现代电力电子技术在煤矿电气的应用研究

褚秀荣

【摘 要】煤炭行业的电力消耗量约占总能耗的67%。现国有统配煤矿基本实现了机械化，但电气化仍较落后。从电气传动技术及其装备水平看，工业技术先进国家的电力拖动系统中，采用变频调速技术已达到70%～80%，而我国不足10%，煤矿的应用水平则更低。而矿井的电能消耗中，电机消耗的电能占了近90%。该文介绍电力电子技术的发展和应用前景，通过在煤炭企业的应用实例，论述了煤炭企业电力电子技术的推广应用可以节约一定的电能。

【关键词】电力电子；技术煤矿；节能

1.现代电力电子技术在煤矿电气的应用

传动系统中的应用国际上，技术先进的产煤国家，井下使用现代电力电子技术和装备已相当广泛。如调速变频电牵引采煤机，风机、水泵、提升机等矿用设备调速系统；原不调速系统实现变频调速；原直流调速系统正被交流变频调速系统逐步代替。

1.1提高生产工艺流程自动化控制系统智能化水平

电气传动自动化技术是以生产机械的驱动装置—电动机为自动控制对象、以微电子器件（包括微计算机系统）为核心、以电力电子装置为执行机构，在自动控制理论指导下，按给定的规律控制电动机的转速进行自动调节，以满足生产工艺的最佳要求，达到提高效率、降低能耗、提高产品（或系统运行）质量、减少系统环节、降低劳动强度的优化效果。现代变频装置的智能化程度比较高，自身具有很强的保护功能，对于被驱动负载来说，它既是一个功能很强的控制环节，又是很准确的电动执行机构。作为电气传动自动化系统，可称得上是控制和执行器的机电一体化环节。采用此项技术和设备，不但可容易地实现较高性能的单机自动化，而且实现矿井的顺槽自动化控制要简单和容易得多。

1.2提高电气传动系统的机电一体化水平，减小驱动设备占用空间

电气传动系统的机电一体化是现代矿井采、掘、运、提等大型生产装备机电一体化的最重要组成部分，这不但可有效地提高生产工艺流程自动化控制系统智能化水平，而且可有效地减小设备占用空间。由于井下空间有限，限制了装备的体积及使用范围：缩小装备的体积可以有效地减少恫室开挖量，节约投资。随着现代电力电子技术的不断发展和进步，发展无机械齿轮机，技术已日臻成熟，并且已进入实用阶段。如：交流主轴驱动系统、滚筒内装电动机式提升绞车等已投入使用，既减少了机械传动环节系统体积，又有效地提高了整体的传动效率，为矿井电气传动系统改造提供了诱人的新技术前景。

2.现代电力电子技术在电机调速及拖动中的应用

矿井中电机是耗能大户，并且集中在提升机电机通风机电机、主排水泵电机、压缩机电机以及采煤机电机等几个大型电机上，耗能比较集中，因此为实现电力电子技术改造提供了方便。以TKD和JKMK系列提升机电控系统为主的交流提升电控系统在我国使用最为普遍，这些控制系统都是采用转子附加电阻来调速的。由于交流提升机在减速段机械特性软调速性能较差，后来又出现直流调速提升机，由于在开始发展直流控制系统时电力电子技术特别是大功率电力电子元件及控制模块还不是很成熟，因此这种直流调速方案主要采用F—D系统（直流发电机拖动直流电动机）。这种系统中拖动发电机的电动机除了检修以外，一般停机，因此电能浪费严重，以某矿副井提升机为例：该矿副井提升机采用的是直流F—D直流拖动系统，提升电机的功率是1250kw，为其提供直流电源的是功率为1450kw的直流发电机，拖动发电机的是功率为1600kw的交流同步电动机，在提升机进行电力电子技术改造前每个月的耗电量在40—45万kw·h之间。除此之外，整个控制系统仍然采用传统的继电器控制，所有参数也是模拟量，因此控制复杂、故障率高、参数易变、维护量大，每年的维修费用15万元左右，维修时间超过500h。该矿于2004年5月对电控系统进行改造，改造成电力电子整流直流调速系统，整套系统采用进口整流控制柜和PLC控制系统。改造后，每月电量消耗在20万kw·h左右，节能非常明显，两年内节约的电费就收回了项目投资。同时控制系统数字化、模块化，结构紧凑、集成度高、故障率低、维护方便，年维修费用2万元以下，年维修时间200h左右。节能效果良好，经济和社会效益明显。

