目前煤矿采用的软起动装置绝大部分是液力偶合器。液力偶合器虽然能部分解决皮带机的软起动问题，但与变频器驱动相比，仍具有明显的劣势：首先，采用液力偶合器时，电机必须先空载起动。工频起动时，最初的电流很大，为电机额定电流的4--7倍。大的起动瞬间电流会在起动过程中产生冲击，引起电机内部机械应力和热应力发生变化，对机械部分造成严重磨损甚至损坏。同时还将引起电网电压下降，影响到电网内其它设备的正常运行，因此，大容量的皮带机还必须附加电机软起动设备。其次，液力偶合器长时工作时，引起液体温度升高，熔化合金塞， 引起漏液， 增大维护工作量，污染环境。

   第二，采用液力偶合器时，皮带机的加载时间较短，容易引起皮带张力变化，因此对皮带带强要求较高。

   第三，一般的皮带机都是长距离大运量，通常都是多电机驱动，采用液力偶合器驱动，很难解决多电机驱动时的功率平衡。随着电力电子技术的发展。

变频技术在最近二十年飞速发展，在部分煤矿企业获得了广泛应用，例如晋城煤业集团、潞安矿务局、淮北矿务局等。运用变频器对带式输送机的驱动进行改造，将给用户带来极大的社会和经济效益：

   第一，真正实现了带式输送机系统的软起动。运用变频器对带式输送机进行驱动，运用变频器的软起动功能，将电机的软起动和皮带机的软起动合二为一，通过电机的慢速起动，带动皮带机缓慢起动，将皮带内部贮存的能量缓慢释放，使皮带机在起动过程中形成的张力波极小，几乎对皮带不造成损害。

   第二，实现皮带机多电机驱动时的功率平衡。应用变频器对皮带机进行驱动时，一般采用一拖一控制，当多电机驱动时，采用主从控制，实现功率平衡。在晋城煤业集团王台二号井顺槽皮带为2×200KW/660V电机驱动，采有主从控制后，轻载时主从电机电流相差5A左右，满载时相差2A左右。

   第三，降低皮带带强。采用变频器驱动之后，由于变频器的起动时间可在1S～3600S可调，通常皮带机起动时间在60S～200S内根据现场设定，皮带机的起动时间延长，大大降低对皮带带强的要求，降低设备初期投资。

   第四，降低设备的维护量。变频器是一种电子器件的集成，它将机械的寿命转化为电子的寿命，寿命很长，大大降低设备维护量。同时，利用变频器的软起动功能实现带式输送机的软起动，起动过程中对机械基本无冲击，也大大减少了皮带机系统机械部份的检修量。如晋城煤业集团王台二号井顺槽皮带采用变频器驱动后，仅皮带扣一项年节约费用就达一万多元。

   第五，节能。在皮带机上采用变频驱动后的节能效果主要体现在系统功率因数和系统效率两个方面：

   1、 提高系统功率因数 通常情况下，煤矿用电机在设计过程中放的裕量比较大，工作时绝大部分不能满载运行，电机工作于满电压、满速度而负载经常很小，也有部分时间空载运行。由电机设计和运行特性知道，电机只有在接近满载时才是效率最高、功率因数最佳，轻载时降低，造成不必要的电能损失。这是因为当轻载时，定子电流有功分量很小，主要是励磁的无功分量，因此功率因数很低。采用变频器驱动后，在整个过程中功率因数达0.9以上，大大节省了无功功率。

   2、 提高系统效率采用变频器驱动之后，电机与减速器之间是直接硬联接，中间减少了液力偶合器这个环节。而液力偶合器本身的传递效率是不高的，并且液力偶合器主要是通过液体来传动，而液体的传动效率比直接硬联接的传动效率要低许多，因而采用变频器驱动后，系统总的传递效率要比液力偶合器驱动的效率要高5%～10%。另外，矿井通常离变电站距离较远，不同时段电压波动较大，利用变频器的自动稳压功能，也有部份节能作用。综上所述，采用变频器这种技术来改造传统的带式输送机驱动系统，不仅在技术的先进性还是带来的社会及经济效益方面都是巨大的，随着社会的发展，最终在带式输送机的驱动上变频器将取代液力偶合器的主导地位，在晋城煤业集团、潞安、淮北矿业集团的大量应用案例已证明了这一点。

