張燕青

(西山煤電集團(tuán)公司屯蘭礦)

變頻調(diào)速技術(shù)在礦山中的應(yīng)用

張燕青①

(西山煤電集團(tuán)公司屯蘭礦)

介紹了變頻器在礦山中的應(yīng)用,如變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于礦井提升機(jī)、空壓機(jī)、通風(fēng)機(jī)等,論述了選擇變頻器的注意事項(xiàng),指出變頻調(diào)速技術(shù)在礦山中的應(yīng)用對(duì)于提高礦山生產(chǎn)設(shè)備的效率,節(jié)約電能都是至關(guān)重要的。

變頻調(diào)速技術(shù);礦山;變頻器;應(yīng)用

1 變頻器在礦山中的應(yīng)用

1.1 變頻調(diào)速技術(shù)在礦井提升機(jī)中的應(yīng)用

礦井提升機(jī)是礦山運(yùn)輸?shù)闹饕O(shè)備。它是用一定的裝備沿井筒運(yùn)出礦石、廢石、升降人員及材料、設(shè)備等運(yùn)輸環(huán)節(jié)。礦井提升設(shè)備按井筒傾角可分為豎井提升設(shè)備和斜井提升設(shè)備;按提升容器可分為罐籠提升機(jī)和箕斗提升機(jī)等;按提升用途可分為主提升機(jī)、副井提升機(jī)和輔助提升機(jī)。

礦井提升是地下礦山生產(chǎn)的咽喉,所以,無論哪種提升機(jī),對(duì)電氣傳動(dòng)的要求都很高,因?yàn)殡姎鈧鲃?dòng)系統(tǒng)性能的優(yōu)劣,可靠性的高低,都直接關(guān)系到礦山生產(chǎn)的效率和礦山生產(chǎn)的正常進(jìn)行。對(duì)礦井提升機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的要求是:有良好的調(diào)速性能,調(diào)速精度高,四象限運(yùn)行,能快速進(jìn)行正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行,動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快,有準(zhǔn)確的制動(dòng)和定位功能,可靠性要求高等。

目前,我國地下礦山礦井提升機(jī)的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)主要有:對(duì)于大型礦井提升機(jī),主要采用直流傳動(dòng)系統(tǒng),有采用直流電動(dòng)機(jī)-直流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和晶閘管變流器—直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。這兩種系統(tǒng)都存在著直流電動(dòng)機(jī)固有的缺點(diǎn),如效率不高,維修工作量較大等;對(duì)于中、小型提升機(jī),則多采用交流電氣傳動(dòng)系統(tǒng),如采用交流繞線式電動(dòng)機(jī),使用電機(jī)轉(zhuǎn)子切換電阻調(diào)速,這種電氣傳動(dòng)系統(tǒng)雖然設(shè)備簡(jiǎn)單,但它是有級(jí)調(diào)速,調(diào)速性能差,效率低,大量的電能消耗在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻上,而且可靠性也差。

將變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于礦井提升機(jī)是礦井提升機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展方向。我國已有幾臺(tái)大型礦井提升機(jī)采用交—交變頻調(diào)速系統(tǒng),取得了很好的效果,但其缺點(diǎn)是功率因數(shù)低,諧波大,需加諧波和功率因數(shù)補(bǔ)償裝置。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展,交—直—交電壓型變頻調(diào)速技術(shù)已開始在礦井提升機(jī)中應(yīng)用。例如國外已有礦山將有源前端三電平變頻器應(yīng)用于礦井提升機(jī)上,采用這種變頻調(diào)速的交流提升機(jī)可以克服直流調(diào)速系統(tǒng)和交—交變頻調(diào)速系統(tǒng)的缺點(diǎn),是提升機(jī)電氣傳動(dòng)的發(fā)展方向。對(duì)于小型交流提升機(jī)已有成功應(yīng)用變頻器的實(shí)例。

1.2 變頻調(diào)速技術(shù)在空壓機(jī)中的應(yīng)用

空氣壓縮機(jī)是礦山生產(chǎn)的重要設(shè)備之一,它生產(chǎn)壓縮空氣,用以帶動(dòng)風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)、風(fēng)動(dòng)裝巖機(jī)等設(shè)備以及其它風(fēng)動(dòng)工具,其耗電量在礦山總耗電量中占有相當(dāng)大的比重。分析空氣壓縮機(jī)的電能消耗情況,找出節(jié)能潛力,實(shí)現(xiàn)空氣壓縮機(jī)的節(jié)能運(yùn)行,將會(huì)降低礦山生產(chǎn)成本,提高其經(jīng)濟(jì)效益?，F(xiàn)以凡口鉛鋅礦為例說明:

