变频节能技术在煤矿机电设备中的应用分析

樊晓波

（同煤集团忻州窑矿，山西大同 037021）

0 前言

现阶段，随着社会与经济快速发展，资源消耗数量不断增加，同时环境污染问题日益严重，人们越来越重视节能减排工作，我国政府更是出台了多项宏观调控措施，力求达到节能减排的目标。我国节能减排工作之中，煤矿企业是非常重点的节能减排对象。对于煤矿企业来说，矿井开采过程中消耗的能源是最大的，而其中通风机电设备的耗能又非常多。现阶段，通过何种方法能够有效的降低煤矿通风机电设备能源消耗数量是煤矿行业亟待解决的问题。本文作者以煤矿主通风设备为例，通过应用变频节能技术，改善主通风机电设备的能源消耗情况，以达到有效的节能效果。

表1 煤矿主通风机技术参数与环境工况

1 煤矿概况

某矿井水文地质类型中等，井田内煤层底板均高于奥灰水位，不存在带压开采，属低瓦斯矿井。矿井的通风方法属于机械抽出式通风方法，煤矿开采工艺采用的是长壁式机械化采煤工艺。矿井有完整独立的通风系统，主斜井、副斜井为进风井，回风立井为回风井，回风井安装对旋式通风设备[1]。煤矿主通风机技术参数与环境工况如表1所示。

2 通风设备变频节能设计目标与整体设计

2.1 通风设备变频节能设计目标

该煤矿通风设备变频节能设计要求应当能够达到通风设备软启动以及自动保护的要求，同时还能够确保通风设备在运行过程中也可以实现变频节能控制的目标。通风系统能够依照实际的生产条件，利用PLC装置完成变频信号的输出，以实现对通风设备的变频控制，确保通风设备的实时风量能够达到实际生产需求[2-3]。变频节能技术应用于煤矿通风机电设备控制系统之中，要求应当能够达到信息共享的目标，并且所构建的变频节能系统还应当能够对通风机设备实时参数进行控制，可以完成信息查询。变频节能设计还应当尽可能做到操作便捷，拥有优良的可维护性，与操作人员的操作习惯相符合。

2.2 通风设备变频节能系统整体设计

通风机电设备的变频节能系统整体结构如图1所示。变频节能系统所采用的控制装置是型号为Logix1769PLC控制装置，该变频节能系统之中包含有上位机装置、PLC装置、驱动装置、信号监测装置以及风机保护装置等。

（1）上位机装置。上位机采用型号为610L的工业计算机，一共购置两台相同的上位机，一台作为主机一台作为备用机。主机承担监测和控制的功能，若是主机出现故障则备用机将直接转换成为主机，确保变频节能控制系统能够安全的运行。

（2）PLC控制装置。该装置为变频节能系统控制过程中的核心装置，主要完成相关信息的收集、运算以及信息输出工作。所采用的PLC控制装置型号为Logix1769，并且按照系统控制先进性以及可靠性要求，采取双CPU冗余[4]。

（3）变频驱动装置。变频节能系统中所采用的变频器设备为高压变频器，拥有自动保护的功能，具体操作过程也较为简便，可以实现信息的共享，确保通风机设备能够安全与节能地运行。

（4）信号监测装置主要是针对井下的温度、风量、瓦斯气体浓度以及电机电压和电流进行监测。

图1 通风设备变频节能系统整体设计示意图

3 煤矿通风机电变频节能系统的具体设计

3.1 高压部分设计

该煤矿通风机电设备变频节能控制系统高压部分主要是为通风机提供动力，并且还为通风监测装置提供运行所需电能。进行高压部分的设计过程中，应当坚持经济性原则以及适用性原则，其中主接线采取的是单母分段接线，两个回路的进线从不同变压器中引入，这样能够确保整个系统供电的可靠性。高压馈电柜装置主要是为了向主通风设备提供其运行所需电源，其中包含有进线柜、变频装置柜、隔离柜和站用变柜等。在高压柜之中设置有型号为VAD-12型的短路器装置，该装置拥有电流三段保护的功能，同时还拥有接地报警功能[5]。另外，在配电柜之中也设置有零序保护，不同的保护装置能够依照现实情况加以调节，具体操作相对来说较为方便。该煤矿通风机电设备高压馈线柜实物图如图2所示。

