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毕 业 论 文论文题目： 变频调速器在矿山中的应用 系 别： 能源工程系 专业班级： 矿山机电 学生姓名： 肖海 指导教师： 李列熊 2012 年 5 月 16 日变频调速器在矿山中的应用摘要：能源是国民经济和社会发展的基础和战略资源，能源问题已经成为经济社会可持续发展的一个刚性约束问题。加强节能降耗工作是落实科学发展观、实施可持续发展战略、转变经济发展方式的必然途径。据统计，我国煤矿开采仅在2005年即耗能5086.81104t标准煤,耗电376.04108kWh,分别占全国总耗能量和总耗电量3.86%和3.49%,所以,煤炭工业堪称我国第一能源工业,既是产能大户,又是耗能大户,同时也是节能潜力大户。所以，在煤矿中应用变频调速技术对于提高煤矿生产设备的效率，节约能量都是至关重要的。本文主要对变频器在煤矿中的应用作以介绍。关键词：煤矿 变频器 能源 调速 应用 变频调速 节能第一章 绪论1.1 矿山的分类矿山按产品类型可分为煤矿、金属矿和非金属等;按生产建设规模可分为大型矿山、中型矿山和小型矿山三类；按采掘方式可分为露天开采矿山和地下开采矿山两大类。1.2 露天矿山设备概述露天矿山是以大型设备为主要特点，要求优良的电气传动系统，以保证这些大型设备的高效率运行。露天矿山的这些大型设备包括用于穿孔的牙轮钻机，用于装载矿、岩石的挖掘机，用于运输矿、岩石的大型汽车等。它们都要求电气传动系统具有良好的调速性能，目前这些大型设备大多采用直流调速传动系统。1.3 地下矿山设备概述地下矿山的生产较露天矿山复杂。由于井下生产的空间窄小，使生产设备环境潮湿、阴暗，粉尘大、噪音大、振动大、并有塌方的危险，工作条件十分恶劣。因此，井下生产设备的体积受限，这些设备以小型化为主，体积小、重量轻，对电气传动的要求不高。但提升、排水、通风、压气等固定设备是地下矿山的要害部门，也是耗电大户，因此，这些设备的安全运行和节能就显得至关重要。第二章 变频器在露天矿山设备中的应用2.1变频器在挖掘机中的应用 挖掘机用于装载矿岩，其工作条件非常恶劣，特别是在爆破不好的情况下挖根底作业，经常出现过大的冲击载荷，甚至堵转。因此，挖掘机对电气传动系统就有较高的要求:要求电气传动系统的机械特性曲线的包络面积大，有足够的有用功率;要求有良好的调速性能，能四象限运行，能快速地进行加、减速和反转，动态响应速度快;要求系统制动性能好，并能回收能量;要求系统运行可靠，维修方便等。由于挖掘机对电气传动系统的这些特殊要求，所以，我国挖掘机目前应用的电气传动系统主要还是直流传动系统。例如:WK-4M、WK10、WD-1200和195-B等型号的挖掘机都是采用直流发电机-直流电动机系统;从美国Harnischfeger公司引进制造的 P&H-2300XP和P&H-2800XP型挖掘机则是采用晶闸管变流器-直流电动机系统。虽然后者比前者技术先进，效率也有所提高，但这两种系统都还存在直流电机的固有的缺点，即维修工作量大、效率较低等。上世纪90年代后期，我国有个别矿山从美国B-E公司引进了变频器-鼠笼型电动机系统，这是全交流化的挖掘机电气传动系统。变频调速由德国SIEMENS公司开发、提供的电压型变频器。现以395-B挖掘机为例作一简要说明:高压交流电由电缆经集电环引入挖掘机，由1600kVA主变压器将6kV变为575V，由1950A的整流器将交流变为直流，经滤波后送入公共直流母线。