變頻調(diào)速技術(shù)在礦山中的廣泛應(yīng)用

1、變頻調(diào)速技術(shù)在礦山中的廣泛應(yīng)用 摘 要 變頻調(diào)速技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程的節(jié)能降耗，并同時提高生產(chǎn)效率，降低維修成本。該技術(shù)在目前國內(nèi)的煤炭及非煤礦山開采工程中被廣泛應(yīng)用，也得到了專業(yè)領(lǐng)域的注目與研究。本文所主要探討的是變頻調(diào)速技術(shù)在礦山風機系統(tǒng)及提升機系統(tǒng)中的實際技術(shù)應(yīng)用過程。 【關(guān)鍵詞】變頻調(diào)速技術(shù) 礦山 風機系統(tǒng) 提升機 應(yīng)用 變頻調(diào)速技術(shù)目前在工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛使用已經(jīng)有目共睹，它主要以v/f、矢量vc、直接轉(zhuǎn)矩dtc作為主控方式，其特性就是成本低、性能要求低，而且能應(yīng)用到某些技術(shù)要求較高的工程場合中。伴隨著半導體mcu技術(shù)處理能力的越來越強，變頻調(diào)速技術(shù)也已經(jīng)能夠處理某些極其復(fù)雜的任務(wù)

2、，實現(xiàn)對控制目標的計算、觀測和傳動。就目前我國在變頻調(diào)速技術(shù)方面的發(fā)展前景來看，其主要采用的方式還是pwm合成驅(qū)動方式，它利用到了控制器較強的pwm生成能力。 1 變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理剖析 在國內(nèi)煤炭及礦山開采行業(yè)中，目前主流采用的是交流電牽引采集技術(shù)，它依托牽引調(diào)速系統(tǒng)、交流變頻調(diào)速系統(tǒng)和電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速系統(tǒng)3方面功能優(yōu)勢，實現(xiàn)了良好的設(shè)備軟啟動。在這其中，變頻調(diào)速技術(shù)所采用的主要為異步電機理論原理，因此首先要明確異步電機的轉(zhuǎn)速計算公式： n=60f（1-s）/p 在上述計算公式中，n表示異步電機中的標準轉(zhuǎn)速（r/min），f表示電網(wǎng)頻率，也可以指代電機的定子頻率（hz），而s表示轉(zhuǎn)差率

3、，p表示電機定子的繞組極對數(shù)。從計算公式可見，變頻調(diào)速系統(tǒng)所基本希望實現(xiàn)的就是電機轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率二者之間的正比例關(guān)系。如果轉(zhuǎn)速n和頻率f呈現(xiàn)近似正比例關(guān)系，那么它對交流電機的要求就趨向于連續(xù)平滑大范圍調(diào)速性能，通過持續(xù)平滑調(diào)速來改善電源頻率，實現(xiàn)變頻調(diào)速功能特性。舉例來說，在異步電機中50hz的交流電就可以通過整流、逆變轉(zhuǎn)換功能而成為頻率可調(diào)節(jié)的特殊電源。 2 變頻調(diào)速技術(shù)在礦山風機系統(tǒng)中的應(yīng)用 2.1 風機比例定律 變頻調(diào)速技術(shù)在礦山風機系統(tǒng)中的應(yīng)用相當成熟，按照風機比例定律來看，當雷諾數(shù)re5x106時，如果工作介質(zhì)、風機葉片直徑不變，風機的功率w就應(yīng)該和n3成正比例關(guān)系，而風壓h

