摘要:变频技术在煤矿矿区地面和井下的提升、通风、采煤、运输、选煤等各种矿山设备控制系统得到了广泛的应用,具有明显的节能效果和优越的调节性能。本文对变频技术的基本原理和发展进行了阐述,对变频器煤矿机电设备中的应用进行了分析研究。
关键词:机电设备;变频技术;节能
随着电子技术、计算机技术、自动控制技术、大功率输出技术的迅速发展,交流电机变频调速技术取得了突破性的进步,成为当今节电和改善环境、推动技术进步的一种主要手段,已成为一种必然的发展趋势。众所周知,煤炭企业是耗电大户,其电耗成本占其生产成本相当大的比例,其中通风、提升、压气、排水等设备的电能消耗占总能耗2/3以上,但是有很大一部分电能是白白浪费掉的。明显的节能效果和优越的调节性能,使变频节能技术在我国矿山中的应用越来越广泛,技术也越来越成熟。
1变频技术原理及发展
交流变频调速技术是微机技术、电力电子技术和电机传动技术的综合应用,是强弱电混合、机电一体的综合性技术。其实质是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置,其基本原理是通过整流桥将工频交流电压变为直流电压,再由逆变器转换为频率、电压可调的交流电压作为交流电机的驱动电源,使电动机获得无级调速所需的电压和电流,是一种无附加转差损耗的高效调速方式之一。变频调速技术之所以在能源危机中应运而生,就是因为它能根据电机负载的变化实现自动、平滑的增速、减速,从而大幅度提高工作效率。
变频技术在理论和应用方面都取得了较快的发展。在功率器件方面,经过了GTR、IGBT的更替,并进一步发展为智能功率模块(IPM);在控制理论方面,压频比(U1/f)控制方式得到很大改进,矢量控制和转矩直接控制方式在实际变频器中广泛应用,模糊自优化控制、人工神经网络等控制方法成为新的研发方向;调速系统的集成度越来越高,从单片机开始,先后产生了数字信号处理器(DPS)、精简指令集计算机(RISC)和高级专用集成电路(ASIC);在功能方面,变频器的综合化程度越来越高,除了能完成基本的调速功能外,还具有内置的可编程序、参数辨识及通信等功能。
2变频技术在煤矿机电设备中应用
2.1在矿井提升机的应用
矿井的提升机担负着输送物料和人员的重要任务,是矿井生产四大运转部件中特别重要的设备。其传统的调速控制方法是采用在电动机转子电路内接入金属电阻,用鼓形控制器或接触器切除电阻来达到调速的目的。这些控制装置的缺点是:电阻能耗大、散热难以解决;电阻调速属于有级调速,开环控制,调速范围小、精度低、安全性能差;在减速段和下放时需投切动力制动直流电源或低频电源,易造成设备损坏,且浪费了大量的电能。另外,原有的控制系统保护不够齐全,安全可靠性差,原系统已严重地制约了矿山的安全生产和经济运行,对矿井提升机驱动系统进行变频技术改造旨在从根本上解决原有电阻调速控制系统存在的各种弊病,达到如下主要目的:实现无级平稳加减速,提高提升系统的安全水平;节约电能;用PLC编程软件替代继电器实现提升速度控制,减少设备维修工作量。
2.2在皮带机中的应用
与提升机的用途基本同理,皮带机也是从井下运送煤到地面。区别在于皮带机的功率更大,它的启动和运行方式为绕线电机经转子绕组降压启动后工频运行,经液力耦合器切换至皮带机。
皮带机的工作原理是皮带机通过驱动轮毂,靠摩擦力牵引皮带运动,皮带通过张力变形和摩擦力带动物体在支撑辊轮上运动。皮带是弹性储能材料,在皮带机停止和运行时都储存有大量势能,这就决定了皮带机启动时应该采用软启动的方式。国内大多数煤矿采用液力耦合器来实现皮带机的软启动,在启动时调整液力耦合器的机械效率为零,使电机空载启动。虽然采用了转子串接电阻改善启动转矩和降压空载启动等方法,但电机的启动电流仍然很大,不仅会引起电网电压的剧烈波动,还会造成电机内部机械冲击和发热等现象。同时采用液力耦合器软起皮带时,由于启动时间短、加载力大容易引起皮带断裂和老化,要求皮带的强度高。加之液力耦合器长时间工作会引起其内部油温升高、金属部件磨损、泄漏及效率波动等情况发生,不仅会加大维护难度和成本、污染了环境,还会使多机驱动同一皮带时难以解决功率平均和同步问题。