在直流母线上有4台容量为750kVA的逆变器，其中2台并联供电给1台容量为1066kW的提升电动机;第三台逆变器供电两台容量各为243kW的回转电动机;第四台逆变器供电给容量为294kW推压电动机。当某工作机构处于再生制动工作时，逆变器将再生制动能量反馈到公共直流母线上，可供其它工作机构使用，使能量得到充分利用。使用不完的制动能量，可以通过制动电阻消耗掉。实践证明，交流变频调速挖掘机和前两种直流调速挖掘机相比，具有节约电能、调速性能好、可靠性高、维护量小、生产效率高、功率因数高（0.95以上）等优点，是公认的挖掘机电气传动系统的发展方向。2.2变频器在牙轮钻机中的应用牙轮钻机是露天煤矿、尤其是大型露天煤矿的主要穿孔设备。为使牙轮钻机在不同的岩层中都能保持较佳的钻进状态，要求钻机的回转机构能根据岩层的性质进行无级调速。钻机的提升、行走机构也需要无级调速。目前，牙轮钻机的回转机构和提升、行走机构一般都是直流电动机传动。主要有三种调速装置:（1）采用晶闸管直流调速装置的牙轮钻机有:YZ-55，YZ-35和YZ-12型;（2）采用大功率磁放大器调速装置的有KY-250型牙轮钻机和从美国进口的45R型牙轮钻机;（3）采用直流发电机组调速装置的有从美国进口的60R型牙轮钻机。牙轮钻机上应用变频调速技术不仅是为了节能，更重要的是为了提高钻机的生产效率，降低维修工作量。回转机构电动机安装在钻杆的顶端，工作条件异常恶劣，以往使用的直流电动机经常损坏，维修工作量大，影响牙轮钻机的正常作业和效率的提高。因此采用坚固耐用的交流鼠笼型电动机代替直流电动机，用变频调速装置代替直流调速装置，就成为人们公认的牙轮钻机电气传动的发展方向。在牙轮钻机上应用变频调速技术的难点在于:钻机的回转机构等对调速装置的性能要求高，因为由于岩层地质条件的不同，钻机在钻进工作时有可能被卡钻，使回转机构堵转，这就要求调速装置的机械特性曲线具有挖土机特性，并具有立即反转和立即重新起动、钻进功能;牙轮钻机振动大，对调速设备的防振要求高。2.3电动轮汽车的电气传动目前，大型露天煤矿的运输主要是采用无轨运输，而主要运输设备是大型汽车，特别是电动轮汽车成为了大型露天煤矿的主要运输设备。这是因为电气传动比机械传动有更多的优点。如调速性能好，响应速度快，调速平滑无冲击;可实现恒功率调节，能充分利用柴油发动机的功率，耗油少;制动安全，牵引特性好等。目前，世界各国大型露天矿，包括我国的大型露天矿都普遍采用电动轮汽车。电动轮汽车的电气传动系统主要有柴油发动机带动的直流发电机-直流电动机系统和柴油发动机带动的交流发电机-交流电动机系统，它通过控制发电机的励磁来控制电动机的转速。随着变频调速技术的发展，人们也在探讨将变频调速技术应用于电动轮汽车电气传动的可能性。但目前尚未见到成功的先例。不过，作为大型露天矿山的主要运输设备的电动轮汽车，人们会继续努力，研究将变频调速技术应用于电动轮汽车，以进一步改善其调速性能，提高其运输能力。第三章 变频器在地下矿山设备中的应用3.1 变频器在矿井提升机中的应用矿井提升机是煤矿生产的关键设备之一，其作用为提升煤炭、矿石，升降人员和设备等，在整个煤矿生产中占有十分重要的地位。矿井提升是在繁重而又复杂的条件下进行工作的设备。因此，要求提升机的拖动装置能适应频繁启动、停止、调速及换相，并能实现重载启动，在保证提升设备的安全可靠的情况下，按照提升设计的要求工作。