HIVERT高壓變頻器在煤礦行業(yè)的應(yīng)用

引言

我國(guó)煤礦開采僅在2005年即耗能5086.81×10△t標(biāo)準(zhǔn)煤,耗電376.04×108kW·h, 分別占全國(guó)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(shí)也是節(jié)能潛力大戶。目前我國(guó)煤礦行業(yè)存在電機(jī)啟動(dòng)困難、機(jī)械損傷嚴(yán)重以及自動(dòng)化程度低等問題迫切需要利用變頻技術(shù)進(jìn)行節(jié)能降耗。據(jù)統(tǒng)計(jì)，按節(jié)電率30%計(jì)，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(duì)現(xiàn)有電機(jī)設(shè)備進(jìn)行節(jié)能改造，是解決我國(guó)煤炭工業(yè)高消耗、低效益的措施。

HIVERT高壓變頻器對(duì)煤礦現(xiàn)場(chǎng)的改造

1、礦井提升機(jī)

作為礦井井下和地面的工作機(jī)械，礦井提升機(jī)(mine hoist)是一種大型絞車。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(jī)是由原始的提水工具逐步發(fā)展演變而來。現(xiàn)代的礦井提升機(jī)提升量大，速度高，已發(fā)展成為電子計(jì)算機(jī)控制的全自動(dòng)重型礦山機(jī)械，如圖一是礦井提升機(jī)結(jié)構(gòu)圖，圖二是改造后的礦井提升機(jī)工作原理

圖一 礦井提升機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖二 改造后的礦井提升機(jī)工作原理

未改造的礦井提升機(jī)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(jī)的工作步驟如下圖三。

圖三 改造后的礦井提升機(jī)的工作步驟

對(duì)于改造后的提升機(jī)無論正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)其工作過程是相同的，都有起動(dòng)、加速、高速穩(wěn)定運(yùn)行、減速、低速爬行、制動(dòng)停車等六個(gè)階段。每完成一次提升動(dòng)作所用的時(shí)間，與系統(tǒng)的運(yùn)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(yùn)行的時(shí)間由操作工人根據(jù)現(xiàn)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：串車車廂在井底工作面裝滿煤后，發(fā)一個(gè)聯(lián)絡(luò)信號(hào)給井口提升機(jī)操作工人，操作工人再回復(fù)一個(gè)信號(hào)到井底，然后開機(jī)提升。重車從井底開始上行，空車同時(shí)在井口車場(chǎng)位置開始下行。

2) 第二階段t2：重車起動(dòng)后，加速到變頻器的頻率為f2速度運(yùn)行，中速運(yùn)行的時(shí)間較短，只是一過渡段，加速時(shí)間內(nèi)設(shè)備如果沒有問題，立即再加速到正常運(yùn)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(yùn)行，一般這段過程最長(zhǎng)

4) 第四階段 t4：操作工人看到重車快到井口時(shí)立即減速，如減速時(shí)間設(shè)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(shí)，變頻器立即停車，重車減速到零，操作工人發(fā)一個(gè)聯(lián)絡(luò)信號(hào)到井下，整個(gè)提升過程結(jié)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(jī)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(zhǎng)，且具有完善的保護(hù)功能，用于提升絞車控制時(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(jī)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(jī)基本無維護(hù)工作量，減低了維護(hù)人員的工作強(qiáng)度。使用矢量控制系統(tǒng)能夠使調(diào)速范圍寬廣，屬于無級(jí)調(diào)速，低速時(shí)穩(wěn)定性好。采用變頻器控制提升機(jī)后，降低了運(yùn)行噪聲、發(fā)熱量，改善了現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，而且使能源消耗大大降低。節(jié)能效果顯著，據(jù)實(shí)測(cè)可達(dá)到30%以上。電控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)變更控制內(nèi)容十分簡(jiǎn)單，安裝調(diào)試容易。自動(dòng)化程度高，操作簡(jiǎn)單，降低司機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度和操作難度。

2、皮帶機(jī)

與提升機(jī)的用途基本同理，皮帶機(jī)也是從井下運(yùn)送煤到地面。區(qū)別在于皮帶機(jī)的功率更大，它的啟動(dòng)和運(yùn)行方式為繞線電機(jī)經(jīng)轉(zhuǎn)子繞組降壓?jiǎn)?dòng)后工頻運(yùn)行，經(jīng)液力耦合器切換至皮帶機(jī)。圖四是煤層工作原理，圖五是皮帶機(jī)現(xiàn)場(chǎng)示意圖。

皮帶機(jī)的工作原理是皮帶機(jī)通過驅(qū)動(dòng)輪轂，靠摩擦力牽引皮帶運(yùn)動(dòng)，皮帶通過張力變形和摩擦力帶動(dòng)物體在支撐輥輪上運(yùn)動(dòng)。皮帶是彈性儲(chǔ)能材料，在皮帶機(jī)停止和運(yùn)行時(shí)都儲(chǔ)存有大量勢(shì)能，這就決定了皮帶機(jī)啟動(dòng)時(shí)應(yīng)該采用軟啟動(dòng)的方式。國(guó)內(nèi)大多數(shù)煤礦采用液力耦合器來實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)的軟啟動(dòng)，在啟動(dòng)時(shí)調(diào)整液力耦合器的機(jī)械效率為零，使電機(jī)空載啟動(dòng)。雖然采用了轉(zhuǎn)子串接電阻改善啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和降壓空載啟動(dòng)等方法，但電機(jī)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(jī)內(nèi)部機(jī)械沖擊和發(fā)熱等現(xiàn)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(qiáng)度高。加之液力耦合器長(zhǎng)時(shí)間工作會(huì)引起其內(nèi)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(hù)難度和成本、污染了環(huán)境，還會(huì)使多機(jī)驅(qū)動(dòng)同一皮帶時(shí)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(jī)徹底實(shí)現(xiàn)了皮帶輸送機(jī)的軟起、軟停運(yùn)行方式，使皮帶機(jī)在工作中更加性能穩(wěn)定。系統(tǒng)的功率因數(shù)在整個(gè)過程中達(dá)0.9以上，大大節(jié)省了無功功率。采用變頻器驅(qū)動(dòng)后，使系統(tǒng)總的傳遞效率要比液力偶合器驅(qū)動(dòng)的效率高5%～10%系統(tǒng)效率。改造后系統(tǒng)可以根據(jù)負(fù)載變化情況自動(dòng)調(diào)整輸出頻率和輸出力矩，改變了以前電機(jī)工頻恒速運(yùn)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(shí)現(xiàn)了皮帶機(jī)能量回饋功能，進(jìn)一步使得皮帶機(jī)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(hù)和維修費(fèi)用。在節(jié)能環(huán)保方面更加的完善。