HIVERT高壓變頻器對煤礦行業(yè)的改造

引言
我國煤礦開采僅在2005年即耗能5086.81×10△t標(biāo)準煤,耗電376.04×108kW·h,分別占全國總耗能量和總耗電量的3.86%和3.49%。所以，煤炭工業(yè)既是產(chǎn)能大戶,又是耗能大戶，同時也是節(jié)能潛力大戶。目前我國煤礦行業(yè)存在電機啟動困難、機械損傷嚴重以及自動化程度低等問題迫切需要利用變頻技術(shù)進行節(jié)能降耗。據(jù)統(tǒng)計，按節(jié)電率30%計，采用變頻調(diào)速技術(shù)年節(jié)電潛力至少為10×108～15×108kW·h。所以，利用變頻技術(shù)對現(xiàn)有電機設(shè)備進行節(jié)能改造，是解決我國煤炭工業(yè)高消耗、低效益的措施。

HIVERT高壓變頻器對煤礦現(xiàn)場的改造
1、礦井提升機
作為礦井井下和地面的工作機械，礦井提升機（mine hoist）是一種大型絞車。用鋼絲繩帶動容器（罐籠或箕斗）在煤礦井筒中升降，完成輸送物料和人員的任務(wù)。礦井提升機是由原始的提水工具逐步發(fā)展演變而來?，F(xiàn)代的礦井提升機提升量大，速度高，已發(fā)展成為電子計算機控制的全自動重型礦山機械，如圖一是礦井提升機結(jié)構(gòu)圖，圖二是改造后的礦井提升機工作原理

圖一 礦井提升機結(jié)構(gòu)圖

圖二 改造后的礦井提升機工作原理

未改造的礦井提升機存在工作可靠性低、故障率高、穩(wěn)定性較差、能源消耗大等弊端。經(jīng)過高壓變頻器改造后的礦井提升機的工作步驟如下圖三。

圖三 改造后的礦井提升機的工作步驟

對于改造后的提升機無論正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)其工作過程是相同的，都有起動、加速、高速穩(wěn)定運行、減速、低速爬行、制動停車等六個階段。每完成一次提升動作所用的時間，與系統(tǒng)的運行速度，加速度及斜井的深度有關(guān)。各段加速度的大小，根據(jù)工藝情況確定，運行的時間由操作工人根據(jù)現(xiàn)場的狀況自定。圖中各個階段的工作情況如下：
1） 第一階段 t1：串車車廂在井底工作面裝滿煤后，發(fā)一個聯(lián)絡(luò)信號給井口提升機操作工人，操作工人再回復(fù)一個信號到井底，然后開機提升。重車從井底開始上行，空車同時在井口車場位置開始下行。
2） 第二階段t2：重車起動后，加速到變頻器的頻率為f2速度運行，中速運行的時間較短，只是一過渡段，加速時間內(nèi)設(shè)備如果沒有問題，立即再加速到正常運行速度。
3） 第三階段 t3：重車以變頻器頻率為f2的最大速度穩(wěn)定運行，一般這段過程最長
4） 第四階段 t4：操作工人看到重車快到井口時立即減速，如減速時間設(shè)置較短時，變頻器制動單元和制動電阻起作用，不致因減速過快跳閘。
5） 第五階段 t5：重車減速到低速以變頻器頻率為f1速度低速爬行，便于在規(guī)定的位置停車。
6） 第六階段 t6：快到停車位置時，變頻器立即停車，重車減速到零，操作工人發(fā)一個聯(lián)絡(luò)信號到井下，整個提升過程結(jié)束。
以上為人工操作程序，也可按PLC自動操作程序工作。利用合康HIVERT高壓變頻改造后的提升機工作可靠性提高了。由于變頻器采用的是進口電子器件，壽命長，且具有完善的保護功能，用于提升絞車控制時，其可靠性很高，減少了故障率。通常變頻器都采用磁通矢量控制，使得交流電機的調(diào)速性能控制精度非常高。穩(wěn)定的變頻技術(shù)應(yīng)用使提升機基本無維護工作量，減低了維護人員的工作強度。使用矢量控制系統(tǒng)能夠使調(diào)速范圍寬廣，屬于無級調(diào)速，低速時穩(wěn)定性好。采用變頻器控制提升機后，降低了運行噪聲、發(fā)熱量，改善了現(xiàn)場環(huán)境，而且使能源消耗大大降低。節(jié)能效果顯著，據(jù)實測可達到30%以上。電控系統(tǒng)現(xiàn)場變更控制內(nèi)容十分簡單，安裝調(diào)試容易。自動化程度高，操作簡單，降低司機勞動強度和操作難度。