矿井提升设备按井筒倾角可分为竖井提升设备和斜井提升设备;按提升容器可分为罐笼提升机和箕斗提升机等;按提升用途可分为主提升机（专们或主性提升矿石，一般称为主井提升机），副井提升机（提升废石、升降人员、运送材料和设备等，一般称为副井提升机）和辅助提升机（如天井电梯、检修提升等）。矿井提升是地下矿山生产的咽喉，所以，无论哪种提升机，对电气传动的要求都很高，因为电气传动系统性能的优劣，可靠性的高低，都直接关系到矿山生产的效率和矿山生产的正常进行。对矿井提升机电气传动系统的要求是:有良好的调速性能，调速精度高，四象限运行，能快速进行正、反转运行，动态响应速度快，有准确的制动和定位功能，可靠性要求高等。而目前在矿井提升机中，能够在较大功率、转矩型负载、要求调速范围较大等场合应用的交流驱动调速方法，以绕线式异步电动机转子串电阻调速为主。这种串电阻调速方式，利用控制器或磁力站对串入转子回路中不同阻值的电阻进行组合，达到调速目的。但缺陷明显，主要反映效率非常低，它以增加转差功率的消耗来换取转速的降低。转速越慢，效率越低，大部分功率被转换成热能而消耗掉。目前，我国地下矿山矿井提升机的电气传动系统主要有:对于大型矿井提升机，主要采用直流传动系统，有采用直流电动机-直流发电机系统和晶闸管变流器-直流电动机系统;这两种系统都存在着直流电动机固有的缺点，如效率不高，维修工作量较大等。对于中、小型提升机，则多采用交流电气传动系统，如采用交流绕线式电动机，使用电机转子切换电阻调速，这种电气传动系统虽然设备简单，但它是有级调速，调速性能差，效率低，大量的电能消耗在电动机转子电阻上，而且可靠性也差。采用交流感应电动机，用变频调速方案就能很好地解决这个问题。变频调速是通过改变定子供电频率来达到电机调速的目的，无论转速高低，其机械特性基本上与自然机械特性平行，所消耗的转差功率都基本不变，因此效率很高，有着明显的节电效果，且调速的平稳性大大提高。在节能、减少维修及提高产品产量等方面都取得了明显的经济效益。将变频调速技术应用于矿井提升机是矿井提升机电气传动系统的发展方向。我国已有几台大型矿井提升机采用交-交变频调速系统，取得了很好的效果，但其缺点是功率因数不高，谐波大，需加谐波和功率因数补偿装置。随着变频调速技术的发展，交-直-交电压型变频调速技术已开始在矿井提升机中应用。例如国外已有矿山将有源前端三电平变频器应用于矿井提升机上，据介绍，采用这种变频调速的交流提升机可以克服直流调速系统和交-交变频调速系统的缺点，是提升机电气传动的发展方向。对于小型交流提升机已有成功应用变频器的实例，如山东宁阳县华宁煤矿的380V,180kw的提升机上用的就是变频调速技术。矿井提升机应用变频调速技术，较原控制系统优越性体现在以下几个方面：（1）实现了软启动、软停车，减少了机械冲击，使运行更加平稳可靠。 （2）起动及加速换挡时冲击电流很小，减轻了对电网的冲击，简化了操作、降低了工人的劳动强度。（3）安全保护功能齐全，除一般的过压、欠压、过载、短路、温升等保护外，还设有连锁保护、自动限速保护功能等。（4）设有能耗制动及回馈制动等多种制动方式，使安全性更加可靠。（5）该系统四象限运行，回馈能量直接回送电网，且不受回馈能量大小的限制，适应范围广，节能效果更加明显。3.2变频调速技术在空压机中的应用空气压缩机是地下煤矿生产的重要设备之一，它生产压缩空气，用以带动风动凿岩机、风动装岩机等设备以及其它风动工具。空气压缩机站可以设在井上或井下；设置在井上的空气压缩机站，可以选用通用型电气控制设备；在井下的空气压缩机站，一般设置在有新鲜风流通过的井底车场内，按着煤矿安全规程的规定，在这种场合可以选用“矿用一般型”电气设备。 