变频节能技术在煤矿设备上的应用探讨

吕耀民

(铜川市耀州区秀房沟煤矿，陕西 铜川 727104)

0 引言

随着市场对于煤炭这种传统能源需求量的不断增大，煤矿的生产强度、机械化程度和原煤产量也越来越大，这就对煤矿机电设备安全高效、稳定地运转提出了更高的要求。煤矿成本构成中，电耗是一项特别重要的指标，降低吨煤电耗是煤矿节能改造工作的重要攻关难点[1-3]。为此，改进煤矿机电设备效率，提高设备的节能效果和技术含量成为当前煤矿设备的重要发展方向。在这样的背景下，推广变频节能技术可有效降低煤矿机电设备的能源消耗量[4-7]，在提高机电设备运转效率的同时，增强设备运转稳定性与使用寿命，同时降低煤矿生产成本。

1 变频节能技术

1.1 变频技术概念

变频技术是一种通过电力电子器件把固定的交流电源(50Hz)转换成不同频率的交流电的技术[8-11]。在这一切的转化过程中几乎没有电能的变化，只存在着电流频率的变化。交流电动机的转速可以表示为式(1)。

N=60f/p(1-s)

(1)

式中：f—供电频率；p—电动机极对数；s—转差率。一台电动机出厂后，极对数、转差率成为定值，这样电动机转速与电源频率成正比关系。对于工频电源，当电源频率从0变到50 Hz，电动机则从0变到额定转速的100%，利用调节电源频率线性变化，则机械设备的驱动电机会实现无级调速的要求。煤矿机电设备的轴功率往往对转速十分敏感，这为落实机电设备的节能任务提供了一个新思路。

1.2 变频节能技术

煤矿机电设备的特点是功率大，运转过程中并不是一直需要相同的功率，而是在一定的功率范围内波动，这就为机电设备节能留有很大的空间[12-13]。例如，采煤机遇到夹矸煤层和非夹矸煤层，驱动采煤机滚筒电机需要提供不同的功率才能够正常割煤，避免“大马拉小车”。为了使驱动电机提供不同的输出功率和割煤速度，这时就需要运用变频技术来适应这种变化。

对于水泵、风机类负荷，轴功率见式(2)。

P=QH/η

(2)

式中：Q—流量；H—压力；η—设备效率。可看出，轴功率与流量、压力成正比关系。从流体力学理论可知，流量Q与设备转速n成正比；压力H与转速n的平方成正比，则轴功率P与转速近似成立方比。当设备效率一定时，为调节流量下降，可调整设备转速下降来达到目的，借助变频技术这时设备的轴功率会成立方关系下降，意味着节约了电能消耗。

煤矿设备直接启动或Y/Δ启动时，启动电流是额定电流的4～8倍，会对电网造成严重冲击、造成母线电压下降保护动作，为此往往需要加大电网容量，增加了系统投资。同时，启动时电动机功率因数极低(cosφ≈0.4)，造成系统资源浪费。采用变频技术，可实现设备软启动，提高了启动时设备功率因数，减少了电网冲击，实现了节能的目的。

煤矿电动机属感性负载，工作时需要占用一定的无功功率，削弱了电网的供电能力。采用变频技术后，由于变频器内部滤波电容器的作用和功率器件的触发方式的调节，使用电设备功率因数cosφ≈1，从而减少了系统无功损耗，增加电网有功功率，达到了节能效果。

2 变频器在煤矿机电设备中的应用

2.1 矿用变频器

由于变频器属功率电子设备，具有降低机电设备能源损耗，提高设备的自动化和智能化性能，还具备远程操作的便利性和可靠性，变频器在煤矿自动化设备中应用十分广泛，且颇受好评。随着经济、科技水平、生产力的快速发展，常规变频器逐渐不能适应煤矿设备技术更迭的情况，只有不断对变频器进行技术开发，才能使其在煤矿自动化机电设备中立于不败之地。目前矿用变频器正在向大功率、高电压、特种模块化、智能化转变，功率器件冷却方式也从风冷式、水冷式向特种冷却方式转变，如超导热管冷却、半导体冷却等。其优点是功能丰富、性能稳定、隔爆安全、使用便捷、响应迅速。

