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    引言

    我國煤礦開采僅在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,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)速技術年節(jié)電潛力至少為10×10⁸～15×10⁸kW·h。所以，利用變頻技術對現(xiàn)有電機設備進行節(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。礦井提升機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

    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。


    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。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)絡信號給井口提升機操作工人，操作工人再回復一個信號到井底，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)定的變頻技術應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－礦井最困難時期總阻力（Pa） ；

    Q－礦井最困難時期總風量（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。
 

    常規(guī)煤礦通風機有“電老虎”之稱，導致電能浪費嚴重。啟動困難，機械損傷嚴重。主扇風機采用直接啟動，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)象使風機產(chǎn)生較大的機械振動應力，嚴重影響到電動機、風機及其它機械的使用壽命。自動化程度低。主扇風機依靠人工調(diào)節(jié)檔板，更不具備風量的自動實時調(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)定的保持通風機的正常運行。

    礦用通風機采用變頻調(diào)速后，節(jié)約了電能，而且可根據(jù)巷道的風量需求方便的進行調(diào)速，避免浪費，應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機一直處于滿負荷工作狀態(tài)。 

    由于變頻器改造后風機可以實現(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，因而大大降低了風機工作的機械強度和電氣沖擊，將會大大延長風機的使用壽命，降低維修強度。

    需要注意的是煤礦對旋風機變頻調(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，形成風阻，影響風機的正常運行。
 
    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、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)應以可持續(xù)發(fā)展為根本目的。通過許多的實際應用案例表明，高壓變頻器應用于煤礦系統(tǒng)改造能取得良好的運行效果和經(jīng)濟效益。在國家倡導建設節(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)量和良好的服務致力于與煤礦行業(yè)加強合作，共創(chuàng)美好的未來。