变频器在煤矿的应用

张立军

华润天能徐州煤电有限公司沛城煤矿，江苏 徐州 221600

我国煤炭工业堪称我国第一能源工业，既是产能大户，又是耗能大户，同时也是节能潜力大户。节约资源是我国的一项基本国策，但我国目前的工业生产中仍然存在着一定程度的能源浪费现象。为推动经济发展，保障国民经济持续快速协调健康发展，全面推进能源、原材料等资源节约和综合利用工作，根据国家的政策和产业的发展导向，对煤矿井上、下电气装备进行技术性节能改造，对提高煤矿装备的现代化和自动化水平，提高企业的经济效益具有重要的意义。

1 现实依据

我国大部分煤矿企业的机电设备，特别是乳化液泵、空压机、皮带运输机、绞车等仍然呈现出一种高投入，低产出状态，这就增加了企业运行成本，降低了企业经济效益。以乳化液泵站为例，在实际运行过程中存在以下问题：

1）乳化液泵站的电机是根据工作面的最大用液量来配备的，在多数情况下，电机是持续全速运转的，乳化液泵提供的乳化液系统不能完全利用，对于多余的部分，要通过溢流阀流回系统，这个过程就出现了无功作业，造成了电能的浪费；2）电机长时间全速运转，增大了机械磨损，缩短了机械的使用寿命；3）电机在启动时会产生很大的电流，对电网造成了较大的冲击力；4）溢流阀频繁动作，容易损坏；5）系统管路压力不稳定，容易出现“爆管子”现象。使用变频控制后，不仅实现了根据系统用液量来调节电机的转速，而且实现了软起动，减少了“爆管子”现象，减少了设备的磨损，减轻了劳动强度，还实现了节能降耗。

因此，为了减少企业的运行成本，减少电力的不必要损耗，对煤矿设备进行变频改造势在必行。

2 国内外现状

国外变频器产品起步较早，其产业化规模日趋壮大。交流变频器自20世纪60年代左右问世，到20世纪80年代在主要工业化国家已广泛使用，而从20世纪90年代以来，随着人们节能环保和解决大气温室效应意识的增强，变频器的推广与应用越来越受到人们的重视。国内自20世纪90年代以来，随着人们节能环保意识的加强，变频器的应用越来越普及。相对于工业化国家来说，我国变频器行业起步较晚，经过10余年的推广和使用，已经逐步得到了用户的认可。

3 变频器的优点

3.1 降低电力线路电压波动

电机工频启动时，电流剧增的同时，电压也会大幅波动，电压下降幅度的大小将取决于启动电机功率的大小和配电网的容量。电压下降将会导致同一供电网络中的电压敏感设备故障跳闸或工作异常，而采用变频调速后，由于能在零频零压时逐步启动，能最大程度的消除电压下降。

3.2 减少对电网的冲击

电机功率与电流和电压的乘积成正比, 通过工频直接启动，电机消耗的功率将大大高于变频启动所需要的功率。在一般工作情况下，直接工频启动电机所产生的电涌会对同网上的其他用户产生严重的影响,造成峰谷差值过大。如果采用变频器进行电机起停, 就不会产生类似的问题。

3.3 加速功能可控

工频启动时对电机或相连的机械部分轴或齿轮都会产生剧烈的振动，这种振动将进一步加剧机械磨损和损耗，降低机械部件和电机的寿命；而变频控制实现零速启动，并能按照用户的需要进行平滑加速，并且其加速曲线也可以选择（直线加速、S形加速或者自动加速），从而避免了上述问题。

3.4 运行速度可控

运用变频调速能优化工艺过程，满足生产工艺过程对速度的要求。借助内置PID的调节功能，可以实现无级调节，还能通过PLC或其他控制器来实现远程速度的调节。

3.5 转矩极限可调

通过变频调速后，能够设置相应的转矩极限来保证工艺过程的连续性和产品的可靠性。目前的变频技术不仅可以调节转矩极限，甚至转矩的控制精度都能达到3%～5%左右。但在工频状态下，电机只能通过检测电流值或热保护来进行控制，而无法像在变频控制一样设置精确的转矩值来动作。

