引言

    我國煤礦開(kāi)采僅在2005年即耗能5086.81×10△t標準煤,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(hù),又是耗能大戶(hù)，同時(shí)也是節能潛力大戶(hù)。目前我國煤礦行業(yè)存在電機啟動(dòng)困難、機械損傷嚴重以及自動(dòng)化程度低等問(wèn)題迫切需要利用變頻技術(shù)進(jìn)行節能降耗。據統計，按節電率30%計，采用變頻調速技術(shù)年節電潛力至少為10×10⁸～15×10⁸kW·h。所以，利用變頻技術(shù)對現有電機設備進(jìn)行節能改造，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場(chǎng)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(chē)。用鋼絲繩帶動(dòng)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(lái)?，F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(dòng)重型礦山機械，如圖一是礦井提升機結構圖，圖二是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、穩定性較差、能源消耗大等弊端。經(jīng)過(guò)高壓變頻器改造后的礦井提升機的工作步驟如下圖三。


    對于改造后的提升機無(wú)論正轉、反轉其工作過(guò)程是相同的，都有起動(dòng)、加速、高速穩定運行、減速、低速爬行、制動(dòng)停車(chē)等六個(gè)階段。每完成一次提升動(dòng)作所用的時(shí)間，與系統的運行速度，加速度及斜井的深度有關(guān)。各段加速度的大小，根據工藝情況確定，運行的時(shí)間由操作工人根據現場(chǎng)的狀況自定。圖中各個(gè)階段的工作情況如下：

    1） 第一階段 t1：串車(chē)車(chē)廂在井底工作面裝滿(mǎn)煤后，發(fā)一個(gè)聯(lián)絡(luò )信號給井口提升機操作工人，操作工人再回復一個(gè)信號到井底，然后開(kāi)機提升。重車(chē)從井底開(kāi)始上行，空車(chē)同時(shí)在井口車(chē)場(chǎng)位置開(kāi)始下行。

    2）  第二階段t2：重車(chē)起動(dòng)后，加速到變頻器的頻率為f2速度運行，中速運行的時(shí)間較短，只是一過(guò)渡段，加速時(shí)間內設備如果沒(méi)有問(wèn)題，立即再加速到正常運行速度。

    3）  第三階段 t3：重車(chē)以變頻器頻率為f2的最大速度穩定運行，一般這段過(guò)程最長(cháng)

    4）  第四階段 t4：操作工人看到重車(chē)快到井口時(shí)立即減速，如減速時(shí)間設置較短時(shí)，變頻器制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻起作用，不致因減速過(guò)快跳閘。

    5）  第五階段 t5：重車(chē)減速到低速以變頻器頻率為f1速度低速爬行，便于在規定的位置停車(chē)。

    6）  第六階段 t6：快到停車(chē)位置時(shí)，變頻器立即停車(chē)，重車(chē)減速到零，操作工人發(fā)一個(gè)聯(lián)絡(luò )信號到井下，整個(gè)提升過(guò)程結束。

    以上為人工操作程序，也可按PLC自動(dòng)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(jìn)口電子器件，壽命長(cháng)，且具有完善的保護功能，用于提升絞車(chē)控制時(shí)，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，使得交流電機的調速性能控制精度非常高。穩定的變頻技術(shù)應用使提升機基本無(wú)維護工作量，減低了維護人員的工作強度。使用矢量控制系統能夠使調速范圍寬廣，屬于無(wú)級調速，低速時(shí)穩定性好。采用變頻器控制提升機后，降低了運行噪聲、發(fā)熱量，改善了現場(chǎng)環(huán)境，而且使能源消耗大大降低。節能效果顯著(zhù)，據實(shí)測可達到30%以上。電控系統現場(chǎng)變更控制內容十分簡(jiǎn)單，安裝調試容易。自動(dòng)化程度高，操作簡(jiǎn)單，降低司機勞動(dòng)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。區別在于皮帶機的功率更大，它的啟動(dòng)和運行方式為繞線(xiàn)電機經(jīng)轉子繞組降壓?jiǎn)?dòng)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，圖五是皮帶機現場(chǎng)示意圖。