   目前，在煤矿皮带机尤其在主井皮带机提升上有过成功案例应用的厂家就成都佳灵和德国西门子两家公司。二、矿井提升矿井提升设备是沿井筒提升煤炭、矿石、升降人员和设备、下放材料的大型机械设备。它是矿山井下生产系统和地面工业广场相联接的枢纽，是矿山运输的咽喉，因此，矿井提升设备在矿井生产的全过程中占着极其重要的地位，其安全可靠尤为突出。在矿井生产过程中，如果提升设备出了故障，必然造成停产。轻者，影响煤炭产量，重者，则会危及人身安全。此外，矿井提升设备是一大型的综合机械——电气设备，其成本和耗电量比较高，所以，在新矿井的设计和老矿井的改建设计中，确定合理的提升系统时，必须经过多方面的技术经济比较，结合矿井的具体条件，保证提升设备在选型和运转两个方面都是合理的，即要求矿井提升设备具有经济性。传统的提升系统中，电机的调速方式为电机转子串电阻分级调速。随着电力电子技术的发展，电机转子串电阻分级调速的方式其弊端越来越明显：

   第一、 控制精度差。采用电机转子串电阻调速，属于有级调速，在不同速度段的切换中存在速度跳跃，其控制比较粗糙，定位不准确。

   第二、 工作可靠性不高。由于在电机转子侧串接的电阻很多，而在分段调速过程中通常采用接触器短接上一级电阻，接触器的寿命主要体现在它的机械部份的寿命，众所周知机械部分的寿命比电子式的寿命要短许多，有时因电流过大，致使接触器的触点粘在一起，无法实现切换，从而造成超速等事故发生，严重影响系统工作的可靠性。

   第三、 维护工作量大。由于采用接触器对电阻进行分段切换，因此必须经常对接触器进行维护，大大增加了维护人员的工作强度。

   第四、 耗能。电机转子串电阻调速是一种转差功率消耗型的调速方式，在整个调速过程中，大量的电能被消耗在电阻上，非常不经济。

   第五、 稳定性较差。电机转子串电阻调速，当在低速段运行时，稳定性差。因为转速越低，特性越软，负载转矩波动时，引起的转速变化越大，使运行稳定性差。随着电力电子技术的发展和变频技术的成熟，国家明文规定，在提升较车系统中，推荐使用交流变频调速器。

采用交流变频大调速器对提升绞车进行驱动具有如下优势：

第一、控制精度高。通常变频器都采用磁通矢量控制，使得交流电机的调速性能与直流电机几乎相等，控制精度非常高。

第二、工作可靠性高。变频器采用的是电子器件，寿命长，且具有完善的保护功能，用于提升绞车控制时，其可靠性很高。

第三、基本无维护工作量，减低了维护人员的工作强度。

第四、调速范围宽广，属于无级调速，低速时稳定性好。

第五、节能。变频器属于转差功率不变型的调速方式，在整个调速过程中其节能方式表现为两个方面：

1、提升状态的节能当提升绞车处于向上提升状态时，电机工作于电动状态，由于提升绞车属于恒转矩负载，其转速降低多大比例节能就为多大比例。

2、下放状态当提升绞车处于下放状态时，此时电机工作于发电状态，将势能转化为电能。

   如果变频器采用的是能量回馈型变频器，变频器将会把这种电能回馈回电网。西山焦煤集团西铭矿一台无极绳绞车采用变频改造后，其节能效果达30%左右。此变频器为能耗制动型，如果采用能量回馈型，其节能效果将更好。煤矿企业中有许多提升绞车，采用变频改造后，其节能效果将十分明显，现在，许多新上的绞车系统均已采用变频驱动。 乳化液泵站乳化液泵站主要为液压支架提供恒定的液体压力。平时液压支架基本不动，但乳化液泵仍长时工作，耗能巨大。如果采用变频驱动，采用压力传感器形成闭环恒压控制，当移动液压支架时，乳化液泵提高液体流量，维持变力不变；当不移动液压支架时，乳化液泵提供小流量液体维持压力不变，实现恒压控制。采用变频器驱动乳化液泵，节能效果明显。山东淄博矿务局埠村煤矿井下一台55KW/660V变频器用于乳化液泵，经测算，其节能效果达50%左右。另外，采用变频器之后，降低了电机和泵的转速，对机械部份的磨损将减小许多，延长了设备检修期。另外，在部分煤矿，主扇也已采用了变频技术，例如宁夏煤业集团等，但目前变频器在煤矿的应用主要还是集中在皮带机和绞车上。随着技术的发展，相信变频技术将象国外发达国家一样在煤矿得到广泛应用！