3.6 停止方式可控

如同可控的加速一样, 在变频调速中, 停止方式也是可控的，并且有不同的停止方式可以选择（减速停车、自由停车、减速停车＋直流制动），这样能减少对机械部件和电机的冲击，从而使整个系统更加安全，寿命也会相应增加。

3.7 控制电机的启动电流

当电机通过工频直接启动时，将会产生7～8倍的电机额定电流，这个电流值将大大增加电机绕组的电应力并产生热量，这就降低电机的寿命，而变频后则可以在零速零电压启动(可以适当加转矩提升)，充分降低启动电流，提高绕组承受力，使电机的维护成本降低、电机的寿命增加。

3.8 可逆运行控制

在变频器控制中，要实现可逆运行控制无须额外的可逆控制装置，只要改变输出电压的相序即可，这就降低了维护成本、节省了安装空间。

3.9 减少机械传动部件的磨损

目前矢量变频器可以实现高效的转矩输出, 从而节省齿轮箱等机械传动部件,构成直接变频传动系统，从而降低成本，提高系统稳定性。

4 变频改造方案

4.1 乳化液泵站改造

采用一台BPBT75/660型矿用隔爆型变频调速器，外加一套PLC可编程控制器作为乳化液泵站的主控设备，采用隔爆兼本安型压力变送器检测管网的压力。压力传感变送器的测量值以0V～10V（4mA～20mA）信号控制变频器，变频器依据给定值和测量值的误差经 PID运算后，给出适当的电压和频率给乳化液泵站的电机。在泵站运行过程中，一旦当管路压力升高超过给定值时，变频器降低电机转速，使泵的流量减小，从而使管路压力降低，反之则电动机转速增加，从而使管路压力保持为恒定值。具有以下优点：

1）启动泵时，先进行泵站的液位检测，随时进行泵站的吸空报警，保证系统的正常工作；

2）启动泵站后不用进行任何手动卸荷操作，减少操作人员的主观失误，减轻工人劳动强度，提高自动化程度；变频器要对乳化液泵站的各种程序自动进行节能和保护控制；

3）根据传感器信号，随时判断和提醒供液管是否存在泄漏，以提高系统的可靠性，节约能源；

4）系统不注液时，根据电气控制，实现卸荷空载运行，实现节能并延长设备寿命；

5）长时间不注液时，根据电气控制器的决策，可以自动停电机，实现节能和延长装备使用寿命；

6）根据压力传感器检测的信号，由电气控制器决策，实现乳化液泵的各种运行工况，保证可靠供液；

7）通过对系统参数的调整，可以实现系统的快速响应，缩短支护时间，提高支护安全性。

4.2 风机变频改造

4.2.1 风机变频改造方案

煤矿的风机多是根据满负荷工作时的需用量来选型的，但在实际应用中，大部分时间并非处于满负荷状态。改造后，我们采用变频器直接控制风机。利用变频器内置PID调节软件，直接调节电动机的转速以保持恒定的风量，从而满足系统的工况要求，实现闭环恒压或恒流量控制，节能效率将进一步提高。

由于变频器可实现大功率电机的软停、软起，避免启动时的电压冲击，减少了电动机的故障率，从而延长了电机使用寿命，也降低了对电网的容量要求和无功损耗。

4.2.2 风机变频调速节能原理

风机的转速从nl变为n2时，Q、H、P之间的关系为：

由上式可知风机流量与转速的一次方成正比，压力与转速的二次方成正比，而轴功率与转速的三次方成正比。因而，理想情况下功率与转速有如下关系：

节约能源百分比100 100 100 100 090 90 81 72.9 27.180 80 64 51.2 48.870 70 49 34.3 65.760 60 36 21.6 78.450 50 25 12.5 87.5流量百分比转速百分比压力（扬程）百分比功率百分比

由上表可见：当需求流量下降时，调节转速可以节约大量能源。例如：当流量需求减少—半时，通过变频调速，从理论上讲，仅需额定功率的12.5%，即可节约87.5%的能源。如采用传统的挡板方式调节风量，虽然能控制流量，但没有节能效果。