2.2 交流四象限变频器

交流电动机运行机械特性曲线反映在数学轴上有四个象限。第一象限为正传电动状态，第二象限为回馈制动状态，第三象限为反转电动状态，第四象限为反接制动状态。电动机在这四象限都可工作，只不过一、三象限电动机处于电动状态，从电网消耗能量；二、四象限电动机处于发电状态，可向电网回馈能量。适应电动机四象限运行特性的变频器称为交流四象限变频器。对于驱动具有位势负载的特性(如提升机、牵引机车)的电动机，运用交流四象限变频器，当系统增加势能过程中，电动机处于电动状态，从电网吸取能量；当系统势能减少过程中，电动机处于发电状态，四象限变频器没有出现以前，这种情况下，只能通过电阻发热消耗掉能量。四象限变频器出现后，其逆变回路可以把电动机产生的电力回馈给电网，实现节能运行。目前，四象限变频器的功率模块可以实现能量双向流动，通过具有高速运算能力的微处理模块，可输出脉冲宽度调制(PWM)信号，实时触发功率器件使变频器输出完美、不产生谐波，成为绿色产品。既不污染电网，又能向电网回馈能量，极大程度地提高了煤矿机电设备的节能效果。

3 变频节能技术在煤矿设备中的应用

3.1 在采煤机中的应用

采煤机是集电气、机械、液压、检测控制为一体的大型复杂成套装备，是现代化煤矿的重要设备之一。采煤机不仅可以提高采煤效率、降低体力劳动强度，还大大提高了煤矿工人生产的安全性，实现降低企业成本的效果。在现代化采煤过程中，采煤机扮演重要角色，一旦采煤机故障，将直接影响整个矿井的出煤，煤矿其他部门的工作也随之受到影响。而变频技术的出现和广泛应用，使采煤机工作效率、无故障工作时间和维修周期都得到很大改善。目前，电牵引采煤机采用变频器驱动已成为标配。不同厂家的设备区别仅在于智能化配置、通信控制功能和关键部件的材质上。

3.2 在风机中的应用

秀房沟煤矿主要通风机型号为FBCDZN026，风机功率为2×200 kW。使用变频调速控制系统后，主要效果：①减小电机的启动电流；②降低电力线路容量和启动时的电压波动；③启动加速度可控；④改善了供电系统的功率因数；⑤可逆运行、控制方便。

变频装置可以在设备零速度、零电压状态下启动，按照V/F或矢量控制方式，带动负载达到适宜的工况点运行，这个过程能充分降低启动电机电流，减少电力线路电压波动，不会引起电压敏感设备故障跳闸或工作异常。由于风机叶片质量较大，变频启动过程中能按照需要进行平滑的加速，其加速曲线可预先选择(直线加速、S形加速或自动加速)，便于风机迅速通过谐振点，防止设备出现剧烈震动。通过检测电机电流，可设置过载保护、防止设备过扭矩和电机过载损坏。风机采用电动机反转反风，只需控制变频器可逆运行就可以了，控制操作简单。矿井通风机的风量、负压是按矿井后期最不利工矿点选择的，初期风量、负压较小，此时让风机电动机按35 Hz运行，既满足通风需要，又节约电能。

3.3 在传送带运输机中的应用

主斜井胶带输送机型号为DTL80/35/2×220，采用单滚筒双电机驱动(单机功率为220kW)，皮带倾角为16.8°。利用变频调速系统驱动，能长期可靠地服务于长距离带式输送机这类恒转矩负载，具有起动转矩大、启动电流小、便于低速验带等特点。系统可在轻载、重载工况下控制带式输送机这类柔性负载的软启动/软停车过程，并在全过程中实现各驱动电机之间的功率平衡和速度同步。系统提供的带速调节功能，降低快速起动/快速停车过程对机械和电气系统的冲击，避免了洒料，有效抑制了动态张力波可能对胶带和机械设备造成的危害，延长了带式输送机使用寿命。

3.4 在提升机中的应用

煤矿提升机承担着提升煤炭、材料、人员、机械设备的任务，是具有位势能的机械设备。随着变频器技术的发展进步，绞车变频器越来越成熟。在大型、特大型煤矿提升设备中，变频提升机已占有绝对优势。煤矿提升机常见的变频器有四象限交-交变频器和交-直-交变频器2类，具备无级变速、控制平稳、保护完整、节能、易于自动化运行等众多优点。

4 结语

变频节能技术在煤矿设备中的广泛应用，可以帮助企业节能降耗，增强煤炭企业高质量发展的动力。变频节能技术不仅赋予了设备较好的机械特性和节能效果，更为设备增强了控制调节功能，促进了煤矿机电设备进一步发展。