變頻器礦山行業(yè)應(yīng)用

變頻器的技術(shù)，如果要從教科書上去找理論基礎(chǔ)，可以歸結(jié)到電力電子技術(shù)這一學(xué)科。電力電子技術(shù)是借助于半導(dǎo)體功率器件（IGBT一類的）對電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換、控制和優(yōu)化利用的技術(shù)。對銷售或者對公司來說，可以稱為機(jī)電一體化的產(chǎn)品。
    變頻器的普及，可以理解成一種電源。什么電源呢？我們知道變壓器的作用是起到電壓轉(zhuǎn)換的過程。比如升壓變壓器，降壓變壓器，自耦變壓器等等，甚至電抗器等，輸入電壓和輸出電壓或升高或降低，或不變，實現(xiàn)的都是能量的傳遞。普傳變頻器是通過改變電網(wǎng)的電壓和頻率來實現(xiàn)能量傳遞的一個裝置，所以可以理解成一個電源。工業(yè)中大多的用電要求是三相380伏、50赫茲的，普傳變頻器就是把這個電源調(diào)制成0-380伏，0-50赫茲。
    從拖動系統(tǒng)的角度來說，一個工藝流程包括控制、驅(qū)動、執(zhí)行、負(fù)載這四個環(huán)節(jié)?？刂浦傅檬遣僮鞑糠?，比如上位機(jī)，普通操作箱，控制柜、可編程序邏輯控制器等；驅(qū)動就是我們的產(chǎn)品，包括普傳變頻器、伺服電源等；執(zhí)行部分就是電機(jī)或者伺服電機(jī)；負(fù)載就是我們說的什么風(fēng)機(jī)了、水泵了、空壓機(jī)了等等。
    在礦上的推廣可以如下理解：
    應(yīng)用*改造傳統(tǒng)煤炭工業(yè)。
    電力技術(shù)最早用于礦山上，是在礦井提升機(jī)上。發(fā)達(dá)國家也用于皮帶輸送機(jī)、風(fēng)機(jī)、水泵等。
    帶式輸送機(jī)：
    普傳變頻器在國內(nèi)煤礦的應(yīng)用主要集中在帶式輸送機(jī)上。皮帶是一個彈性體，在靜止或運(yùn)行時皮帶內(nèi)貯藏了大量的能量，在皮帶機(jī)起動過程中，如果不加設(shè)軟起動裝置，皮帶內(nèi)貯藏的能量將很快釋放出去，在皮帶上形成張力波并迅速沿著皮帶傳輸出去。過大的張力波極易引起皮帶被撕斷。因此，《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，帶式輸送機(jī)必須加設(shè)軟起動裝置。目前煤礦采用的軟起動裝置絕大部分是液力偶合器。液力偶合器雖然能部分解決皮帶機(jī)的軟起動問題，但與普傳變頻器驅(qū)動相比，仍具有明顯的劣勢：首先，采用液力偶合器時，電機(jī)必須先空載起動。工頻起動時，最初的電流很大，為電機(jī)額定電流的4--7倍。大的起動瞬間電流會在起動過程中產(chǎn)生沖擊，引起電機(jī)內(nèi)部機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力發(fā)生變化，對機(jī)械部分造成嚴(yán)重磨損甚至損壞。同時還將引起電網(wǎng)電壓下降，影響到電網(wǎng)內(nèi)其它設(shè)備的正常運(yùn)行，因此，大容量的皮帶機(jī)還必須附加電機(jī)軟起動設(shè)備。其次，液力偶合器長時工作時，引起液體溫度升高，熔化合金塞， 引起漏液， 增大維護(hù)工作量，污染環(huán)境。第三，采用液力偶合器時，皮帶機(jī)的加載時間較短，容易引起皮帶張力變化，因此對皮帶帶強(qiáng)要求較高。第四，一般的皮帶機(jī)都是長距離大運(yùn)量，通常都是多電機(jī)驅(qū)動，采用液力偶合器驅(qū)動，很難解決多電機(jī)驅(qū)動時的功率平衡。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展。變頻技術(shù)在最近二十年飛速發(fā)展，在部分煤礦企業(yè)獲得了廣泛應(yīng)用，例如晉城煤業(yè)集團(tuán)、潞安礦務(wù)局、淮北礦務(wù)局等。
    運(yùn)用普傳變頻器對帶式輸送機(jī)的驅(qū)動進(jìn)行改造，將給用戶帶來很大的社會和經(jīng)濟(jì)效益：第一，真正實現(xiàn)了帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的軟起動。運(yùn)用普傳變頻器對帶式輸送機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，運(yùn)用普傳變頻器的軟起動功能，將電機(jī)的軟起動和皮帶機(jī)的軟起動合二為一，通過電機(jī)的慢速起動，帶動皮帶機(jī)緩慢起動，將皮帶內(nèi)部貯存的能量緩慢釋放，使皮帶機(jī)在起動過程中形成的張力波極小，幾乎對皮帶不造成損害。第二，實現(xiàn)皮帶機(jī)多電機(jī)驅(qū)動時的功率平衡。