浅谈变频器在煤矿生产中的应用

蒙江洪

【摘 要】在煤矿机械设备中应用变频器节能技术，有利于降低设备能源的消耗，提高煤矿生产效率，该技术在煤矿生产中起着重要的作用。文章结合变频器在X煤矿主扇风机上的应用情况进行介绍，结果表明采用高压变频器对煤矿主扇风机设备进行调速节能改造，具有良好的社会效益和经济效益。通过对变频器在煤矿工程中的应用进行论述和节能分析，说明变频器在工程中的应用可行且经济，煤矿的自动化水平得到进一步提升，煤矿生产过程更加安全可靠。

【关键词】变频器；调速；节能

【中图分类号】TD442.2 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2017）03-0124-03

0 引言

作为能源消耗较高的煤矿企业，在众多设备中都应用到了变频技术，例如采掘、排水、运输、通风及空气压缩设备等。变频器节能技术运用到这些设备中，有利于降低煤矿生产电能消耗，从而提高煤矿企业的生产效益。

随着我国经济的飞速发展，能源成为制约经济增长的瓶颈，节能降耗也就成为国家和企业严重关切的问题。国家及各地都出台了一些节能降耗指标，并采取了一定的措施。具有节能效果和调速性能的变频器成为首选的节能产品。变频器主要用于交流电动机转速的调节，是理想的调速方案。变频器调速以其自身所具有的调速范围广、调速精度高、动态响应好等优点，在许多速度控制应用领域中发挥了越来越重要的作用。它除了具有优良的调速性能之外，还具有显著的节能效果。

1 变频器的工作原理

变频器一般是先将交流电进行整流得到直流電输出，然后在第一次输出的直流电再通过电路来转换成实际需求的交流电，其中应用到了整流技术、滤波技术、电力电子技术等技术。变频器的主要由以下几个方面来构成。？譹？訛整流：实现将工频电源（变频器的输入的电源或称为工作电源）的交直流转换，得到直流电输出。？譺？訛滤波：滤波的作用是将信号中特定波段频率滤除的操作，是抑制和防止干扰的一项重要措施，对于刚刚通过整流过来的直流电源，里面可能会包含几次谐振波或者其他的频率波，属于脉动电压或者电流，这些波段电源可能导致电源的性能不够稳定可靠。？譻？訛二次整流：将通过滤波后输出的直流电重新转换成交流电，这些交流电的电压和频率可以根据不同的整流的方式来调节。？譼？訛其他部分：整流—滤波—整流其实就已经实现了输出电源的电压和频率的可调，增加制动单元、驱动单元、检测单元、微处理单元等部分，是为了让输出的电源信号更加可靠和方便使用。

总体流程可以这样描述：将工频电源变换为直流功率的整流器，吸收在整流时产生的电压脉动的平波回路，以及将直流功率变换为交流功率的逆变器，通过这三大部分的完美结合，就可以得到一个简单的变频器电路。

2 变频器的选择

低压变频器由二极管整流电路、中间直流回路、逆变桥及IGBT功率器件组成；高压变频器由移相变压器、功率单元和控制器组成。

变频器的正确选用对于机械设备电控系统的正常运行至关重要。按照机械设备的类型、负载转矩特性、调速范围、静态速度精度、启动转矩和使用环境的要求，决定选用何种控制方式和防护等级的变频器。

目前，变频器合理的电压等级是由功率器件承受电压水平决定的，而某一电压等级下变频器可能的功率范围则由功率器件的承载电流能力决定。根据负载转矩特性的不同，分为三大类型：恒转矩负载、恒功率负载和风机、水泵类负载。在实际选择变频器时，要以电机额定电流值作为主要依据，电机的额定功率只能作为参考，并考虑一定余量。

3 变频器的应用

在煤矿生产作业中，通常由空气压缩机提供井下作业时所需的压缩空气，但压缩空气应用的是非连续性的机械设备，而压缩机属于连续运行的机械设备，所使用的时间较长。在煤矿井下作业时，由于电动机系统难以根据负载量大小进行调整，而在供风系统设备中运用变频器节能技术能够有效地调节电动机系统，能够确保在压力较稳定时，使煤矿压缩空气的质量得到进一步的提高。此外，在煤矿压缩机中应用变频节能技术的优势还体现在以下方面：其一，变频器节能技术能够避免机械设备受到电流冲击；其二，通过应用变频器节能技术，能够使系统在恒压控制的状态下，恒定气压，从而使煤矿作业气源的质量得到有效改善；其三，应用变频器节能技术，所节省的电能可达到总电能耗费量的20%，从而有效降低变频器节能技术的投入成本。通风机是为煤矿井下强制通风所用，是为井下传送新风，从而使井下各处的气体混合物的浓度满足规程规范的要求。利用现代自控技术、风筒压力等多参量，实现对变频器的可靠控制，随时调节通风机的运行速度，从而自动监视风筒压力，以维持风压恒定。

X煤矿主扇风机原来使用2台对旋风机，1用1备，电机功率为250 kW，转速为740 r/min，电压为6 000 V，原风机为20世纪80年代中期安装使用，磨损严重，漏风严重，维护量大，影响了煤矿通风安全。风机启动电流大，启动后以工频方式运行，无法根据井下用风量的改变调节风量，电能的浪费现象较为严重。

为了实现矿用通风机高效经济运行，X煤矿领导在2013年煤矿技改项目中，采用南阳防爆集团股份有限公司生产的2台BCDZNO25矿用主通风机和佳木斯电机股份有限公司生产的YBF560M1—8隔爆型三相异步电动机更换原有通风设备。

