馬修成

摘要:變頻技術(shù)具有明顯的節(jié)能效果和優(yōu)越的調(diào)節(jié)性能,使變頻節(jié)能技術(shù)在我國礦山中的應(yīng)用越來越廣泛,技術(shù)也越來越成熟。對變頻技術(shù)的基本原理和發(fā)展進(jìn)行了了闡述。對變頻器在流體負(fù)荷設(shè)備、機(jī)械動力負(fù)荷設(shè)備中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞:變頻技術(shù);機(jī)電設(shè)備;應(yīng)用

礦井(露天礦)各個生產(chǎn)系統(tǒng)的用電占到礦井企業(yè)用電量的70%～90%。對礦井提升機(jī)、空壓機(jī)、采掘機(jī)等動力負(fù)荷變化較大的機(jī)電設(shè)備在啟動、加減速、制動和設(shè)備維護(hù)等方面的浪費(fèi)也是非常巨大的。明顯的節(jié)能效果和優(yōu)越的調(diào)節(jié)性能,使變頻節(jié)能技術(shù)在我國礦山中的應(yīng)用越來越廣泛,技術(shù)也越來越成熟。

1 變頻技術(shù)的基本原理和發(fā)展

變頻技術(shù)在理論和應(yīng)用方面都取得了較快的發(fā)展。在功率器件方面,經(jīng)過了GTR、IGBT的更替,并進(jìn)一步發(fā)展為智能功率模塊(IPM);在控制理論方面,壓頻比(U1/f)控制方式得到很大改進(jìn),矢量控制和轉(zhuǎn)矩直接控制方式在實際變頻器中廣泛應(yīng)用,模糊自優(yōu)化控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等控制方法成為新的研發(fā)方向;調(diào)速系統(tǒng)的集成度越來越高,從單片機(jī)開始,先后產(chǎn)生了數(shù)字信號處理器(DPS)、精簡指令集計算機(jī)(RISC)和高級專用集成電路(ASIC);在功能方面,變頻器的綜合化程度越來越高,除了能完成基本的調(diào)速功能外,還具有內(nèi)置的可編程序、參數(shù)辨識及通信等功能。

2 變頻技術(shù)在我國煤礦機(jī)電設(shè)備中應(yīng)用分析

2.1 變頻技術(shù)在機(jī)械動力負(fù)荷設(shè)備中的應(yīng)用

變頻技術(shù)的發(fā)展和運(yùn)用使煤礦節(jié)支增效進(jìn)入了一個新階段。

2.1.1 普通變頻器在煤礦機(jī)電設(shè)備中的應(yīng)用

普通變頻器在煤礦其他生產(chǎn)領(lǐng)域運(yùn)用更加普遍,其功能除降耗節(jié)能之外,也注重向系統(tǒng)控制的靈活性,智能化,遠(yuǎn)程控制,簡單易操作等方向發(fā)展。東龐煤礦對洗煤廠給煤機(jī)進(jìn)行了技術(shù)改造,采用變頻驅(qū)動的方案取代傳統(tǒng)的手動閘門控制方案,選擇了西門子MicroMaster440全新一代模塊化設(shè)計的多功能標(biāo)準(zhǔn)變頻器,系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)結(jié)構(gòu),標(biāo)準(zhǔn)調(diào)試軟件;有數(shù)字量輸入,模擬量輸入/輸出,繼電器輸出;采用集成RS485通訊接口,同時用戶界面友好,安裝、操作和控制靈活方便。肥城礦業(yè)集團(tuán)白莊煤礦聯(lián)合山東科技大學(xué)對空壓機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行了變頻節(jié)能改造,采用1臺ACS800-160變頻器輪換去驅(qū)動2臺空氣壓縮機(jī),通過檢測儲氣罐壓力,實現(xiàn)系統(tǒng)的壓力閉環(huán)控制,自動調(diào)節(jié)空氣壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速和空氣壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)臺數(shù),實現(xiàn)了空壓系統(tǒng)平穩(wěn)高效工作。

