变频控制技术在高突出矿井中的应用

文/金德平

变频控制技术在高突出矿井中的应用

文/金德平

变频器是具有无冲击启动与软停机优良控制特性的新型电力变换装置，已广泛应用于工业生产领域。为解决机电运输高耗能设备这一问题，缓解矿井提升运输的安全高效性能与煤炭事业快速发展之间的矛盾，平顶山天安煤业股份有限公司十矿先后在己四采区钢缆皮带和主副井绞车电控系统改造中选择使用了变频控制技术，使矿井机电设备的安全性、可靠性、操作性和节能性得到提升，生产效率得以提高。本文针对平煤股份十矿这一高突出矿井中变频控制技术的应用进行了阐述。

一、项目研究

1.变频控制技术原理和发展

变频控制技术原理是经由半导体元件把工频电流信号转换成其他的频率，而后再把转换成的工频交流电转换为直流电，并在这一过程中通过逆变器实现对电压与电流的控制和调节，使机电设备处于无级调速的状态之中。

进入21世纪以来，机电设备传统的电控技术与电力传动被更快捷、安全、高效的电力电子信息化技术所取代，变频控制技术在节能减排领域得到了越来越广泛的认可。变频控制技术中智能控制模块的出现，实现了控制方式和控制功能的拓展，生产的综合自动化水平得到了提高，也促进了变频控制技术的应用发展。

2.变频控制技术在煤矿生产中的重要性

在煤矿生产中，变频控制技术的应用就是要通过电机转速和电流频率之间的同步增长关系，实现对电机转速和机电设备的有效控制。变频控制技术应用于煤矿中，可以实现对设备的平稳和自动加、减速控制，从而提高煤矿的工作效率，降低能耗。

二、项目实践

1.变频控制技术在己四钢缆运输中的应用

己四系统是平煤股份十矿通往三水平的主运输系统，全长1700米，原设计采用六部皮带运输，最大运行负荷功率达到1800KW，每台电压660V电流272A，煤量1000吨/日，每班上岗人员6人。具有耗能大，维护量大，功能单一等劣势。采用变频控制技术后，启动可调给定0～50Hz频率，启动电流缓慢上升0～150A，每次启动，降低了普通电机启动电流4～7倍电流的计算，解决了大负载启动对电网和机械设备的冲击，节能达到15%。

在驱动设计上，根据平煤股份十矿己四采区的实际生产能力和交流电动机的性能等因素，采用ZJT系列隔爆变频器进行变频调速，实现了交流电动机的软启动，即低速起动。针对高突出矿井中电机还应具有防爆功能和散热性能的特点，采用“隔爆型三相交流异步水冷电动机”，即选用了4×250KW隔爆型三相交流异步水冷电动机进行拖动。与此同时，钢丝绳牵引皮带运输机具有两个驱动轮带动两条钢丝绳运转以带动皮带运转。每个驱动轮由一台减速机拖动，输出轴一端与驱动轮相连，另一端安装逆止器，双输入轴两端各有一台防爆电机拖动，每台电机各有一台变频器供电并变频。

己四防爆变频钢缆皮带投入运行后，最大运行负荷功率1000KW，电流200A，运输煤量1500吨/日，每班上岗人员6人，解决了己四轨道运输提升压力，提高了运煤效率。每年节约电费约192万元，节约工资36万元，提高运输煤量后增加净利润为4050万元，合计效益4278万元。

2.变频控制技术在矿井提升机的应用

平煤股份十矿主井担负着戊组原煤的提升任务，副井担负着人和物料的提升任务，在生产过程中起着非常重要的作用，但两提升绞车的电控系统仍然采用老式的TKD系统，即为绕线异步电机+转子串电阻调速+高压接触器换向。这种转子切换电阻调速方案存在诸多缺点，已无法满足现在的提升能力需求和安全保障，急需进行技术改造和设备更换。采用转子双馈变频调速方案后，将矿井主副井老电控系统改造为节能降耗的高效变频电控系统。

（1）系统的技术特点。

实现转子双馈调速下电机的顺利启动，特别是主井双机拖动时电机启动出力的一致性；实现了电机的四象限运行，调速平滑稳定，电机温升比老系统运行时降低10℃左右；缩短了单次提升循环时间，每钩节省时间10s左右，增强矿井提升能力15%～30%。

实现能量的双向流动，保证下放重物时发电产生的能量回馈至电网；系统在整个工况中均运行在高功率因数下，谐波符合国家标准要求。

实现矿井提升或下放全过程的自动化控制，并应用矢量控制技术实现对交—直—交变频器的控制，达到了理想的控制精度；系统运行安全可靠，各项保护齐全且动作灵敏，系统故障实现自诊断；实际运行节电率超20%。

（2）经济效益计算基础及社会效益。

每天提升时间为16小时，则每天可多提煤量为：16小时×4钩×9.8吨=627.2吨/天。

经改造后，年提升能力（按330天计）提高大约：330天×627.2吨/天=206976吨。

新的双馈调速系统，年创造经济效益为（90元∕吨）：M=90元/吨×206976吨=1862.7万元。

副井每钩提矸5.4吨，每小时多提5钩，每吨按新增产值20元计算，可得到副井新增产值：N=5钩×16小时/天×5.4吨/钩×20元/吨×3 30天/年= 285.12万元。

主副井提升能力得以提高后，年创造经济效益为：P=M+N=1862.7万元+285.12万元=2147.82万元；

每天可以节约电能:9544度-7360度=2184度，全年按提升时间330天计算,一年可节约电能费用: 2184度×330天×0.5元=360360元；

全年增收节支总额为：2147.82+36.036=2183.856万元。

平煤股份十矿主副井电控系统改造方案保留了原电控装置，可通过转换柜方便切换，每套电控都可独立运行，为主提升系统安全可靠运行奠定了基础。自试运行以来，具有技术先进、安全可靠、保护完善和经济效益明显等特点，提高了主副井提升能力，降低了工人的劳动强度，缓解了矿井出煤提矸紧张的局面，有很高的推广应用价值。

三、结论

变频控制技术在平煤股份十矿先后投入使用以来，具有调频范围宽，分辨率高，保护齐全且灵敏度高，主功率器件自我保护功能良好，运行平衡，通讯接口齐全，有利于上位机和远控控制等优点，体现了其优良的技术特性和高效的节能效果。

随着自动化控制、电子技术、信息技术和计算机技术不断在煤矿机电领域中得到应用，煤矿机电设备的智能化水平也会越来越高，这将为变频控制技术的应用奠定坚实的基础。

（作者单位：平顶山天安煤业股份有限公司十矿）

（责任编辑：周琼）