煤矿常用的空气压缩机有往复式（活塞式）和螺杆式；常用压缩机型号和主要技术数据见下表； 煤矿常用压缩机型号及规格型号3L10/84L20/85L40/8EP200类型往复式往复式往复式螺杆式排气量（m3/min）10204020排气压力（MPa）0.80.80.80.86电机功率(kw)75130250138电机类型绕线式绕线式同步电机鼠笼型空气压缩机工作原理是当储气罐内空气压力超过设定压力（0.815Mpa）时，压缩机进气管上碟阀自动关闭，压缩机进入空转卸荷状态。当储气罐内空气压力低于设定压力（0.77MPa）时，压缩机进气管碟阀自动开启，压缩机又进入满载工作状态。空气压缩机的排气量和压力，在运转中也不是不变的，常因所使用风动机械和风动工具的台数多少而变化，所以空气压缩机工作时总是在重复满载卸荷工作方式。满载时的工作电流接近电动机的额定电流；卸荷时的空转电流约为3050电动机额定电流；这部分电流不是做有用功，而是机械在额定转速下的空转损耗。这种机械式调节装置虽然也能起到压力调节作用，但是压力调节精度低，压力波动大；压缩机总是在额定转速下工作，机械磨损大，电耗高。 如果在空气压缩机的汽缸容积不能改变的条件下，那么只有调节压缩机的转速能改变排气量；空气压缩机是恒转矩负载，压缩机轴功率与转速呈正比变化；在压缩机总排气量大于风动工具用气量时，通过降低压缩机转速调节供风压力，是达到压缩机经济运行的有效方法。在可以选用的压缩机变极电动机、改变皮带轮传动比、串极调速等调速方法中，变频调速与其他调速方法相比，具有无极调速、容易实现自动控制、不用改变设备结构和安装量小的特点。 变频调速的优点是压力给定方便，根据用气量的变化随时调整设定值，能够实现压力闭环运行，实现压缩空气的恒压供应。现以某矿为例说明：某矿地面空气压缩机站安装3台EP200型螺杆喷油式空气压缩机，额定排气量20m3/min、排气压力0.8MPa，配用电动机功率138KW 380V，配套Y启动箱；设计为两台工作一台备用。实际运行中，最大用气量期间，需要两台压缩机运行，排气压力0.68MPa。用风量最小期间，一台压缩机运行。该矿选用恒转矩类通用变频器一台，并利用变频器的可编程继电器，组成一台变频器控制两台压缩机的恒压自动供气系统。变频器控制1#空气压缩机；压力变送器安装在总排风管上，反馈输出420mA信号接入配电器，经配电器输出两路420mA信号，一路去数显压力表，另一路做为反馈信号接入变频器电流输入口；变频器输出继电器Y1、Y2通过转换开关接2#、3#压缩机控制箱的运行、停止回路；变频控制设计有自动、手动两种工作方式，通过选择开关转换；选择手动控制方式时，通过电位器给定频率，人工调节供风压力；选择自动运行时，通过键盘设定供风压力，变频器内的调节器随时检测和比较反馈压力和设定压力，实现压力闭环调节；当反馈压力大于设定压力时，驱动压缩机减速，使供风压力趋于设定压力；当反馈压力小于设定压力时，驱动压缩机增速，使供风压力趋向设定值；当变频器输出频率达到50HZ时，供风压力仍然小于设定压力时，继电器Y1启动2#（或3#）压缩机，保持系统压力恒定。用风量减少时，变频器降低输出频率，当频率低于下限频率时，继电器Y2停止2#（或3#）压缩机；通过闭环控制实现系统恒压控制。 按上述要求设计的压缩机变频调速系统，充分的运用了变频器的可编程控制功能，节省了一台可编程控制器和调节器；实现用最少的控制元件，达到恒压供气的目的。 设备改造后实现了供风压力闭环控制，减少了压缩机启停次数，减轻操作人员劳动强度；降低了耗电量和机械磨损，延长了机械使用寿命。