基于变频技术的煤矿机电设备应用分析

马修成

摘要:变频技术具有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。对变频技术的基本原理和发展进行了了阐述。对变频器在流体负荷设备、机械动力负荷设备中的应用进行了分析。

关键词:变频技术;机电设备;应用

矿井(露天矿)各个生产系统的用电占到矿井企业用电量的70%～90%。对矿井提升机、空压机、采掘机等动力负荷变化较大的机电设备在启动、加减速、制动和设备维护等方面的浪费也是非常巨大的。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 变频技术的基本原理和发展

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 变频技术在我国煤矿机电设备中应用分析

2.1 变频技术在机械动力负荷设备中的应用

变频技术的发展和运用使煤矿节支增效进入了一个新阶段。

2.1.1 普通变频器在煤矿机电设备中的应用

普通变频器在煤矿其他生产领域运用更加普遍,其功能除降耗节能之外,也注重向系统控制的灵活性,智能化,远程控制,简单易操作等方向发展。东庞煤矿对洗煤厂给煤机进行了技术改造,采用变频驱动的方案取代传统的手动闸门控制方案,选择了西门子MicroMaster440全新一代模块化设计的多功能标准变频器,系统具有标准参数结构,标准调试软件;有数字量输入,模拟量输入/输出,继电器输出;采用集成RS485通讯接口,同时用户界面友好,安装、操作和控制灵活方便。肥城矿业集团白庄煤矿联合山东科技大学对空压机电控系统进行了变频节能改造,采用1台ACS800-160变频器轮换去驱动2台空气压缩机,通过检测储气罐压力,实现系统的压力闭环控制,自动调节空气压缩机的转速和空气压缩机的运转台数,实现了空压系统平稳高效工作。

因此,变频技术在我国矿山机电设备中还有很大的发展空间,矿山中大小机电设备种类繁多,能解决好变频器与这些设备的匹配问题,就能得到更广泛的推广。

2.1.2 交流四象限变频器在煤矿机电设备中的应用

采掘设备中提升机、输送机、电铲等机电设备的频繁调速、起停,要求变频器能四象限工作。四象限变频器将整流电路由原来的全波整流桥改为由IPM(智能功率模块)构成的可控整流桥,当电机处于电动状态时,四象限变频器的控制与两象限变频器的工作是完全一样的,当电机处于发电状态时,四象限变频器中原来的逆变电路将作为整流电路工作,而原来的整流电路则作为逆变电路工作,达到将电机产生的电量回馈到电网的目的。

在采煤机中的应用目前,采煤机变频调速系统已从“一拖二”发展到“一拖一”,我国能量回馈型四象限运行的交流变频调速采煤技术处于世界领先水平,国产电牵引采煤机行走功率最大2×110KW,变频器电压380V,能够实现额定转速下恒定转矩调速,额定转速以上恒定功率调速及两台变频器之间的主从控制和转矩平衡。太原矿山机器集团生产的MGTY300/730-1。1D电牵引采煤机使用了回馈制动的四象限变频器,在开滦集团范各庄矿进行了应用,采区的倾角为12°-18°,局部达到25°-30°,从现场运行情况来看,四象限变频器调速电牵引采煤机对大倾角工作面能较大范围内调节制动力矩,维持牵引速度基本不变,机器没有发生下滑跑车的现象,结构简单、控制灵活、操作方便、速度调节可靠。

在提升机中的应用。新柏煤矿公司选用交流四象限变频调速系统是变频防爆提升机,这是西北矿区首家选用交流四象限变频调速技术的企业,系统采用无速度传感器矢量控制方式,四象限运行,设有过压、欠压、过流、电机缺相等保护。风光提升机变频器作为提升机专用变频器已有数百台应用于各大矿山,JD-BP32-185P型提升机变频器就是其中的代表,系统实现全数字化控制,设计有专门的控制软件,同时具有很高的兼容性,提供了完善的输入输出接口电路,能够实现远程控制。

在胶带输送机和电铲中的应用。采用四象限变频调速技术后,解决了采用液力耦合器装置时下行运输皮带机在启动、运行、制动中形成的电机失控。变频器随时将电机产生的负力回馈到电网中,减少发热损耗,解决了机械系统及电气系统的冲击问题,延长了设备的使用寿命。电铲(挖掘机)是露天矿山用于装载矿、岩石的大型设备,其工作条件非常恶劣,特别是在爆破不好的情况下挖根底作业,经常出现过大的冲击载荷,甚至堵转。

上世纪90年代后期,我国有个别矿山从美国B-E公司引进了变频器-鼠笼型电动机系统,系统的机械特性曲线的包络面积大,四象限运行,能快速地进行加、减速、反转和制动。

2.2 变频调速技术在流体负荷设备中的应用

为保证矿井生产正常进行,泵和风机的设计都留有足够的余量,老式流速调节多采用截流方式,生产效率较低。我国几十个大型煤矿集团公司现有主排水泵5000多台,其年排水电耗约为30亿kWh,占矿井总用电量的30%左右。因此,变频技术在我国矿用通风机、泵的改造和新设备的配备中大有作为。

2.2.1 风机中变频调速的应用

我国煤矿风机已有为煤矿特殊环境专门设计的变频调速装置。如杨村矿南风井在风机改造中,将原来JRQ-1510-10型高压绕阻式电机换为JS157-10型低压鼠笼式电动机,用一台变频器控制两台电机。改造后,实际转速较改进前最低转速下降了70r/min,电机实际输出功率为改进前前导器半关闭时的1/3,风量和风压更加适合矿井特性,每年可节约电费约56万元。某矿经过科研攻关,研制了ZJT-30型隔爆兼本安智能变频调速系统,采取IGBT散热方式,工作电压为660V,可带动28kW局部通风机,实现了载波频率调整(2-50Hz)功能、风电和瓦斯闭锁功能、过流短路保护功能、超温断电功能及远程和实地控制功能,其性能达到防爆标准,为我国矿山巷道掘进的节能提供了有效手段。

2.2.2 泵中采用变频调速的应用

中国矿业大学宋杰等人,利用变频器和PLC控制器,设计了一套煤矿井下排水泵站的监控系统,该系统中变频器灵活的控制抽水泵的平滑起停、适时加减速,保证了井下液位的恒定,降低了泵空转时间和频繁起停带来的大量能耗,机械设备的损耗也相应降低,PLC控制器的加入,对变频器的自动控制更加智能与灵活,保证了生产的安全高效运行。

孔庄选煤厂在合格介质泵上安装变频器,通过在线调节水泵的转速来调节重介旋流器的入料压力,降低了因启动电流过大造成的电耗增加,减少频繁开停车避免了变压器跳电,提高了产品质量,生产实践表明,因引进变频调速技术该选煤厂每年单新增精煤创收约216万元。

结论

变频技术在矿山机电设备中应用越来越多,但应用还不普及,变频技术在我国矿山机电设备中还有很大的发展空间。变频技术在我国矿山机电设备应用中具有推广面较广、需求量大、专业化强、多功能、网络化的更新等特点。

参考文献

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