变频节能技术在煤矿机电设备中的应用分析.docx

变频节能技术在煤矿机电设备中的应用

Summary：中国煤炭储量巨大，煤炭是中国消耗的第一大能源，对中国社会经济发展发挥着重要作用。但是，中国煤炭生产存在着一定的问题，比如能耗较大。煤矿生产能耗大意味着生产成本高，煤炭的价格便需要相应地提高，价格提高会削弱企业竞争力。因此，节能降耗是提高煤矿企业竞争力的重要途径之一，变频技术便是重要的节能技术之一。
Keys：煤矿机电设备；变频技术；节能；提升机；皮带输送机
1变频节能技术概述
变频节能技术是利用变频技术实现节能的。变频技术是基于电力电子器件的一种技术，利用变频技术可以改变电流的频率。中国电网电流的频率为50Hz，利用变频技术可以将交流电变成直流电，或者将直流电变成任意频率的交流电。变频装置由交流电源、整流器、逆变器、控制器和驱动电路等构成，利用变频装置可以改变电机的工作频率，进而使电机处于节能状态运转。而传统电源装置不能够改变电机的工作频率，机电设备始终以一种模式运转，不能够随着工作状况的改变而改变，导致机电设备能耗增大，而且也大大影响到设备寿命。利用变频技术可以根据需要灵活地调整机电设备的工作状态，延长机电设备的使用年限，降低机电设备的功耗，进而降低企业的生产成本，提高企业的竞争力和经济效益。
现在变频器已经广泛应用于煤矿机电设备中，由变频器原理可知：变频器基本的技术路线为“交-直-交”。首先将电网交流电整流成直流电，再利用逆变器将直流电逆变成所需要的交流电。变频技术又包括直接将交流电变换成另一频率的交流电的技术，但是在实际应用中存在着一定的局限性，在煤矿机电设备中几乎没有应用。交-直-交型变频器一般由整流器、滤波器、逆变器和控制器构成。其中，整流器用于将电网电压变换成直流电；滤波器负责滤除整流器输出的直流电压中的谐波；逆变器负责将直流电变换成任意频率的交流电；控制器是整个装置的控制中心，根据采集到的信号向逆变器发出不同的驱动波形，控制逆变器的工作状态。
2煤矿机电设备中变频技术的应用
2.1变频技术在矿井提升机中的应用
2.1.1矿井提升机变频技术的主要原理
矿井提升机的变频调速，主要是通过改变提升机主电机定子侧的供电频率值，从而达到对提升机电机进行调速的目的。无论提升机转速高低，其机械特性基本上与自然机械特性平行，所消耗的转差功率基本维持不变，因此效率相对较高，有着明显的节能效果，并且通过变频调速，其速度曲线的平稳性大大提高[5]。所以在煤矿提升机节能、维修等方面，变频技术的应用都能带来明显的经济效益。目前应用比较广泛的提升机电机拖动系统主要有交-交变频和交-直-交变频两种。其中，交-交变频由于有无功功率消耗，功率因数较低，同时在启动运行中将会产生较大的高次谐波，对矿井电网造成污染，已逐渐被更加节能的交-直-交变频所取代。
在整流电路和逆变电路中间，并联在电容两端有一个电力晶体管V0和能耗电阻R0，当电容电压上升到一定数值时，V0导通，负载的能量就消耗在串联的电阻R0上，从而可以实现电动机调速的功能[3]。AC.交流电流。图%&利用串电阻实现节能的交流变流电路原理图但是，矿井提升机电路系统要求电机频繁地快速启动、加减速等，在传统的变流电路中，通过串联电阻的模式，每一次的加速、减速均需要消耗较大的能量。这种情况下，希望在制动时，能够把电机的动能反馈给电网或者提升系统，而不是直接消耗在串联的电阻负载上。简单地说，矿井提升机交-直-交变频技术主要原理是利用可控变流器实现再生反馈的交流变流，在原有整流和逆变电路系统中增加一套变流电路，并使其工作在有源逆变的状态。当提升机负责回馈能量时，中间直流电压升高，使得整流电路停止工作，而新增的变流电路工作在有源逆变状态，中间电路的电压极性并未改变，但是电流反向，通过该变流电路，原理上可以实现电能反馈回电网。在实际的应用中，为防止对电网造成冲击，一般增加储能装置，从而对这部分反馈回的电能进行利用，以此来达到节能的目的。
2.1.2矿井提升机交-直-交变频技术的应用
在一煤矿立井提升机系统中，其电机拖动系统采用的就是交-直-交变频原理，配备整流柜采用的是高功率的绝缘双极型晶管功率半导体器件，并且通过有源变流柜的设计，可以有效地对提升机电机在每次提升过程中，在加速、减速段产生的能量损耗反馈进行收集，反馈给电网或者进行系统的电气制动，从而有效地降低系统的功率损耗，达到节能的目的。经过实践，比如西门子公司出产的SINAMICSSM150系列产品，该交-直-交变频拖动技术中，电网侧的功率因数接近1，无需再进行功率补偿。
2.2变频技术在皮带输送机中的应用
变频节能技术在矿井皮带输送机中应用的基本思路就是，如果要把矿井下的煤炭输送到井上，根据作用力平衡原理，就要计算皮带输送机电机克服煤在皮带输送机上的重力所做的功。从理论上来讲，若电机的输出功率正好与皮带上的煤流质量相等，此时是最佳的节能状态，既能避免皮带输送机的超负荷运行，又能保证不会出现能量浪费的现象，两者关系可用以下表达式来描述：

