变频器在煤矿皮带机中的应用

2015-03-20武宁

机械管理开发 2015年6期

武宁

（山西阳煤集团寿阳开元矿业有限责任公司，山西阳泉 045000）

引言

在煤矿正常生产中，电能消耗很大，电费在运行成本中占很大的比重。其中通风、提升、排水、压气、运输等设备的电能消耗占2／3以上，有很大一部分电能被白白浪费掉［1］。因为在设计时电气设备都留有裕量，但是在实际运行中很少能达到固定的负荷。此外，为了在固定的工况点运行，采用固定的调节措施来维持正常运行，例如串电阻调节电流等，很大部分电能就被调节器浪费掉。煤矿运输设备是煤矿正常生产的前提，而运输设备的核心是皮带机。由于煤的密度的不均匀性，使皮带机上的负荷也不均匀。若长时间处在欠载状态导致无功功率增加，则会导致电机发热严重，产生较大的谐波，影响其他电器设备的运行。由于传统的皮带机电机在调速时多采用串电阻调速，导致在电阻上损耗了大部分电能，而且还不能实现无级调速，所以在现代化矿井中进行了改造，通过变频器实现对电机的控制，这也有利于自动化的实现。

1 变频器的工作原理

变频器的核心变频技术是微电子技术和电力电子技术的结合体。变频的实现过程是，当电机发出变频信号之后，控制电路控制整流桥正常工作，将工频交流电转化为直流电，然后控制电路控制逆变桥工作，将直流电转化为特定频率的交流电。交流电的频率可以通过控制逆变桥的工作频率来实现。以上介绍的是交直交变频技术，原理简图如图1所示。由于现在要求频率变化范围比较大，不采用交交变频技术。

图1 变频器工作原理示意图

电机转速和频率公式为：n＝60×f×（1－s）／p。其中f为电源频率；s为电动机转差率，p为电机的极对数。电机型号确定后，电动机转速与电源频率成正比。所以改变电源频率即可改变转速n。根据转速和频率的公式可知，通过改变频率可以实现电机的无级调速。变频调速是一种理想的调速方式。

2 变频器在皮带机上的应用

在皮带机上的变频器改造前和改造后有着明显的区别。在改造之前，电机和电网直接相连，在改造之后电机通过变频器和电网相连。经过变频改造之后，皮带机系统有以下优点：

1）实现皮带机的软起动和软停车。在启动时，变频器可以通过调节频率使皮带机以一个较低的转速启动，逐渐过渡到正常工作状态，减少了对电机转子的冲击。在停止的时候，可以控制变频器逐渐降低电源的频率，使电机平滑地停止运行并减少对电网的冲击。

2）降低了皮带强度的要求。采用变频器之后，由于启动变得平稳，减少了启动过程中对皮带强度的要求。

3）降低了设备的维护量。在实际应用过程中，由于降低了起动冲击，皮带机机械系统的设备损耗也随之降低，减少了皮带机机械部分的检修量，使托辊及滚筒的寿命成倍的延长［2］。

4）节能效果明显。通常情况下，煤矿皮带机在设计时留有很大的裕量。然而由于在装煤时煤量或煤的密度存在差异，使得大部分时间内电机不能在额定功率内运行，产生大量的无功功率，造成电机发热，严重影响电机的寿命。经过变频改造以后，在适当的时间内调整电机的工作状态，可以使电机处在最佳工况点工作。使用变频器之后，系统运行更加平稳，增加了设备的使用寿命，特别是皮带的使用寿命。

煤矿皮带机变频器具有以下几个特点：第一，技术指标高。启动转矩在2倍以上，能在150%额定电流以上连续运行；运行速度曲线成S形，加减速平滑；实现四象限运行，解决能量回馈；数字控制功能完善；第二，散热性能好。由于变频器工作时的功率很大，发热量很严重，而在煤矿井下，设备都在防爆柜中进行，因此，其对散热性能的要求相对较高。这就要求设备稳定性能好。由于在煤矿井大功率设备很多，在运行时会有大量的谐波注入电网中，故变频器在工作时输入的电压含有一定量的高次谐波，变频的关键电子元件能否在有谐波的情况下正常工作，而且在输出时能否将谐波过滤掉，也是个棘手的问题。

3 采用变频器后的经济效益分析

煤矿皮带机额定容量为800kW，在没有采用变频器前，每天的耗电量为16 320kW·h，采用变频器后，实测皮带机每天的耗电量是11 750kW·h，日耗电量节约为：16 320kW·h－11 750kW·h＝4 570kW·h，节电率为：4 570kW·h／16 320kW·h＝28%，企业用电为每度电1元，则年耗电量节约：4 570×320×1＝146.24万元。

从计算可以看出，每年节省的电能就是一笔不小的收入，在经过改造后，1～2年的时间即可将改造的成本收回。经过变频改造设备的使用寿命和无故障工作时间明显增加，减少了设备的运行成本。