变频调速技术在矿山中的应用

张燕青

(西山煤电集团公司屯兰矿)

变频调速技术在矿山中的应用

张燕青①

(西山煤电集团公司屯兰矿)

介绍了变频器在矿山中的应用,如变频调速技术应用于矿井提升机、空压机、通风机等,论述了选择变频器的注意事项,指出变频调速技术在矿山中的应用对于提高矿山生产设备的效率,节约电能都是至关重要的。

变频调速技术;矿山;变频器;应用

1 变频器在矿山中的应用

1.1 变频调速技术在矿井提升机中的应用

矿井提升机是矿山运输的主要设备。它是用一定的装备沿井筒运出矿石、废石、升降人员及材料、设备等运输环节。矿井提升设备按井筒倾角可分为竖井提升设备和斜井提升设备;按提升容器可分为罐笼提升机和箕斗提升机等;按提升用途可分为主提升机、副井提升机和辅助提升机。

矿井提升是地下矿山生产的咽喉,所以,无论哪种提升机,对电气传动的要求都很高,因为电气传动系统性能的优劣,可靠性的高低,都直接关系到矿山生产的效率和矿山生产的正常进行。对矿井提升机电气传动系统的要求是:有良好的调速性能,调速精度高,四象限运行,能快速进行正、反转运行,动态响应速度快,有准确的制动和定位功能,可靠性要求高等。

目前,我国地下矿山矿井提升机的电气传动系统主要有:对于大型矿井提升机,主要采用直流传动系统,有采用直流电动机-直流发电机系统和晶闸管变流器—直流电动机系统。这两种系统都存在着直流电动机固有的缺点,如效率不高,维修工作量较大等;对于中、小型提升机,则多采用交流电气传动系统,如采用交流绕线式电动机,使用电机转子切换电阻调速,这种电气传动系统虽然设备简单,但它是有级调速,调速性能差,效率低,大量的电能消耗在电动机转子电阻上,而且可靠性也差。

将变频调速技术应用于矿井提升机是矿井提升机电气传动系统的发展方向。我国已有几台大型矿井提升机采用交—交变频调速系统,取得了很好的效果,但其缺点是功率因数低,谐波大,需加谐波和功率因数补偿装置。随着变频调速技术的发展,交—直—交电压型变频调速技术已开始在矿井提升机中应用。例如国外已有矿山将有源前端三电平变频器应用于矿井提升机上,采用这种变频调速的交流提升机可以克服直流调速系统和交—交变频调速系统的缺点,是提升机电气传动的发展方向。对于小型交流提升机已有成功应用变频器的实例。

1.2 变频调速技术在空压机中的应用

空气压缩机是矿山生产的重要设备之一,它生产压缩空气,用以带动风动凿岩机、风动装岩机等设备以及其它风动工具,其耗电量在矿山总耗电量中占有相当大的比重。分析空气压缩机的电能消耗情况,找出节能潜力,实现空气压缩机的节能运行,将会降低矿山生产成本,提高其经济效益。现以凡口铅锌矿为例说明:

凡口铅锌矿坑口空压机站共有6台空气压缩机,其中4台为日本日立空气压缩机,2台国产空气压缩机(活塞式空气压缩机)。6台空气压缩机采用并联运行方式。一般情况下,只运行2～3台(其中一台国产空气压缩机)其余的空气压缩机作为备用。4台日本日立空压机采用的是多级压力节流进气控制方式:即当压力低于6.2 MPa时,打开全部进气阀,压缩机组以100%负荷率状态运行;当压力达到6.2～6.5MPa时关闭隙阀,压缩机组以75%负荷率运行;当压力达到6.8～7 MPa时,关闭一个进气阀,压缩机组以50%负荷率运行,当压力达到7 MPa时关闭所有进气阀,压缩机组进入空载运行状态。由于活塞式空气压缩机的起、停有着严格的规程,不允许频繁起停。为了满足井下用气量的变化,一般由调度人员根据井下用气量的时间变化特点,把一天分为几个时段,每一个时段需要开的空压机台数由该时段内最大用气量决定。在该时段内,空压机不允许增开或停开(特殊情况除外)。金属矿山的空压机站多采用这种方式,但这种控制方式显然存在较大的缺点:

a)据统计,压缩机组75%负荷运行率为41%, 50%负荷运行率为14%。无论空气压缩机是处于75%、50%还是空载运转状态,管网压力较正常供气压力要高,井下用气量很显然要小于供气量,而这时各台空气压缩机仍然全速生产压缩空气,带来了不必要的电能浪费。

b)精度低,在某一进风量工作状态下压力波动大,特别在生产用风量变化频繁时期内(用风量大且变化频繁),不能稳定风压。

c)阀门动作值在一次整定后经常会变,有时会使整个压风系统工作压力偏高,增大了单位压风量的功耗。

d)当空压机运行在75%、50%进气量的工作状态下,进气流速增大,造成进气过程压风量的损失,降低了压风机的效率。

因此,通过对现有的调节方式进行改进,节约了电能,提高了空压机的运行效率。为活塞式空气压缩机的节能运行提供了重要的新手段,对于企业节能降耗,提高企业经济效益有重要意义,有广阔的推广应用前景。

1.3 变频调速技术在矿井通风机中的应用

矿井通风机是矿山生产的主要用电设备之一,其节能运行在矿山节电中占有重要的地位。矿井通风机一般采用异步电机或同步电机拖动,恒速运转,一般容量大,电机供电电压高(6 kV～10 kV)。

矿山建设的特点是:巷道逐年加深,产量逐年增加,所需的通风量逐年上升。但矿井通风机在设计选型时,往往是按最大开采量时所需的风量为依据的,一般都留有余量,因此,矿井在投产后几年甚至十几年内,矿井通风机都是处在低负载下运行。此外,通常矿山井下作业不均衡,一般夜班工作人员少,所需风量也小,在节假日时,只有泵房等固定的井下场所的值班人员工作。尽管井下人员少,但也得照常向井下送风,矿井通风机一般不调节风量,若要调节风量时,传统的方法是调节档板。这种办法虽然简单,但从节能的观点看,不经济。

1.4 同步电机直接高压变频器

同步电机高压变频器主要有两类,他控式变频调速系统和自控式变频调速系统。他控式变频调速系统所用的变频装置是独立的,其输出频率直接由速度给定信号决定,属速度开环控制。自控式变频调速系统可以使同步电机不存在失步和振荡等问题,所以一般都采用自控式运行。这种同步电机直接高压变频调速装置是采用交-直-交电流型变频调速系统,属自控式变频调速系统,它由变频器、同步电机、转子位置检测器以及控制系统组成。变频器主电路采用晶闸管串联组成的高压阀串作为功率元件,利用同步电机的反电势来关断逆变器的晶闸管,它没有强迫换流电路,因而主电路结构简单。

2 选择变频器应注意的事项

变频器,特别是高压变频器价格昂贵,如选择不当,达不到节电和提高生产效率的目的,以致造成浪费和不必要的损失。

2.1 根据工艺要求选择变频器

1)电机调速虽是风机、水泵节能的有效途径,但并非凡是风机、水泵都能采用调速节电。对于工艺参数基本稳定,不需要调速的风机、水泵可以采用高效节能电机和高效节能风机,以提高系统效率。对于已建成而配置不合理的风机可以通过采用更换电机,调节叶片角度等方法达到节电的目的。选择调速节能时应注意:风机、水泵的转速变化范围不宜太大,通常最低转速不少于额定转速的50%,一般调速范围在100%～70%为宜,因为当转速低于额定转速的40%～50%时,风机、水泵本身的效率明显下降,是不经济的;调速范围确定时,应注意避开机组的机械临界共振转速,否则调速至该谐振频率时,将可能损坏机组。