凡口鉛鋅礦坑口空壓機(jī)站共有6臺(tái)空氣壓縮機(jī),其中4臺(tái)為日本日立空氣壓縮機(jī),2臺(tái)國產(chǎn)空氣壓縮機(jī)(活塞式空氣壓縮機(jī))。6臺(tái)空氣壓縮機(jī)采用并聯(lián)運(yùn)行方式。一般情況下,只運(yùn)行2～3臺(tái)(其中一臺(tái)國產(chǎn)空氣壓縮機(jī))其余的空氣壓縮機(jī)作為備用。4臺(tái)日本日立空壓機(jī)采用的是多級(jí)壓力節(jié)流進(jìn)氣控制方式:即當(dāng)壓力低于6.2 MPa時(shí),打開全部進(jìn)氣閥,壓縮機(jī)組以100%負(fù)荷率狀態(tài)運(yùn)行;當(dāng)壓力達(dá)到6.2～6.5MPa時(shí)關(guān)閉隙閥,壓縮機(jī)組以75%負(fù)荷率運(yùn)行;當(dāng)壓力達(dá)到6.8～7 MPa時(shí),關(guān)閉一個(gè)進(jìn)氣閥,壓縮機(jī)組以50%負(fù)荷率運(yùn)行,當(dāng)壓力達(dá)到7 MPa時(shí)關(guān)閉所有進(jìn)氣閥,壓縮機(jī)組進(jìn)入空載運(yùn)行狀態(tài)。由于活塞式空氣壓縮機(jī)的起、停有著嚴(yán)格的規(guī)程,不允許頻繁起停。為了滿足井下用氣量的變化,一般由調(diào)度人員根據(jù)井下用氣量的時(shí)間變化特點(diǎn),把一天分為幾個(gè)時(shí)段,每一個(gè)時(shí)段需要開的空壓機(jī)臺(tái)數(shù)由該時(shí)段內(nèi)最大用氣量決定。在該時(shí)段內(nèi),空壓機(jī)不允許增開或停開(特殊情況除外)。金屬礦山的空壓機(jī)站多采用這種方式,但這種控制方式顯然存在較大的缺點(diǎn):

a)據(jù)統(tǒng)計(jì),壓縮機(jī)組75%負(fù)荷運(yùn)行率為41%, 50%負(fù)荷運(yùn)行率為14%。無論空氣壓縮機(jī)是處于75%、50%還是空載運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài),管網(wǎng)壓力較正常供氣壓力要高,井下用氣量很顯然要小于供氣量,而這時(shí)各臺(tái)空氣壓縮機(jī)仍然全速生產(chǎn)壓縮空氣,帶來了不必要的電能浪費(fèi)。

b)精度低,在某一進(jìn)風(fēng)量工作狀態(tài)下壓力波動(dòng)大,特別在生產(chǎn)用風(fēng)量變化頻繁時(shí)期內(nèi)(用風(fēng)量大且變化頻繁),不能穩(wěn)定風(fēng)壓。

c)閥門動(dòng)作值在一次整定后經(jīng)常會(huì)變,有時(shí)會(huì)使整個(gè)壓風(fēng)系統(tǒng)工作壓力偏高,增大了單位壓風(fēng)量的功耗。

d)當(dāng)空壓機(jī)運(yùn)行在75%、50%進(jìn)氣量的工作狀態(tài)下,進(jìn)氣流速增大,造成進(jìn)氣過程壓風(fēng)量的損失,降低了壓風(fēng)機(jī)的效率。

因此,通過對(duì)現(xiàn)有的調(diào)節(jié)方式進(jìn)行改進(jìn),節(jié)約了電能,提高了空壓機(jī)的運(yùn)行效率。為活塞式空氣壓縮機(jī)的節(jié)能運(yùn)行提供了重要的新手段,對(duì)于企業(yè)節(jié)能降耗,提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益有重要意義,有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

1.3 變頻調(diào)速技術(shù)在礦井通風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用

礦井通風(fēng)機(jī)是礦山生產(chǎn)的主要用電設(shè)備之一,其節(jié)能運(yùn)行在礦山節(jié)電中占有重要的地位。礦井通風(fēng)機(jī)一般采用異步電機(jī)或同步電機(jī)拖動(dòng),恒速運(yùn)轉(zhuǎn),一般容量大,電機(jī)供電電壓高(6 kV～10 kV)。