2、皮帶機
與提升機的用途基本同理，皮帶機也是從井下運送煤到地面。區(qū)別在于皮帶機的功率更大，它的啟動和運行方式為繞線電機經(jīng)轉(zhuǎn)子繞組降壓啟動后工頻運行，經(jīng)液力耦合器切換至皮帶機。圖四是煤層工作原理，圖五是皮帶機現(xiàn)場示意圖。

皮帶機的工作原理是皮帶機通過驅(qū)動輪轂，靠摩擦力牽引皮帶運動，皮帶通過張力變形和摩擦力帶動物體在支撐輥輪上運動。皮帶是彈性儲能材料，在皮帶機停止和運行時都儲存有大量勢能，這就決定了皮帶機啟動時應(yīng)該采用軟啟動的方式。國內(nèi)大多數(shù)煤礦采用液力耦合器來實現(xiàn)皮帶機的軟啟動，在啟動時調(diào)整液力耦合器的機械效率為零，使電機空載啟動。雖然采用了轉(zhuǎn)子串接電阻改善啟動轉(zhuǎn)矩和降壓空載啟動等方法，但電機的啟動電流仍然很大，不僅會引起電網(wǎng)電壓的劇烈波動，還會造成電機內(nèi)部機械沖擊和發(fā)熱等現(xiàn)象。同時采用液力耦合器軟起皮帶時，由于啟動時間短、加載力大容易引起皮帶斷裂和老化，要求皮帶的強度高。加之液力耦合器長時間工作會引起其內(nèi)部油溫升高、金屬部件磨損、泄漏及效率波動等情況發(fā)生，不僅會加大維護難度和成本、污染了環(huán)境，還會使多機驅(qū)動同一皮帶時難以解決功率平均和同步問題。
經(jīng)過變頻技術(shù)改造后皮帶機徹底實現(xiàn)了皮帶輸送機的軟起、軟停運行方式，使皮帶機在工作中更加性能穩(wěn)定。系統(tǒng)的功率因數(shù)在整個過程中達0.9以上，大大節(jié)省了無功功率。采用變頻器驅(qū)動后，使系統(tǒng)總的傳遞效率要比液力偶合器驅(qū)動的效率高5%～10%系統(tǒng)效率。改造后系統(tǒng)可以根據(jù)負載變化情況自動調(diào)整輸出頻率和輸出力矩，改變了以前電機工頻恒速運行的模式，在很大程度上節(jié)約了電力能源消耗。而且四象限中高壓變頻器的使用實現(xiàn)了皮帶機能量回饋功能，進一步使得皮帶機的能耗降低，液力耦合器的退出更大地節(jié)約了設(shè)備的維護和維修費用。在節(jié)能環(huán)保方面更加的完善。

3、煤礦主通風(fēng)機


煤礦主通風(fēng)機是煤礦的四大主要設(shè)備之一，主扇風(fēng)機在煤礦生產(chǎn)中有著重要的地位，作為礦井主通風(fēng)，它每天24h不停地運轉(zhuǎn)，是整個礦井的“呼吸”系統(tǒng)。隨著開采和掘進的不斷延伸，巷道延長，盡管風(fēng)量基本不變，但井下所需的風(fēng)壓要求卻不斷增加，風(fēng)機需用功率也隨之增加。礦井一般按開采各階段中通風(fēng)最困難時期選擇風(fēng)機型號。一般礦山選型時，按實際通風(fēng)參數(shù)配備電機功率，計算方法如下：