4、應(yīng)該與n2也呈正比例關(guān)系。按照風機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)處理方式，風機的風量q與系統(tǒng)轉(zhuǎn)速n也是呈現(xiàn)一次方正比關(guān)系的，所以如果要降低風機功率的三次方消耗，就必須改變風機系統(tǒng)中拖動電機的轉(zhuǎn)速與工作電源頻率。 如圖1，在經(jīng)過一系列的整流與濾波后，380v交流電轉(zhuǎn)換為直流電，然后再經(jīng)過逆變環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)化為頻率/幅值可調(diào)的交流電。所以礦山風機系統(tǒng)在變頻器的主回路中分別經(jīng)歷了“交流直流交流”三個轉(zhuǎn)換過程，基于變頻調(diào)速技術(shù)的礦山風機系統(tǒng)變頻器也被稱為是“交直交變頻器”。 綜上所述，變頻調(diào)速技術(shù)在風機系統(tǒng)中完全利用到了電機的電源頻率及電機轉(zhuǎn)速線性關(guān)系原理，這使得礦井風機能夠在交流變頻器的驅(qū)動下調(diào)節(jié)快慢速率，實現(xiàn)無級調(diào)速目的，對生

5、產(chǎn)節(jié)能、提高風機操控精度、范圍與效率都有很大幫助，同時也大幅度降低了風機系統(tǒng)的耗電量。 2.2 變頻調(diào)速技術(shù)在礦山風機系統(tǒng)中的應(yīng)用案例 2.2.1 技術(shù)應(yīng)用概述 為保證井下在無人工作時，對風機按井下實際供風需要，進行風量、風壓調(diào)節(jié)，通過風機降速，降低風機輸入功率，達到節(jié)能目的。我公司引入了變頻調(diào)速技術(shù)來對井下風機設(shè)備進行輸入頻率方面的調(diào)節(jié)，以改變風機轉(zhuǎn)速，提高生產(chǎn)效率。 實際應(yīng)用中，我公司選擇了合康系列通用變頻器，它所應(yīng)用的微處理器為性能較高的dsp，功率輸出器部分則采用的igbt雙極型晶體管。在經(jīng)過一段時間的系統(tǒng)投入運行后發(fā)現(xiàn)，利用該套系統(tǒng)的風機在實際功率因數(shù)方面已經(jīng)超過1，而且輸出電流電壓

6、頻率也相對穩(wěn)定，整體性能相當突出。另外，我們采用了礦山風機變頻調(diào)速自動控制模式，它利用到了pid閉環(huán)反饋控制方法，主要通過pid來控制變頻調(diào)速器，而由變頻器來控制電動機輸入頻率，以最終實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的優(yōu)化。如此一來，在生產(chǎn)作業(yè)過程中就可以利用變頻器來調(diào)節(jié)風機流量，達到降低能耗，實現(xiàn)高效率生產(chǎn)目的。 2.2.2 經(jīng)濟效益分析 以“流量-負載”這一關(guān)系曲線來計算風機系統(tǒng)對于礦山開采作業(yè)的節(jié)能效果。目前我礦在通風系統(tǒng)，采用兩臺風機進行井下供風，風機額定功率為一臺45kw和一臺90kw。經(jīng)統(tǒng)計風機全年運行時間為300d，每天持續(xù)不間斷運行24h。其中的13h約50%負荷，而其余的11h為90%負荷，這

7、一應(yīng)用使我公司在每年使用風機系統(tǒng)方面的節(jié)電量達到： w=135x11x（100%-69%）x300+60x13x（95%-20%）x300=532980kwh 如果每kwh電量按照平均電價1元來計算，那么采用變頻調(diào)節(jié)技術(shù)后每年可為礦山節(jié)省費用50多萬元，所以說基于變頻調(diào)節(jié)技術(shù)的礦山風機系統(tǒng)具有相當突出的節(jié)能效果。 另一方面，如果根據(jù)風機負載關(guān)系算式：p1/p2=（n1/n2）3，從節(jié)能角度來看，原方式啟動時消耗功率相對較大，在采用了變頻調(diào)速技術(shù)后，應(yīng)用其中的平滑轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)運行方式來實現(xiàn)對風機系統(tǒng)的軟啟動、軟停機，同時大幅降低電機發(fā)生故障的概率及設(shè)備自身發(fā)熱程度，以求獲得最佳的經(jīng)濟運行工況點，進一