礦山建設(shè)的特點(diǎn)是:巷道逐年加深,產(chǎn)量逐年增加,所需的通風(fēng)量逐年上升。但礦井通風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)選型時(shí),往往是按最大開采量時(shí)所需的風(fēng)量為依據(jù)的,一般都留有余量,因此,礦井在投產(chǎn)后幾年甚至十幾年內(nèi),礦井通風(fēng)機(jī)都是處在低負(fù)載下運(yùn)行。此外,通常礦山井下作業(yè)不均衡,一般夜班工作人員少,所需風(fēng)量也小,在節(jié)假日時(shí),只有泵房等固定的井下場(chǎng)所的值班人員工作。盡管井下人員少,但也得照常向井下送風(fēng),礦井通風(fēng)機(jī)一般不調(diào)節(jié)風(fēng)量,若要調(diào)節(jié)風(fēng)量時(shí),傳統(tǒng)的方法是調(diào)節(jié)檔板。這種辦法雖然簡(jiǎn)單,但從節(jié)能的觀點(diǎn)看,不經(jīng)濟(jì)。

1.4 同步電機(jī)直接高壓變頻器

同步電機(jī)高壓變頻器主要有兩類,他控式變頻調(diào)速系統(tǒng)和自控式變頻調(diào)速系統(tǒng)。他控式變頻調(diào)速系統(tǒng)所用的變頻裝置是獨(dú)立的,其輸出頻率直接由速度給定信號(hào)決定,屬速度開環(huán)控制。自控式變頻調(diào)速系統(tǒng)可以使同步電機(jī)不存在失步和振蕩等問題,所以一般都采用自控式運(yùn)行。這種同步電機(jī)直接高壓變頻調(diào)速裝置是采用交-直-交電流型變頻調(diào)速系統(tǒng),屬自控式變頻調(diào)速系統(tǒng),它由變頻器、同步電機(jī)、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器以及控制系統(tǒng)組成。變頻器主電路采用晶閘管串聯(lián)組成的高壓閥串作為功率元件,利用同步電機(jī)的反電勢(shì)來關(guān)斷逆變器的晶閘管,它沒有強(qiáng)迫換流電路,因而主電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

2 選擇變頻器應(yīng)注意的事項(xiàng)

變頻器,特別是高壓變頻器價(jià)格昂貴,如選擇不當(dāng),達(dá)不到節(jié)電和提高生產(chǎn)效率的目的,以致造成浪費(fèi)和不必要的損失。

2.1 根據(jù)工藝要求選擇變頻器

1)電機(jī)調(diào)速雖是風(fēng)機(jī)、水泵節(jié)能的有效途徑,但并非凡是風(fēng)機(jī)、水泵都能采用調(diào)速節(jié)電。對(duì)于工藝參數(shù)基本穩(wěn)定,不需要調(diào)速的風(fēng)機(jī)、水泵可以采用高效節(jié)能電機(jī)和高效節(jié)能風(fēng)機(jī),以提高系統(tǒng)效率。對(duì)于已建成而配置不合理的風(fēng)機(jī)可以通過采用更換電機(jī),調(diào)節(jié)葉片角度等方法達(dá)到節(jié)電的目的。選擇調(diào)速節(jié)能時(shí)應(yīng)注意:風(fēng)機(jī)、水泵的轉(zhuǎn)速變化范圍不宜太大,通常最低轉(zhuǎn)速不少于額定轉(zhuǎn)速的50%,一般調(diào)速范圍在100%～70%為宜,因?yàn)楫?dāng)轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速的40%～50%時(shí),風(fēng)機(jī)、水泵本身的效率明顯下降,是不經(jīng)濟(jì)的;調(diào)速范圍確定時(shí),應(yīng)注意避開機(jī)組的機(jī)械臨界共振轉(zhuǎn)速,否則調(diào)速至該諧振頻率時(shí),將可能損壞機(jī)組。

2)進(jìn)行可行性分析。在選擇變頻調(diào)速設(shè)備以后,應(yīng)從提高效率或提高產(chǎn)品質(zhì)量的需要情況,從節(jié)約電能的情況進(jìn)行分析、計(jì)算,并與變頻器的投資進(jìn)行比較,計(jì)算出變頻器的投資回收期。一般來說,從節(jié)約的電費(fèi)或從提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高效率等方面所得的收益中,在兩年內(nèi)償還變頻器的投資,認(rèn)為是可行的。同時(shí)分析外部條件是否滿足變頻器的使用要求。

3)變頻器的可靠性。變頻器的可靠性如何,直接決定了變頻器能否成功地應(yīng)用于生產(chǎn)。這是選擇變頻器的首要條件。

4)根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的技術(shù)規(guī)格和技術(shù)參數(shù)來選擇變頻器在按工藝要求、電源條件、場(chǎng)地及容量等選擇了變頻器方案后,再選擇高壓變頻器。在選擇變頻器時(shí)可以根據(jù)廠家提供的產(chǎn)品樣本等技術(shù)資料及報(bào)價(jià)表來選擇。