式(1)中，F为皮带电机应输出的力，N；m1为皮带输送机上实时煤流质量，kg，需通过技术手段实时采集；g为重力加速度，取9.8m/s2；θ为皮带输送机安装角度，安装完成后可以认为该角度是保持不变的常数，°。得到F的数值之后，将其输入变频器控制器内，根据皮带电机的技术参数，可以转化为电机应该输出的期望转速v2，根据实时转速v1和期望转速v2之间的差值，不断进行实时调整，以实现皮带输送机的速度调整，从而达到节能的目的。
2.3变频技术在风机中的应用
煤矿生产绝大多数在地表下几百米处进行，而且煤矿生产的过程中会产生大量的CH4，若不能及时排出，则容易发生瓦斯爆炸。而向矿井送入新鲜空气主要依靠风机。根据GB50215—2015《煤炭工业矿井设计规范》要求，矿井通风设备应满足矿井服务期限内各个时期的工况变化需求，并且应在较长时间内高效运行。同时《煤矿安全规程》也明确规定，应尽早建立地面永久通风系统，但是风机对于整个矿井来说，也属于大功率机电设备，在风机选型时以矿井通风困难时期的最大需求选择，而实际情况是，风机大部分时间不需要工作于额定功率下，因此大大浪费了电能。风机一般为平方转矩负载，根据其特性，轴功率与风机转速的立方成正比，当风机的转速下降时，其输出功率会大大降低，从而也能节约大量的电能。为使风机的转速下降，同时又能满足矿井通风的需求，一般的做法是将变频器引入到风机的控制中，根据矿井需求向下输送新鲜空气，自动控制风机转速，使风机始终工作在最佳风速下。比如通过监测矿井出风口中粉尘、CH4等特征气体的浓度来控制风机转速，当出风口的粉尘、特征气体浓度低时，则降低风机的转速，耗能相较于恒定转速则会大幅下降；当粉尘、特征气体浓度增大达到设定值时，则提高风机的转速，在紧急情况下还可以让风机短时间内超负荷运行，以保证向矿井提供的风量。综上所述，将变频机应用于风机中，能够大幅降低风机的能耗，而且能够降低风机的故障率，提高风机运行的可靠性，对提高企业经济效益和竞争力起到积极作用。
2.4变频技术在煤矿采煤机中的应用
采煤机是煤矿生产的核心机器，消耗功率巨大，传统控制方式无疑会消耗巨大的电能。变频技术的应用能够降低采煤机的能耗，而且采煤机中的变频器已经取得飞速发展。现在采煤机调速系统配置模式基本为“一拖一”，而且利用能量回馈型四象限运行原理的变频机可以将能量反馈到电网，进一步降低了煤矿采煤机的能耗。采煤机变频技术的应用使得采煤机可以自主调整转速，减少熄火溜车现象，操作更加人性化，效率得到很大提高，生产同样吨位的煤炭，采煤机的工作时间更短，在很大程度上实现了能耗的降低。

Reference
[1] 张杰. 变频节能技术在煤矿机电设备中的应用[J]. 当代化工研究, 2021(11):2.
[2] 高青. 变频节能技术在煤矿机电设备中的应用[J]. 电力系统装备, 2020(8):2.
[3] 陈飞舟、张银学、李东、张忠安、王翠香. 变频节能技术在煤矿机电设备中的应用[J]. 内蒙古煤炭经济, 2020(5):1.
[4] 施红星. 变频节能技术在煤矿机电设备中的应用分析[J]. 科技经济导刊, 2020(21).
[5] 孙元旭, 王兵, 李位民. 变频技术在煤矿机电设备中的应用分析[J]. 装备维修技术, 2021(24):1.

-全文完-