8、步提升風機系統(tǒng)運行的精確性與穩(wěn)定性。在實際應(yīng)用過程中，考慮到生產(chǎn)現(xiàn)場的負載變化與控制狀況差異，利用變頻器的強大通訊功能，進行遠程數(shù)據(jù)采集和控制，具有很好的跟隨 3 變頻調(diào)速技術(shù)在礦山礦井提升機中的應(yīng)用 3.1 礦井提升機變頻調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成 提升機系統(tǒng)是礦山生產(chǎn)的至關(guān)重要的大型設(shè)備，對礦井的生產(chǎn)及安全起著非常重要的作用，因此它的電氣傳動及控制裝置一直是一個重要研究領(lǐng)域。本文所研究的是礦井提升機變頻調(diào)速系統(tǒng)，它采用了全數(shù)字雙饋變頻電控系統(tǒng)，集合了數(shù)字化、自動化、信息網(wǎng)絡(luò)化等先進理念，并配合多plc網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)建立。 在變頻器主回路方面主要采用了back-to-back雙三電平交-直-交基本結(jié)構(gòu)，它

9、能夠通過電網(wǎng)三電平有源前端銜接yy0型整流變壓器，從而實現(xiàn)對逆變器的轉(zhuǎn)子側(cè)連接。如圖2。 如圖2所示，轉(zhuǎn)子雙饋變頻調(diào)速定子側(cè)是直接與電網(wǎng)相互連接的，并基于三電平變頻器與電網(wǎng)相連。該系統(tǒng)中的cu1與cu2均為全控單元，cu1主要通過轉(zhuǎn)子側(cè)像轉(zhuǎn)子電勢同頻率提供變壓變頻電源，而cu2則是典型的全控整流單元，它通過穩(wěn)定的直流電壓坐標變換來實現(xiàn)有功無功之間的解耦操作，并降低系統(tǒng)對電網(wǎng)的整體影響。 在系統(tǒng)設(shè)計過程中，首先基于系統(tǒng)安全性考慮了礦井提升機的冗余配置，所以采用了“一用一備”的冗余設(shè)計，保證轉(zhuǎn)子雙饋變頻調(diào)速系統(tǒng)能夠以主設(shè)備來實現(xiàn)對生產(chǎn)能耗的降低，同時提高生產(chǎn)效率。而與傳統(tǒng)變頻設(shè)備相比，它的故障率也

10、相對較低。另一方面，全數(shù)字雙饋轉(zhuǎn)子變頻矢量控制系統(tǒng)還能夠依據(jù)系統(tǒng)核心算法來實現(xiàn)高性能控制對策，主要通過控制器cpu與主控plc形成通信連接，并組合成為一整套性能較高較完善的提升機速度控制系統(tǒng)。其中的plc部分也是典型的多plc系統(tǒng)，它主要包括了主控、監(jiān)控、操作臺、液壓站控制、裝卸載控制等等plc，每個pcl子系統(tǒng)都通過mpi網(wǎng)與主系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)信息通信。 最后，系統(tǒng)配套操作臺也設(shè)計了較為人性化的人機操作界面，其界面能夠很好的顯示系統(tǒng)所有信息，并真實反映提升機系統(tǒng)的實際運行狀態(tài)與數(shù)據(jù)參數(shù)，通過數(shù)據(jù)反饋來發(fā)出正確的控制指令，形成了系統(tǒng)中的遠程集中信息管理及反饋機制。如圖3。 3.2 變頻調(diào)速技術(shù)在礦

11、井提升機系統(tǒng)中的應(yīng)用案例 過去大多數(shù)礦井提升機交流電控系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子回路串電阻的交流調(diào)速系統(tǒng)，我國目前還有部分投產(chǎn)的大、中型礦井的提升機采用晶閘管直流可逆調(diào)速系統(tǒng)，或是交交變頻調(diào)速系統(tǒng)。隨著技術(shù)的進步、價格的下降，越來越多的用戶開始采用變頻電控調(diào)速系統(tǒng)。2014年我地區(qū)一礦山采用變頻調(diào)速技術(shù)對原采用傳統(tǒng)的繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子回路串電阻的交流調(diào)速系統(tǒng)進行了改造，用它來取代原有故障率較高的老系統(tǒng)，實現(xiàn)變頻調(diào)速后的節(jié)能降耗生產(chǎn)目的。 3.2.1 主要技術(shù)參數(shù) 該礦所采用的礦井提升機其輸入電壓為三相380v交流電源，波動范圍達到360420v，電機額定功率為6級130kw。在提升機