應(yīng)用普傳變頻器對皮帶機(jī)進(jìn)行驅(qū)動時，一般采用一拖一控制，當(dāng)多電機(jī)驅(qū)動時，采用主從控制，實現(xiàn)功率平衡。在晉城煤業(yè)集團(tuán)王臺二號井順槽皮帶為2×200KW/660V電機(jī)驅(qū)動，采有主從控制后，輕載時主從電機(jī)電流相差5A左右，滿載時相差2A左右。第三，降低皮帶帶強(qiáng)。采用普傳變頻器驅(qū)動之后，由于普傳變頻器的起動時間可在1S～3600S可調(diào)，通常皮帶機(jī)起動時間在60S～200S內(nèi)根據(jù)現(xiàn)場設(shè)定，皮帶機(jī)的起動時間延長，大大降低對皮帶帶強(qiáng)的要求，降低設(shè)備初期投資。第四，降低設(shè)備的維護(hù)量。普傳變頻器是一種電子器件的集成，它將機(jī)械的壽命轉(zhuǎn)化為電子的壽命，壽命很長，大大降低設(shè)備維護(hù)量。同時，利用普傳變頻器的軟起動功能實現(xiàn)帶式輸送機(jī)的軟起動，起動過程中對機(jī)械基本無沖擊，也大大減少了皮帶機(jī)系統(tǒng)機(jī)械部份的檢修量。如晉城煤業(yè)集團(tuán)王臺二號井順槽皮帶采用普傳變頻器驅(qū)動后，僅皮帶扣一項年節(jié)約費用就達(dá)一萬多元。第五，節(jié)能。在皮帶機(jī)上采用變頻驅(qū)動后的節(jié)能效果主要體現(xiàn)在系統(tǒng)功率因數(shù)和系統(tǒng)效率兩個方面。 1、 提高系統(tǒng)功率因數(shù) 通常情況下，煤礦用電機(jī)在設(shè)計過程中放的裕量比較大，工作時絕大部分不能滿載運(yùn)行，電機(jī)工作于滿電壓、滿速度而負(fù)載經(jīng)常很小，也有部分時間空載運(yùn)行。由電機(jī)設(shè)計和運(yùn)行特性知道，電機(jī)只有在接近滿載時才是高、功率因數(shù)最佳，輕載時降低，造成不必要的電能損失。這是因為當(dāng)輕載時，定子電流有功分量很小，主要是勵磁的無功分量，因此功率因數(shù)很低。采用普傳變頻器驅(qū)動后，在整個過程中功率因數(shù)達(dá)0.9以上，大大節(jié)省了無功功率。 2、 提高系統(tǒng)效率采用普傳變頻器驅(qū)動之后，電機(jī)與減速器之間是直接硬聯(lián)接，中間減少了液力偶合器這個環(huán)節(jié)。而液力偶合器本身的傳遞效率是不高的，并且液力偶合器主要是通過液體來傳動，而液體的傳動效率比直接硬聯(lián)接的傳動效率要低許多，因而采用普傳變頻器驅(qū)動后，系統(tǒng)總的傳遞效率要比液力偶合器驅(qū)動的效率要高5%～10%。另外，礦井通常離變電站距離較遠(yuǎn)，不同時段電壓波動較大，利用普傳變頻器的自動穩(wěn)壓功能，也有部份節(jié)能作用。綜上所述，采用普傳變頻器這種技術(shù)來改造傳統(tǒng)的帶式輸送機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，不僅在技術(shù)的*性還是帶來的社會及經(jīng)濟(jì)效益方面都是巨大的，隨著社會的發(fā)展，最終在帶式輸送機(jī)的驅(qū)動上普傳變頻器將取代液力偶合器的主導(dǎo)地位，在晉城煤業(yè)集團(tuán)、潞安、淮北礦業(yè)集團(tuán)的大量應(yīng)用案例已證明了這一點。目前，在煤礦皮帶機(jī)尤其在主井皮帶機(jī)提升上有過成功案例應(yīng)用的廠家就成都佳靈和德國西門子兩家公司。二、礦井提升礦井提升設(shè)備是沿井筒提升煤炭、礦石、升降人員和設(shè)備、下放材料的大型機(jī)械設(shè)備。它是礦山井下生產(chǎn)系統(tǒng)和地面工業(yè)廣場相聯(lián)接的樞紐，是礦山運(yùn)輸?shù)难屎?，因此，礦井提升設(shè)備在礦井生產(chǎn)的全過程中占著極其重要的地位，其安全可靠尤為突出。在礦井生產(chǎn)過程中，如果提升設(shè)備出了故障，必然造成停產(chǎn)。輕者，影響煤炭產(chǎn)量，重者，則會危及人身安全。此外，礦井提升設(shè)備是一大型的綜合機(jī)械——電氣設(shè)備，其成本和耗電量比較高，所以，在新礦井的設(shè)計和老礦井的改建設(shè)計中，確定合理的提升系統(tǒng)時，必須經(jīng)過多方面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，結(jié)合礦井的具體條件，保證提升設(shè)備在選型和運(yùn)轉(zhuǎn)兩個方面都是合理的，即要求礦井提升設(shè)備具有經(jīng)濟(jì)性。傳統(tǒng)的提升系統(tǒng)中，電機(jī)的調(diào)速方式為電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻分級調(diào)速。