因此,變頻技術(shù)在我國礦山機(jī)電設(shè)備中還有很大的發(fā)展空間,礦山中大小機(jī)電設(shè)備種類繁多,能解決好變頻器與這些設(shè)備的匹配問題,就能得到更廣泛的推廣。

2.1.2 交流四象限變頻器在煤礦機(jī)電設(shè)備中的應(yīng)用

采掘設(shè)備中提升機(jī)、輸送機(jī)、電鏟等機(jī)電設(shè)備的頻繁調(diào)速、起停,要求變頻器能四象限工作。四象限變頻器將整流電路由原來的全波整流橋改為由IPM(智能功率模塊)構(gòu)成的可控整流橋,當(dāng)電機(jī)處于電動狀態(tài)時,四象限變頻器的控制與兩象限變頻器的工作是完全一樣的,當(dāng)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時,四象限變頻器中原來的逆變電路將作為整流電路工作,而原來的整流電路則作為逆變電路工作,達(dá)到將電機(jī)產(chǎn)生的電量回饋到電網(wǎng)的目的。

在采煤機(jī)中的應(yīng)用目前,采煤機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)已從“一拖二”發(fā)展到“一拖一”,我國能量回饋型四象限運(yùn)行的交流變頻調(diào)速采煤技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平,國產(chǎn)電牽引采煤機(jī)行走功率最大2×110KW,變頻器電壓380V,能夠?qū)崿F(xiàn)額定轉(zhuǎn)速下恒定轉(zhuǎn)矩調(diào)速,額定轉(zhuǎn)速以上恒定功率調(diào)速及兩臺變頻器之間的主從控制和轉(zhuǎn)矩平衡。太原礦山機(jī)器集團(tuán)生產(chǎn)的MGTY300/730-1。1D電牽引采煤機(jī)使用了回饋制動的四象限變頻器,在開灤集團(tuán)范各莊礦進(jìn)行了應(yīng)用,采區(qū)的傾角為12°-18°,局部達(dá)到25°-30°,從現(xiàn)場運(yùn)行情況來看,四象限變頻器調(diào)速電牽引采煤機(jī)對大傾角工作面能較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)制動力矩,維持牽引速度基本不變,機(jī)器沒有發(fā)生下滑跑車的現(xiàn)象,結(jié)構(gòu)簡單、控制靈活、操作方便、速度調(diào)節(jié)可靠。

在提升機(jī)中的應(yīng)用。新柏煤礦公司選用交流四象限變頻調(diào)速系統(tǒng)是變頻防爆提升機(jī),這是西北礦區(qū)首家選用交流四象限變頻調(diào)速技術(shù)的企業(yè),系統(tǒng)采用無速度傳感器矢量控制方式,四象限運(yùn)行,設(shè)有過壓、欠壓、過流、電機(jī)缺相等保護(hù)。風(fēng)光提升機(jī)變頻器作為提升機(jī)專用變頻器已有數(shù)百臺應(yīng)用于各大礦山,JD-BP32-185P型提升機(jī)變頻器就是其中的代表,系統(tǒng)實現(xiàn)全數(shù)字化控制,設(shè)計有專門的控制軟件,同時具有很高的兼容性,提供了完善的輸入輸出接口電路,能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

在膠帶輸送機(jī)和電鏟中的應(yīng)用。采用四象限變頻調(diào)速技術(shù)后,解決了采用液力耦合器裝置時下行運(yùn)輸皮帶機(jī)在啟動、運(yùn)行、制動中形成的電機(jī)失控。變頻器隨時將電機(jī)產(chǎn)生的負(fù)力回饋到電網(wǎng)中,減少發(fā)熱損耗,解決了機(jī)械系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)的沖擊問題,延長了設(shè)備的使用壽命。電鏟(挖掘機(jī))是露天礦山用于裝載礦、巖石的大型設(shè)備,其工作條件非常惡劣,特別是在爆破不好的情況下挖根底作業(yè),經(jīng)常出現(xiàn)過大的沖擊載荷,甚至堵轉(zhuǎn)。