图2 煤矿通风机电设备高压馈线柜实物图

3.2 操作控制台

操作控制台之中包含有两个型号一致的工业计算机以及相应操作柜，可以实时地对通风机电设备进行操作，还可以实现在线监控功能。两台工业计算机监控系统是同时运行的，其中一台不仅能够进行监控同时还能进行操作，作为主机使用；而在主机发生故障情况下则另外一台备用机则转变为主机，这样便能够确保系统可以更加安全与可靠的运行。在操作台之中设置有不间断电源UPS实现对操作台的供电，即便是在电源发生故障的情况下，还能够确保3 h之内操作台不会断电，从而保证了系统运行的可靠性。在风机监视系统之中，能够实现远程的操作，可以在线对设备运行加以监测，同时还能完成信息的查询工作。操作系统包含有3种不同的控制方式，分别为远程控制方式、就地控制方式以及检修控制方式。

3.3 变频驱动装置

依照该煤矿通风机电设备具体运行环境，在此系统之中采取的是一驱一运行模式，也就是一台容量是650 kVA高压变频装置来控制一台电机的变频操作，由于一共拥有4台电机，需要4台高压变频控制装置。利用变频调速技术可以确保满足矿井生产需要风量基础上，有效降低通风设备能源消耗，减少通风设备维护工作，而且变频调节的操作也较为简单[6]。该煤矿通风机电设备变频装置采用的是东芝三菱生产的19 kV高压变频控制装置，该装置包含有控制柜、单元柜、旁路柜以及变压器柜等，并且可以平滑地输出0～10 kV电压。采用此变频装置无需把电机转变为角接方式，这样便不需要再加设切换柜，确保了变频节能系统变得更为简单。

该煤矿通风机电设备变频节能系统采取非常先进的矢量控制技术，在实际的使用过程中操作较为便捷，而且也非常耐用。三菱变频装置拥有相对大的扭矩，而且具有较强的过载能力，可以确保电动机设备能够在一些较为恶劣环境之下正常运转，而且借助于其整流逆变控制能够确保电压线性增长，消除了接启动过程中对于电机造成的影响，从而保证了通风机电设备能够安全、可靠运行，达到变频节能的目标[7]。

4 变频节能系统运行中的问题分析

变频节能系统于3月15日运行，至5月26日期间1#变频器出现2次故障问题，2#变频器出现2次故障问题，3#变频器出现6次故障问题，4#变频器出现12故障。所以，对变频器装置之中的历史数据进行查询与分析，在分析之后发现出现故障问题情况下，变频器装置的电压输入数值要减少30%左右，导致了输入电压减少到了失压保护设定值，从而出现了自保护现象，如图3所示。导致这一问题的主要原因是由于煤矿中一些大型的机电设备投入运行过程中，而未采取相应的软启动技术措施。

图3 变频器录波分析图

针对这一常发生问题，采取相应的软启动措施，而且一些大型设备要求尽可能的分阶段投入使用，避免煤矿电网之中电压发生较大波动。

5 主通风机节能分析

5.1 节能效果

该煤矿2016年完成了通风系统的构建工作，并且经由设备检测站的安全测试，1#通风机设备与2#通风机设备均能够稳定的运行，各个参数也能够达到规定的要求。现在变频节能系统应用后通风机已经安全运行近1年时间，在具体的运行过程中系统维护较为简单也易于操作。在2017年通风机设备平均以37 Hz的频率运行，较2016年2台通风机设备总的耗电量减少了430万kW·h左右，电费按照0.5元／（kW·h）计算，2017年仅电费节约高达215万元，具有非常明显的节能效果，经济效益非常显著[8]。

5.2 降低了电机设备启动过程中电流冲击

若是电机直接进行启动，则启动过程中的电流将会增加到6IN左右，虽然采取星三角启动，那么电流也会超过4IN。而应用软启动则机电设备的启动电流仅仅增加2IN左右。就变频器来说，可以有效避免启动过程中电压对于电机装置带来的冲击，定子电流会随着转速而呈现线性增长，不过却低于额定电流。所以，在通风机电设备之中应用变频节能技术，能够有效避免电机直接启动过程中冲击电流的出现，能够显著改善电机装置运行的工况。

6 结束语

煤矿机电设备在应用变频节能技术之后，确保了企业自动化程度进一步提升，进一步推动了企业从粗放型生产转变为集约型生产的步伐，对煤矿生产效率提升起到了很好的促进作用。在应用变频节能技术之后，确保提升设备能够安全、自动运行，还能够对故障加以判断并及时发出预警信号，预警信号能够直接输送至上位机之中，确保维护工作人员可以更加迅速与准确的找到故障位置，从而显著减轻了工作人员的劳动强度，也使得作业人员的工作环境得以优化。