相对于直流调速系统，交流电机费用低、结构简单、维护方便，因此受到用户的青睐，特别是交流电机的变频调速性能和直流调速基本相似，因此变频调速的发展速度很快，并且有逐步取代直流调速的趋势。交流电机采用变频技术相对直流电机采用直流调速性能基本相似，但是变频技术相对直流调速方案总体经济效益较好，这一点在电梯调速方面的成功应用可以得到验证。

煤炭企业大功率电机直接使用变频调速的难度在于电机的额定电压以6kv为主，应用高压交流电机和高压变频调速的方案目前还没有一个成功应用的例子。随着变频技术的进步，具有内置式PID以及张力卷取软件、速度级链速度跟随以及电流平衡等功能的大功率高压变频器技术的成熟。目前的矿用提升机交流电控系统除了调速性能不理想外其转子串接的加速电阻也消耗部分电能，而且维修量大。

矿用刮板输送机和带式输送机是煤矿生产的重要设备之一，这些设备启动频繁，负荷变化大，目前使用的启动设备大多数采用普通磁力启动器配液压联轴器，启动效果不很理想，同时也无法达到节能效果。随着隔爆型变频器技术的成熟，矿用运输设备采用变频器是完全可行的，而且可以同时达到节能和软启动的目的。但是隔爆型变频器造价高，推广起来有一定的难度，不过现在国内有的企业通过和国外技术合作、引进或自制研制成功了隔爆型节能软启动开关，这种开关造价比变频器低，还可以通过调整输出电压来达到节能的目的，在目前条件下，这种开关还是值得推广的。

3.现代电力电子技术的其它应用

煤炭企业一般距离市区较远，因此煤矿的工人村都有相对对立的物业管理体系，例如必须具备对立的供水系统。现在大多数矿山工人采用的都是定时供水制，只在规定的时间内供水，供水的时候，就是用水的高峰期，每个用户还要用容器存一部分水备用，实际上并不一定能用完，长流水的地方也比较多，因此造成水资源和电能的浪费。另外，由于用水集中，为了保证有足够的水压，供水的水泵和电机都比较大，因此也造成了设备资源的浪费。全自动无塔变频供水装置这项技术在全国推广使用已经好几年了，这项技术投资少，自动化程度高，同时还可以达到节水节能的目的，但是在煤炭企业应用还不是太广泛，还没有认识到其优势。某矿工人原来使用的也是定时供水制，自从改造成全动无塔变频供水以后，节约水资源10%以上，节约电能15%以上，而且还可以保证全天候供水，方便了居民生活，经济和社会都很好。

我国于1996年正式启动绿色照明计划，绿色照明计划的关键就是利用电力电子技术开发节能光源和节能灯具。煤矿井下大量使用照明，目前矿井使用的照明设备以普通荧光灯白炽，因此大规模推广使用节能灯具有着重要意义。以百万吨矿井生产照明用电容量为50kw计算时，推行节能技术可以节约电量15%，全国年产原煤12亿t，年节约电量近80GW时，细算起来是一个不小的数字。但是，我国在开发成本低、电磁污染低、可靠性高的性能先进的电子整流器方面，特别是能适应煤矿井下恶劣条件的先进节能灯具技术还不是很成熟。

4.结论

电机是感性负载，功率因数低，负载变化大，节能的空间很大。节能的关键在于先进的节能设备的使用或对现有设备的技术改造。电机类负荷的节能方法主要是电力电子器件，而我国煤炭企业在电力电子技术的应用不仅无法和国外先进水平相比，即使和国内其他行业相比也落后很多。因此，煤炭企业电力电子技术的改造应用具有广阔的前景和良好的经济效益。