12、所應(yīng)用的礦井方面，礦井的斜長長度為480m，坡度為25。提升機的系統(tǒng)最大提升量為4.5t，最大提速以可以達到3m/s，下放最大重量同樣為4.5t，下放速度為4m/s。 3.2.2 節(jié)能效果評估 （1）提升節(jié)能效果。在采用了雙饋變頻調(diào)速系統(tǒng)的提升機以后，提升機在加速時間為30s下的消耗能量為： p1xt1+p2xt2+p3xt3=11000kj 基于上式可以算出提升機運行的平均節(jié)電量約為16.5%左右，其中p1p3代表了加速、勻速、減速過程中的平均功率（kw），而t1t3則代表了在加速、勻速、減速過程中提升機的具體運行時間（s）。如果不具體考慮提升機機械的損耗與變頻器損耗，那么在該部分的損耗量實

13、際并不會太高。 （2）下放節(jié)能效果。雙饋變頻調(diào)速系統(tǒng)在提升機下放過程中將工頻調(diào)節(jié)為3檔下放，下放速度保持在1.5m/s。這一數(shù)據(jù)的設(shè)計主要考慮到了提升機的摩擦與實際電機消耗。而在變頻方面則主要以重力勢能的80%作為回饋反映給主系統(tǒng)。如果提升機的工頻下放消耗能量為0，則有可能使提升機在運行過程中節(jié)能80%以上，如此一來，上提和下放兩項工作的整體節(jié)電率應(yīng)該超過30%。 （3）節(jié)能效率綜述。綜上所述，按提升機的每月節(jié)約電量為18000kwh，電價為1元kwh計算，則每年可節(jié)約電量約20余萬元。 如果從技術(shù)角度來看，基于雙饋變頻調(diào)速技術(shù)下的提升機在提高工作效率方面卓見成效，其中系統(tǒng)的循環(huán)工作時間被大大

14、縮短，每周期效率照比傳統(tǒng)提升機提高10s左右，效率提升達到12%。而在調(diào)速方面，新提升機的調(diào)速更加平穩(wěn)，且沖擊較小，由于采用了轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速，所以在整個速度段中，實施調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速可以實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩輸出的改變，確保設(shè)備的平穩(wěn)運行。而且變頻器輸出的高質(zhì)量電能也大幅度降低了電機的實際溫度和脈振，實現(xiàn)了節(jié)能效果。 4 總結(jié) 本文主要基于變頻調(diào)速技術(shù)探討了在礦山開采作業(yè)中其對風機系統(tǒng)與提升機的相關(guān)技術(shù)改造與革新?？梢砸姷茫摷夹g(shù)的使用確實實現(xiàn)了對設(shè)備安全可靠性的提升，大大減少了維護量的同時，也節(jié)約了大量的電能及成本，經(jīng)濟性與實用性兼?zhèn)洹Ｕw而言，變頻調(diào)速技術(shù)在礦山企業(yè)中的應(yīng)用范圍很廣，本文僅介紹了其中的兩種，希望在以后的實際生產(chǎn)實踐中，該技術(shù)能夠應(yīng)用到更多領(lǐng)域，為提高企業(yè)產(chǎn)品競爭力、降低成本、實現(xiàn)節(jié)能降耗生產(chǎn)而做出更多卓越貢獻。 參考文獻 1張燕青.變頻調(diào)速技術(shù)在礦山中的應(yīng)用j.山西焦煤科技，2010，34（3）：51-53