4.2.3 变频改造后的功能与特点

1）采用变频器控制电机的转速，取消了挡板调节，降低了装备的故障率，节电效果显著；

2）采用变频器控制电机，实现了电机的软启动，减少了机械磨损，延长了设备的使用寿命，避免了对电网的冲击；

3）电机将在低于额定转速的状态下运行，减少了噪音对环境的影响；

4）具有过载、过压、过流、欠压、电源缺相等自动保护功能；

5）运转状态灵活多样，可手动控制也可完全实现自动控制，并且可与其他自控装置进行电气连锁及计算机控制；

6）安装时可不破坏原有的配电设施和环境，不影响生产；

7）只需调节电位器旋钮即可调整风量，操作方便。

4.3 皮带运输机的变频改造方案

目前，井下采区皮带运输机由于受生产条件的限制，普遍存在着欠载运行的现象，浪费电能。偶尔也出现皮带机过煤量较大，形成堆煤现象。因此皮带机合理地运行方式是适应过煤量，即在过煤量大时速度快、过煤量小时速度慢。

采用了V/F 控制算法的变频控制后，电机的启动力矩已经能满足用户的需求，而且启动电流小,降低了设备成本及防护等级,提高了操作安全。通过设置物流传感器可以实现根据煤流大小调节皮带机运行速度。

4.4 绞车的变频改造方案

4.4.1 绞车采用变频控制的优点

1）软启动、软停车

变频改造后，减小了机械冲击，启动及加速换档时电流对电网冲击很小，使绞车系统和电网运行更加稳定可靠；变频器本身提供的功能使机械制动与电制动有机结合，保证系统的绝对安全。

2）采用PLC控制

与传感器构成闭环控制（也可采用开环控制），简化了系统构成，减小了人工劳动强度。

3）实现了无极调速

调速范围宽、运行曲线成S型、加速平滑、无冲击感。

4）安全保护功能齐全

装备的外壳是隔爆防护等级，且变频器除一般过流、直流过压、直流欠压、变频器过温、短路、输入缺相、环境温度、过频、I/O控制板内部故障、内部故障外，还具有可编程故障保护功能、AI

4.5 压风机变频改造方案

用调整电机转速的方法同样可以调整供气量。由于空压机基本上属于恒转矩负载，用变频调速的方法调整供气量能使电机的输出功率基本与转速（供气量）成正比，进而达到很好的节电效果。采用具有矢量控制功能的变频器后，可使电机在低速时也能提供满足负载需要的转矩；同时，变频器的自动节能模式，可使电机在满足负载转矩要求下以最小电流运行，而达到更好的节电效果。

对空压机进行变频改造后，实现了恒压供气，可带来如下效果：

1）出气口释放阀全部关闭，取消用出气口释放阀调节供气量方式，以避免由此导致的电能浪费。代之以变频器调整电机的转速来调整气体流量，使电机输出功率与流量需求基本上成正比关系，始终使电机高效率工作，以达到明显的节电效果；

2）利用变频器的节能模式，使电机在轻载时以最高效率运行，减少不必要的电能损耗；

3）根据严格的EMS标准，高效的PWM变频器使用高速低耗的IGBT，降低谐波失真和电机的电能损失；

4）可使电机起动、加载时的电流平缓上升，没有任何冲击；可使电机实现软停，避免反生电流造成的危害，有利于延长装备的使用寿命，减少对电网的冲击；

5）采用变频控制系统后，可以实时监测供气管路中气体的压力，使供气管路中的气体的压力保持恒定，提高生产效率和产品质量；

6）由于电机在高效率状态下运行，功率因数较高，降低了无功损耗，节约了大量电能。

5 结论

目前我矿已在中央风井、东风井、压风机等处成功地使用了变频器，均取得了较好效果。随着国家对节能减排工作推进，实现企业经济利益的提高，推进企业可持续发展。推广使用变频器、推广使用变频控制技术必将是一个发展趋势。

[1]吴忠智，吴加林.变频器应用指南[J].中国电力出版社.