  
    皮帶機的工作原理是皮帶機通過(guò)驅動(dòng)輪轂，靠摩擦力牽引皮帶運動(dòng)，皮帶通過(guò)張力變形和摩擦力帶動(dòng)物體在支撐輥輪上運動(dòng)。皮帶是彈性?xún)δ懿牧?，在皮帶機停止和運行時(shí)都儲存有大量勢能，這就決定了皮帶機啟動(dòng)時(shí)應該采用軟啟動(dòng)的方式。國內大多數煤礦采用液力耦合器來(lái)實(shí)現皮帶機的軟啟動(dòng)，在啟動(dòng)時(shí)調整液力耦合器的機械效率為零，使電機空載啟動(dòng)。雖然采用了轉子串接電阻改善啟動(dòng)轉矩和降壓空載啟動(dòng)等方法，但電機的啟動(dòng)電流仍然很大，不僅會(huì )引起電網(wǎng)電壓的劇烈波動(dòng)，還會(huì )造成電機內部機械沖擊和發(fā)熱等現象。同時(shí)采用液力耦合器軟起皮帶時(shí)，由于啟動(dòng)時(shí)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(cháng)時(shí)間工作會(huì )引起其內部油溫升高、金屬部件磨損、泄漏及效率波動(dòng)等情況發(fā)生，不僅會(huì )加大維護難度和成本、污染了環(huán)境，還會(huì )使多機驅動(dòng)同一皮帶時(shí)難以解決功率平均和同步問(wèn)題。

    經(jīng)過(guò)變頻技術(shù)改造后皮帶機徹底實(shí)現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定。系統的功率因數在整個(gè)過(guò)程中達0.9以上，大大節省了無(wú)功功率。采用變頻器驅動(dòng)后，使系統總的傳遞效率要比液力偶合器驅動(dòng)的效率高5%～10%系統效率。改造后系統可以根據負載變化情況自動(dòng)調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，在很大程度上節約了電力能源消耗。而且四象限中高壓變頻器的使用實(shí)現了皮帶機能量回饋功能，進(jìn)一步使得皮帶機的能耗降低，液力耦合器的退出更大地節約了設備的維護和維修費用。在節能環(huán)保方面更加的完善。
 
    3、煤礦主通風(fēng)機


    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(shí)期總阻力（Pa） ；

    Q－礦井最困難時(shí)期總風(fēng)量（m3/s）；

    ηst－按Pst、Q參數查本樣本的實(shí)際運行工況效率；

    K－功率貯備系數，一般取K＝1.1～1.15。
 

    常規煤礦通風(fēng)機有“電老虎”之稱(chēng)，導致電能浪費嚴重。啟動(dòng)困難，機械損傷嚴重。主扇風(fēng)機采用直接啟動(dòng)，啟動(dòng)電流大，對電動(dòng)機的絕緣有著(zhù)較大的威脅，嚴重時(shí)甚至燒毀電動(dòng)機。而高壓電動(dòng)機在啟動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的單軸轉矩現象使風(fēng)機產(chǎn)生較大的機械振動(dòng)應力，嚴重影響到電動(dòng)機、風(fēng)機及其它機械的使用壽命。自動(dòng)化程度低。主扇風(fēng)機依靠人工調節檔板，更不具備風(fēng)量的自動(dòng)實(shí)時(shí)調節功能，自動(dòng)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。

    如果變頻器出現了問(wèn)題，會(huì )影響到底下礦工的作業(yè)，甚至影響到人生的安全。所以說(shuō)這個(gè)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(zhù)很高的穩定特性，能夠持續而且很穩定的保持通風(fēng)機的正常運行。

    礦用通風(fēng)機采用變頻調速后，節約了電能，而且可根據巷道的風(fēng)量需求方便的進(jìn)行調速，避免浪費，應用效果是十分理想的。而且變頻節能運行，節約了大量能源。由于變頻改造后不再使風(fēng)機一直處于滿(mǎn)負荷工作狀態(tài)。 

    由于變頻器改造后風(fēng)機可以實(shí)現變頻軟起動(dòng)，避免了起動(dòng)電流的沖擊，不僅對電網(wǎng)沒(méi)有任何沖擊，而且還可以隨時(shí)起動(dòng)或停止。進(jìn)行變頻改造后，風(fēng)機的大部分工作時(shí)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(huì )大大延長(cháng)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，從而保證電機轉速一致。避免一臺轉速高，一臺轉速低，形成風(fēng)阻，影響風(fēng)機的正常運行。
 
    結束語(yǔ)

    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，大多數煤礦的勞動(dòng)力效率低下，對于我國的煤礦開(kāi)采業(yè)應以可持續發(fā)展為根本目的。通過(guò)許多的實(shí)際應用案例表明，高壓變頻器應用于煤礦系統改造能取得良好的運行效果和經(jīng)濟效益。在國家倡導建設節約型社會(huì )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(yáng)產(chǎn)業(yè)。合康HIVERT高壓變頻器以穩定的質(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(lái)。