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻分級調(diào)速的方式其弊端越來越明顯：第一、 控制精度差。采用電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，屬于有級調(diào)速，在不同速度段的切換中存在速度跳躍，其控制比較粗糙，定位不準(zhǔn)確。第二、 工作可靠性不高。由于在電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)串接的電阻很多，而在分段調(diào)速過程中通常采用接觸器短接上一級電阻，接觸器的壽命主要體現(xiàn)在它的機(jī)械部份的壽命，機(jī)械部分的壽命比電子式的壽命要短許多，有時因電流過大，致使接觸器的觸點粘在一起，無法實現(xiàn)切換，從而造成超速等事故發(fā)生，嚴(yán)重影響系統(tǒng)工作的可靠性。第三、 維護(hù)工作量大。由于采用接觸器對電阻進(jìn)行分段切換，因此必須經(jīng)常對接觸器進(jìn)行維護(hù)，大大增加了維護(hù)人員的工作強(qiáng)度。第四、 耗能。電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速是一種轉(zhuǎn)差功率消耗型的調(diào)速方式，在整個調(diào)速過程中，大量的電能被消耗在電阻上，非常不經(jīng)濟(jì)。第五、 穩(wěn)定性較差。電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，當(dāng)在低速段運(yùn)行時，穩(wěn)定性差。因為轉(zhuǎn)速越低，特性越軟，負(fù)載轉(zhuǎn)矩波動時，引起的轉(zhuǎn)速變化越大，使運(yùn)行穩(wěn)定性差。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和變頻技術(shù)的成熟，國家明文規(guī)定，在提升較車系統(tǒng)中，推薦使用交流變頻調(diào)速器。采用交流變頻大調(diào)速器對提升絞車進(jìn)行驅(qū)動具有如下優(yōu)勢：第一， 控制精度高。通常普傳變頻器都采用磁通矢量控制，使得交流電機(jī)的調(diào)速性能與直流電機(jī)幾乎相等，控制精度非常高。第二， 工作可靠性高。普傳變頻器采用的是電子器件，壽命長，且具有完善的保護(hù)功能，用于提升絞車控制時，其可靠性很高。第三， 基本無維護(hù)工作量，減低了維護(hù)人員的工作強(qiáng)度。第四， 調(diào)速范圍寬廣，屬于無級調(diào)速，低速時穩(wěn)定性好。第五， 節(jié)能。普傳變頻器屬于轉(zhuǎn)差功率不變型的調(diào)速方式，在整個調(diào)速過程中其節(jié)能方式表現(xiàn)為兩個方面： 1、 提升狀態(tài)的節(jié)能當(dāng)提升絞車處于向上提升狀態(tài)時，電機(jī)工作于電動狀態(tài)，由于提升絞車屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其轉(zhuǎn)速降低多大比例節(jié)能就為多大比例。 2、 下放狀態(tài)當(dāng)提升絞車處于下放狀態(tài)時，此時電機(jī)工作于發(fā)電狀態(tài)，將勢能轉(zhuǎn)化為電能。如果普傳變頻器采用的是能量回饋型普傳變頻器，普傳變頻器將會把這種電能回饋回電網(wǎng)。西山焦煤集團(tuán)西銘礦一臺無極繩絞車采用變頻改造后，其節(jié)能效果達(dá)30%左右。此普傳變頻器為能耗制動型，如果采用能量回饋型，其節(jié)能效果將更好。煤礦企業(yè)中有許多提升絞車，采用變頻改造后，其節(jié)能效果將十分明顯，現(xiàn)在，許多新上的絞車系統(tǒng)均已采用變頻驅(qū)動。三、 乳化液泵站乳化液泵站主要為液壓支架提供恒定的液體壓力。平時液壓支架基本不動，但乳化液泵仍長時工作，耗能巨大。如果采用變頻驅(qū)動，采用壓力傳感器形成閉環(huán)恒壓控制，當(dāng)移動液壓支架時，乳化液泵提高液體流量，維持變力不變；當(dāng)不移動液壓支架時，乳化液泵提供小流量液體維持壓力不變，實現(xiàn)恒壓控制。采用普傳變頻器驅(qū)動乳化液泵，節(jié)能效果明顯。山東淄博礦務(wù)局埠村煤礦井下一臺55KW/660V普傳變頻器用于乳化液泵，經(jīng)測算，其節(jié)能效果達(dá)50%左右。另外，采用普傳變頻器之后，降低了電機(jī)和泵的轉(zhuǎn)速，對機(jī)械部份的磨損將減小許多，延長了設(shè)備檢修期。另外，在部分煤礦，主扇也已采用了變頻技術(shù)，例如寧夏煤業(yè)集團(tuán)等，但目前普傳變頻器在煤礦的應(yīng)用主要還是集中在皮帶機(jī)和絞車上。