上世紀(jì)90年代后期,我國有個別礦山從美國B-E公司引進(jìn)了變頻器-鼠籠型電動機(jī)系統(tǒng),系統(tǒng)的機(jī)械特性曲線的包絡(luò)面積大,四象限運(yùn)行,能快速地進(jìn)行加、減速、反轉(zhuǎn)和制動。

2.2 變頻調(diào)速技術(shù)在流體負(fù)荷設(shè)備中的應(yīng)用

為保證礦井生產(chǎn)正常進(jìn)行,泵和風(fēng)機(jī)的設(shè)計都留有足夠的余量,老式流速調(diào)節(jié)多采用截流方式,生產(chǎn)效率較低。我國幾十個大型煤礦集團(tuán)公司現(xiàn)有主排水泵5000多臺,其年排水電耗約為30億kWh,占礦井總用電量的30%左右。因此,變頻技術(shù)在我國礦用通風(fēng)機(jī)、泵的改造和新設(shè)備的配備中大有作為。

2.2.1 風(fēng)機(jī)中變頻調(diào)速的應(yīng)用

我國煤礦風(fēng)機(jī)已有為煤礦特殊環(huán)境專門設(shè)計的變頻調(diào)速裝置。如楊村礦南風(fēng)井在風(fēng)機(jī)改造中,將原來JRQ-1510-10型高壓繞阻式電機(jī)換為JS157-10型低壓鼠籠式電動機(jī),用一臺變頻器控制兩臺電機(jī)。改造后,實際轉(zhuǎn)速較改進(jìn)前最低轉(zhuǎn)速下降了70r/min,電機(jī)實際輸出功率為改進(jìn)前前導(dǎo)器半關(guān)閉時的1/3,風(fēng)量和風(fēng)壓更加適合礦井特性,每年可節(jié)約電費(fèi)約56萬元。某礦經(jīng)過科研攻關(guān),研制了ZJT-30型隔爆兼本安智能變頻調(diào)速系統(tǒng),采取IGBT散熱方式,工作電壓為660V,可帶動28kW局部通風(fēng)機(jī),實現(xiàn)了載波頻率調(diào)整(2-50Hz)功能、風(fēng)電和瓦斯閉鎖功能、過流短路保護(hù)功能、超溫斷電功能及遠(yuǎn)程和實地控制功能,其性能達(dá)到防爆標(biāo)準(zhǔn),為我國礦山巷道掘進(jìn)的節(jié)能提供了有效手段。

2.2.2 泵中采用變頻調(diào)速的應(yīng)用

中國礦業(yè)大學(xué)宋杰等人,利用變頻器和PLC控制器,設(shè)計了一套煤礦井下排水泵站的監(jiān)控系統(tǒng),該系統(tǒng)中變頻器靈活的控制抽水泵的平滑起停、適時加減速,保證了井下液位的恒定,降低了泵空轉(zhuǎn)時間和頻繁起停帶來的大量能耗,機(jī)械設(shè)備的損耗也相應(yīng)降低,PLC控制器的加入,對變頻器的自動控制更加智能與靈活,保證了生產(chǎn)的安全高效運(yùn)行。

孔莊選煤廠在合格介質(zhì)泵上安裝變頻器,通過在線調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)重介旋流器的入料壓力,降低了因啟動電流過大造成的電耗增加,減少頻繁開停車避免了變壓器跳電,提高了產(chǎn)品質(zhì)量,生產(chǎn)實踐表明,因引進(jìn)變頻調(diào)速技術(shù)該選煤廠每年單新增精煤創(chuàng)收約216萬元。

結(jié)論

變頻技術(shù)在礦山機(jī)電設(shè)備中應(yīng)用越來越多,但應(yīng)用還不普及,變頻技術(shù)在我國礦山機(jī)電設(shè)備中還有很大的發(fā)展空間。變頻技術(shù)在我國礦山機(jī)電設(shè)備應(yīng)用中具有推廣面較廣、需求量大、專業(yè)化強(qiáng)、多功能、網(wǎng)絡(luò)化的更新等特點(diǎn)。

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