2.2 技術(shù)規(guī)格和技術(shù)參數(shù)

1)型號(hào)。通過對(duì)型號(hào)和規(guī)格的了解,可以確認(rèn)該廠家生產(chǎn)的品種。

2)效率。變頻器效率的高低,直接關(guān)系到變頻器調(diào)速節(jié)能的多少,因?yàn)樵谧冾l器運(yùn)行時(shí),變頻器本體也要消耗一部分電能。一般來說直接高壓變頻器的效率都可達(dá)到0.97～0.98,而高-低-高式高壓變頻器由于多一個(gè)變壓器的損耗,使其系統(tǒng)效率有所降低。

3)功率因數(shù)。在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi),功率因數(shù)的變化是一項(xiàng)重要指標(biāo)。最好是在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)功率因數(shù)都保持在0.95以上,以使其符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB3485 -83的標(biāo)準(zhǔn),這只有電壓型變頻器和IGBT單相變頻器串聯(lián)的高壓變頻器能夠滿足此項(xiàng)規(guī)定。而電流型變頻器較難滿足這項(xiàng)要求。

4)諧波。國家對(duì)電網(wǎng)諧波有嚴(yán)格要求。限制用戶非線性諧波設(shè)備注入電網(wǎng)的諧波電流,是限制電網(wǎng)電壓正弦波畸變的關(guān)鍵。所用的高壓變頻器的諧波(即裝置對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波)必須符合國標(biāo)GB/T14549 -93“電能質(zhì)量、公用電網(wǎng)諧波”的規(guī)定,在國際上要符合IEEE-519標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。對(duì)于電流型變頻器如采用六脈沖整流,則5次、7次諧波都超過了這個(gè)標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)采用12脈沖整流或附加諧波補(bǔ)償措施。

5)輸出容量和額定輸出電流。變頻器輸出容量以kVA或kW表示,它代表可以供給電動(dòng)機(jī)的輸出功率。用kW表示時(shí),一般以四極標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)為基礎(chǔ)考慮;用kVA表示,需進(jìn)行核算。額定輸出電流是在額定電壓下變頻器能夠連續(xù)輸出的電流值。在以輸出容量為標(biāo)準(zhǔn)選擇了變頻器以后,還應(yīng)對(duì)額定輸出電流進(jìn)行核算,以使電動(dòng)機(jī)的額定電流不要超過變頻器的額定輸出電流。

6)頻率范圍。由最低使用頻率和最高頻率定義調(diào)速范圍。最低使用頻率的意思與起動(dòng)頻率不同。起動(dòng)頻率很小時(shí),并不一定能使電機(jī)從該頻率起動(dòng)。變頻器要對(duì)最高頻率設(shè)定,對(duì)風(fēng)機(jī)、水泵的最高頻率應(yīng)設(shè)定(即箝位)在50 Hz,所有的變頻器都可滿足這個(gè)要求,在選擇變頻器時(shí)可不作考慮,但使用中需注意。

7)電源容量和允許電壓變化范圍。供給變頻器的電源容量應(yīng)足夠大,電源電壓變化范圍應(yīng)在變頻器允許的范圍。用戶在選擇變頻器時(shí)應(yīng)根據(jù)自己電網(wǎng)容量及電網(wǎng)電壓的變化情況,對(duì)變頻器進(jìn)行選擇。曾有一個(gè)礦山因電壓波動(dòng)范圍超過了變頻器的允許范圍,而使變頻器不能正常應(yīng)用。

8)保護(hù)功能。變頻器樣本中一般標(biāo)明其保護(hù)功能,這是為了檢測(cè)出變頻器的異常情況和防止外部原因及內(nèi)部異常對(duì)變頻器造成損害,保護(hù)變頻器正常運(yùn)行和變頻器安全可靠。

[1] 君 蘭.機(jī)電一體化[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社,2009:18.

[2] 姜 橋.電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].南京:南京大學(xué)出版社,2009:36.

[3] 吳忠智.調(diào)速用變頻器及配套設(shè)備選用指南[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006:24.

Application on Frequency Conversion Technology in Mine

Zhang Yan-qing

Introduces the application of converter in the mines,such as frequency conversion technology for mine hoist,air compressor,ventilator,etc.,discusses the matters need attention of selection frequency converters,point out that the frequency conversion technology to enhance production equipment efficiency of the mine and energy conservation is essential.

Frequency conversion technology;Mine;Converter;Application

book=3,ebook=58

TD679

B

1672-0652(2010)03-0051-03

2010-01-24

張燕青 男 1980年出生 2009年畢業(yè)于中北大學(xué) 助理工程師 古交 030206