经过变频技术改造后皮带机彻底实现了皮带输送机的软起、软停运行方式,使皮带机在工作中更加性能稳定。系统的功率因数在整个过程中达0.9以上,大大节省了无功功率。采用变频器驱动后,使系统总的传递效率要比液力偶合器驱动的效率高5%～10%系统效率。改造后系统可以根据负载变化情况自动调整输出频率和输出力矩,改变了以前电机工频恒速运行的模式,在很大程度上节约了电力能源消耗。而且四象限中高压变频器的使用实现了皮带机能量回馈功能,进一步使得皮带机的能耗降低,液力耦合器的退出更大地节约了设备的维护和维修费用。在节能环保方面更加的完善。
2.3在煤矿主通风机的应用
煤矿主通风机是煤矿的四大主要设备之一,主扇风机在煤矿生产中有着重要的地位,作为矿井主通风,它每天24h不停地运转,是整个矿井的"呼吸"系统。随着开采和掘进的不断延伸,巷道延长,尽管风量基本不变,但井下所需的风压要求却不断增加,风机需用功率也随之增加。矿井一般按开采各阶段中通风最困难时期选择风机型号。
矿用通风机采用变频调速后,节约了电能,而且可根据巷道的风量需求方便的进行调速,避免浪费,应用效果是十分理想的。而且变频节能运行,节约了大量能源。由于变频改造后不再使风机一直处于满负荷工作状态。
由于变频器改造后风机可以实现变频软起动,避免了起动电流的冲击,不仅对电网没有任何冲击,而且还可以随时起动或停止。进行变频改造后,风机的大部分工作时间都在较低的速度下运行,因而大大降低了风机工作的机械强度和电气冲击,将会大大延长风机的使用寿命,降低维修强度。
需要注意的是煤矿对旋风机变频调速后,一般情况下要求两台电机的运行频率尽量一致,从而保证电机转速一致。避免一台转速高,一台转速低,形成风阻,影响风机的正常运行。
2.4在井下绞车电控系统中应用
电控系统和保护系统采用变频调速技术,输入电源660V、50Hz,电压允许波动范围-15%～+10%,允许频率波动范围±2.5%,输出功率200kW,输出频率0～50Hz连续可调。过载能力强,在负载变化为-120%～+120%额定负载时能满足四象限运行要求;低频运转时,有自动转矩提升功能,能保证100%额定转矩;有过压、欠压、过流、断相和功率元件过热等保护。
控制箱采用快开门方式,电气控制采用双PLC全数字控制系统,两套PLC与硬件电路互相冗余完成绞车提升控制与数字监控,同时在PLC故障时能分别完成临时应急提升。控制系统配备正常操作而设置的各种保护,其中的防止过卷装置、过速装置、限速装置和减速功能保护设置为相互独立的双线形式。系统还具有各种保护试验功能。声光信号与控制回路具有闭锁功能,未发信号不能开车,发出信号的时间次数记忆不少于30天。深度指示采用数字显示,能准确清楚显示出矿车在巷道中运行位置。深度指示一旦失效能迅速断电停车。绞车控制具有手动、自动、检修运行及远程控制等操作方式。检修时能手动操作,运行速度0.3～0.5m/s,操作方便可靠。变频器采用模块式结构,出现故障时能方便查找故障点并及时进行更换,维修简单。操作台除有正常的各种操作开关与按钮外,还有深度、速度、电压、电流、油压和温度等指示,比较直观。
参考文献
胡崇岳现代交流调速系统北京机械工业出版社,1998
王占奎变频调速应用百例北京科学出版社,1999
陈国呈PMW变频调速及软开关电力变换技术北京机械工业出版社,2001