3.1 合理选用变频器电压等级

由于风机负荷较大，矿井地面高压为6 kV，因此选用6 kV/690 V的进线变压器，则可获得660 V电源电压。

3.2 机械设备的负载转矩特性

风机属于典型的流体类负载，该类负载设备在煤矿中占很大的比例。负载的转矩与转速的二次方成正比，功率与转速的三次方成正比。流体类负载通过变频器调速来调节风量、流量，可以大幅度节约电能。

3.3 变频器容量选择

根据电机额定功率，考虑变频器的高次谐波的影響，使电机发热，适当留有余量，以防止温升过高，影响变频器的使用寿命。按增加10%考虑，选用710 kW AC690V变频器。

3.4 变频装置的配置

（1）进线电抗器可以大大减少进线电网谐波，而且可以减少对设备的电流冲击，保证设备的可靠性。抵制或消除变频器输入电流中的高次谐波通过电网对电子回路和电子设备的干扰。

（2）配备熔断器组合开关，保护整流进线单元电子元器件，保证检修人员安全或停机时分合主电路存有明显断点。

（3）接触器+急停开关。在出现设备故障时，按急停开关，依靠进线接触器作为自动跳闸器件，切断主电路，保证设备和人身安全，使系统更加安全且便于远程操作。

（4）配有Du/dt滤波器，690 VAC电机所用变频装置配有Du/dt滤波器，减少电机的噪声，降低电磁辐射，确保电磁环境干净，延长电机寿命，以确保电机的可靠使用。

（5）12脉波整流器。每套装置都配有2套6脉波整流器，组成12脉波整流器，可以有效地消除电流中的11次以下谐波，减少对电网谐波干扰，净化电网环境。为得到12脉冲方式的相位移，要求使用多绕组变压器。采用干式变压器，隔离变压器有2个次级绕组，一个为Y接法，另一个为△接法，这样2个次级绕组间产生30°的相位差，提供12脉波，满足12脉冲输入整流桥的要求。

上述风机使用变频器不仅可以完成生产工艺要求，同时可以使风机实现软启动控制，既减小了电机启动时对电网的冲击，又减少了风机的启动磨损和设备的冲击能耗，延长了设备的电气和机械寿命。

3.5 节能分析

根据机械专业所提供的资料，风机年运行8 000 h，风量100%运行时间占20%，风量70%运行时间占50%，风量50%运行时间占30%，电费以0.7元/kW·h计算，当采用挡板控制时，每年电费为298.4万元，采用可变速控制时每年电费为152.6万元，每年可节省电费145.8万元，节电率为49%。采用变频器控制时，初期安装费用较高，但从长远看，还是经济的。

3.6 变频运行情况

3.6.1 变频运行

变频器投入运行以来一直稳定运行，输出频率、电压和电流稳定，风机运行稳定，变频器网侧实测功率因数为0.976，效率均高于96%，满载时网侧电流谐波总容量小于3%，输出电流谐波小于4%。风机以低于额定转速运行，不仅节约了能源，减少了维护费用，还降低了风机的运行噪声，经济效益良好。

3.6.2 变频操作

变频器显示采用中文图形界面，触摸屏操作，生动直观，变频器的运行状态一目了然，各种运行数据可在触摸屏上查询，便于操作人员及时了解变频器的运行情况。变频器操作简单，可在120 s之内启动至高速，短时间内达到所需风量。简便的操作和短的启动时间确保了生产安全。并且，反风操作比以前简单可靠，只需设置变频器按反向的頻率运行即可，完全可满足10 min内实现反风的要求。

4 结语

X煤矿主扇风机应用变频调速控制后，不仅满足了煤矿通风要求，而且使得风机高效运行，节能效果显著。目前，我国煤矿大量主扇风机能力富裕、长期低效运行，造成大量电能的浪费。交流变频调速器具有适用性强、可靠性高、操作使用方便、高效节能等优点，受到广大用户的青睐。通过事例，说明煤矿采用变频器不仅可行，而且经济，控制和线路非常简单，再加上变频器完善的故障诊断和显示功能，使整个调速系统的可靠性、可维修性大幅度提高，煤矿的自动化水平也得到进一步提升，煤矿的生产更加安全可靠，得到了用户的肯定，市场前景非常广泛。

近年来，在煤矿机械设备中应用变频器节能技术越来越广泛。作为一种新兴的电力节能技术，变频器节能技术具有高性能、数字化及智能化等优势，对于煤矿的生产有着重要的意义。随着科学技术的发展，不断涌现出了具有高性能、高安全性及高稳定性的变频器，并且变频器节能技术越来越好。因此，将变频器节能技术应用到煤矿生产中，能进一步降低煤矿生产中所消耗的能源，从而有效地提高煤矿企业的经营效益。

参 考 文 献

[1]张逢吉，王玉涛，苏爱琴.变频器在煤矿生产中的应用

[J].山东煤炭科技，2006（6）.

[2]贺和平.浅析变频和变速技术在煤矿生产中的应用[J].太原科技，2009（2）.

[3]胡永立，王广周，党铁果.变频调速技术在煤矿生产中的应用[J].中州煤炭，2001（2）.

[4]吳海彪，陈喆.变频器在煤矿中的应用[J].内蒙古煤炭经济，2016（17）.

[5]李勇，吴建平，刘海峰.变频技术在煤矿通风机控制系统中的应用设计[J].信息技术，2009（8）.

[6]王学红.高压变频器在煤矿提升系统中的应用[J].机械管理开发，2015（9）.

[责任编辑：陈泽琦]