2)进行可行性分析。在选择变频调速设备以后,应从提高效率或提高产品质量的需要情况,从节约电能的情况进行分析、计算,并与变频器的投资进行比较,计算出变频器的投资回收期。一般来说,从节约的电费或从提高产品质量、提高效率等方面所得的收益中,在两年内偿还变频器的投资,认为是可行的。同时分析外部条件是否满足变频器的使用要求。

3)变频器的可靠性。变频器的可靠性如何,直接决定了变频器能否成功地应用于生产。这是选择变频器的首要条件。

4)根据生产厂家提供的技术规格和技术参数来选择变频器在按工艺要求、电源条件、场地及容量等选择了变频器方案后,再选择高压变频器。在选择变频器时可以根据厂家提供的产品样本等技术资料及报价表来选择。

2.2 技术规格和技术参数

1)型号。通过对型号和规格的了解,可以确认该厂家生产的品种。

2)效率。变频器效率的高低,直接关系到变频器调速节能的多少,因为在变频器运行时,变频器本体也要消耗一部分电能。一般来说直接高压变频器的效率都可达到0.97～0.98,而高-低-高式高压变频器由于多一个变压器的损耗,使其系统效率有所降低。

3)功率因数。在整个调速范围内,功率因数的变化是一项重要指标。最好是在整个调速范围内功率因数都保持在0.95以上,以使其符合国家标准GB3485 -83的标准,这只有电压型变频器和IGBT单相变频器串联的高压变频器能够满足此项规定。而电流型变频器较难满足这项要求。

4)谐波。国家对电网谐波有严格要求。限制用户非线性谐波设备注入电网的谐波电流,是限制电网电压正弦波畸变的关键。所用的高压变频器的谐波(即装置对电网产生的谐波)必须符合国标GB/T14549 -93“电能质量、公用电网谐波”的规定,在国际上要符合IEEE-519标准的规定。对于电流型变频器如采用六脉冲整流,则5次、7次谐波都超过了这个标准,应采用12脉冲整流或附加谐波补偿措施。

5)输出容量和额定输出电流。变频器输出容量以kVA或kW表示,它代表可以供给电动机的输出功率。用kW表示时,一般以四极标准电机为基础考虑;用kVA表示,需进行核算。额定输出电流是在额定电压下变频器能够连续输出的电流值。在以输出容量为标准选择了变频器以后,还应对额定输出电流进行核算,以使电动机的额定电流不要超过变频器的额定输出电流。

6)频率范围。由最低使用频率和最高频率定义调速范围。最低使用频率的意思与起动频率不同。起动频率很小时,并不一定能使电机从该频率起动。变频器要对最高频率设定,对风机、水泵的最高频率应设定(即箝位)在50 Hz,所有的变频器都可满足这个要求,在选择变频器时可不作考虑,但使用中需注意。

7)电源容量和允许电压变化范围。供给变频器的电源容量应足够大,电源电压变化范围应在变频器允许的范围。用户在选择变频器时应根据自己电网容量及电网电压的变化情况,对变频器进行选择。曾有一个矿山因电压波动范围超过了变频器的允许范围,而使变频器不能正常应用。

8)保护功能。变频器样本中一般标明其保护功能,这是为了检测出变频器的异常情况和防止外部原因及内部异常对变频器造成损害,保护变频器正常运行和变频器安全可靠。

[1] 君 兰.机电一体化[M].上海:上海科学技术文献出版社,2009:18.

[2] 姜 桥.电子技术基础[M].南京:南京大学出版社,2009:36.

[3] 吴忠智.调速用变频器及配套设备选用指南[M].北京:机械工业出版社,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

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1672-0652(2010)03-0051-03

2010-01-24

张燕青 男 1980年出生 2009年毕业于中北大学 助理工程师 古交 030206