N-所需電機功率，系指I，II級電機的總功率（kW）；
Pst－礦井最困難時期總阻力（Pa） ；
Q－礦井最困難時期總風(fēng)量（m3/s）；
ηst－按Pst、Q參數(shù)查本樣本的實際運行工況效率；
K－功率貯備系數(shù)，一般取K＝1.1～1.15。


圖六是煤礦主通風(fēng)機結(jié)構(gòu)示意圖，圖七是煤礦主通風(fēng)機實物圖。

圖六 煤礦主通風(fēng)機結(jié)構(gòu)示意圖

圖七 煤礦主通風(fēng)機實物圖

常規(guī)煤礦通風(fēng)機有“電老虎”之稱，導(dǎo)致電能浪費嚴重。啟動困難，機械損傷嚴重。主扇風(fēng)機采用直接啟動，啟動電流大，對電動機的絕緣有著較大的威脅，嚴重時甚至燒毀電動機。而高壓電動機在啟動過程中所產(chǎn)生的單軸轉(zhuǎn)矩現(xiàn)象使風(fēng)機產(chǎn)生較大的機械振動應(yīng)力，嚴重影響到電動機、風(fēng)機及其它機械的使用壽命。自動化程度低。主扇風(fēng)機依靠人工調(diào)節(jié)檔板，更不具備風(fēng)量的自動實時調(diào)節(jié)功能，自動化程度低。在故障狀態(tài)下，如風(fēng)流短路，將對礦井正常生產(chǎn)造成嚴重影響。
如果變頻器出現(xiàn)了問題，會影響到底下礦工的作業(yè)，甚至影響到人生的安全。所以說這個方面對高壓變頻器的產(chǎn)品質(zhì)量要求非常高。HIVERT高壓變頻器有著很高的穩(wěn)定特性，能夠持續(xù)而且很穩(wěn)定的保持通風(fēng)機的正常運行。
礦用通風(fēng)機采用變頻調(diào)速后，節(jié)約了電能，而且可根據(jù)巷道的風(fēng)量需求方便的進行調(diào)速，避免浪費，應(yīng)用效果是十分理想的。而且變頻節(jié)能運行，節(jié)約了大量能源。由于變頻改造后不再使風(fēng)機一直處于滿負荷工作狀態(tài)。
由于變頻器改造后風(fēng)機可以實現(xiàn)變頻軟起動，避免了起動電流的沖擊，不僅對電網(wǎng)沒有任何沖擊，而且還可以隨時起動或停止。進行變頻改造后，風(fēng)機的大部分工作時間都在較低的速度下運行，因而大大降低了風(fēng)機工作的機械強度和電氣沖擊，將會大大延長風(fēng)機的使用壽命，降低維修強度。
需要注意的是煤礦對旋風(fēng)機變頻調(diào)速后，一般情況下要求兩臺電機的運行頻率盡量一致，從而保證電機轉(zhuǎn)速一致。避免一臺轉(zhuǎn)速高，一臺轉(zhuǎn)速低，形成風(fēng)阻，影響風(fēng)機的正常運行。

結(jié)束語
我國是世界上的產(chǎn)煤大國，也是噸煤電耗比較高的國家。由于技術(shù)、管理、體制等原因，大多數(shù)煤礦的勞動力效率低下，對于我國的煤礦開采業(yè)應(yīng)以可持續(xù)發(fā)展為根本目的。通過許多的實際應(yīng)用案例表明，高壓變頻器應(yīng)用于煤礦系統(tǒng)改造能取得良好的運行效果和經(jīng)濟效益。在國家倡導(dǎo)建設(shè)節(jié)約型社會的大形勢下，煤礦行業(yè)高壓變頻改造正在成為前途光明的朝陽產(chǎn)業(yè)。合康HIVERT高壓變頻器以穩(wěn)定的質(zhì)量和良好的服務(wù)致力于與煤礦行業(yè)加強合作，共創(chuàng)美好的未來。