3.3变频调速技术在矿井通风机中的应用矿井通风机是地下煤矿生产的主要用电设备之一，其节能运行在煤矿节电中占有重要的地位。矿井通风机一般采用异步电机或同步电机拖动，恒速运转，一般容量大，电机供电电压高（6kV或10kV）。煤矿建设的特点是:巷道逐年加深，产量逐年增加，所需的通风量逐年上升。但矿井通风机在设计选型时，往往是按最大开采量时所需的风量为依据的，一般都留有余量，因此矿井在投产后几年甚至十几年内，矿井通风机都是处在低负载下运行。此外，通常矿山井下作业不均衡，一般夜班工作人员少，所需风量也小，在节假日时，可能只有泵房等固定的井下场所的值班人员工作。尽管井下人员少，但也得照常向井下送风，矿井通风机一般不调节风量，若要调节风量时，传统的方法是调节档板。这种办法虽然简单，但从节能的观点看，是很不经济的。下图所示的为几种调节风量的方法节电比较。 图中:1挡板法;2前导器法;3液力耦合器;4绕线电动机切换转子电阻调速法;5变频调速法。由图可见，变频调速法在各种风量调节方法中是最理想、最有效、最节能的调节方法。有关变频调速技术在矿井通风机中的应用，现以某矿为例说明。该矿的矿井通风机都采用高压电机传动，有高压同步电机和高压异步电机两大类。由于矿井通风机是矿山的耗电大户，节电潜力很大，但它又是高压电机传动，实现变频调速有一定困难。于是，该矿以老南风井的6kV，800kW同步电机传动的矿井通风机为对象，研制开发了同步电机直接高压变频器。这是国内第一台同步电机直接高压变频器，该变频器投入运行后，节电效果十分显著。新南风井的矿井通风机采用6kV,880KW高压异步电机传动，高压变频器采用SIMOVERTMV型三电平高压变频器。于2002年9月投入运行，节电效果也是十分显著的。下面分别简要介绍这两种高压变频器。（1）同步电机直接高压变频器同步电机高压变频器主要有两类，即他控式变频调速系统和自控式变频调速系统。他控式变频调速系统所用的变频装置是独立的，其输出频率直接由速度给定信号决定，属速度开环控制。自控式变频调速系统可以使同步电机不存在失步和振荡等问题，所以一般都采用自控式运行。这种同步电机直接高压变频调速装置是采用交-直-交电流型变频调速系统，属自控式变频调速系统，它由变频器、同步电机、转子位置检测器以及控制系统组成。变频器主电路采用晶闸管串联组成的高压阀串作为功率元件，它是利用同步电机的反电势来关断逆变器的晶闸管，它没有强迫换流电路，因而主电路结构简单。根据该生产的情况需要，把高压变频器按周期性的固定频率运行，早班（8:0016:00）变频装置运行在40Hz，中班（16:0020:00）运行在35Hz，在20:0021:00期间为放炮时间，变频器运行于40Hz，21:001:00运行在35Hz，01:002:00期间为放炮时间，变频器运行于40Hz，2:005:00井下作业人员很少运行于28Hz，5:006:00期间为放炮时间，变频器运行于40Hz，6:008:00运行于28Hz。经节能测试及能量平衡测试，以及该矿老南风井的实际记录，在正常生产期间，节电率达42%;节假日时变频器运行于28Hz，节电率达73%。年节电为192.3万kWh，节能效果十分显著。（2）异步电机三电平高压变频器在成功研制开发了老南风井同步电机直接高压变频器的基 础上，根据深部开采的需要，对新南风井的矿井通风机进行改造，我院和有关单位合作，经过论证，最终决定采用引进WOODS轴流式风机和SIMOVERTMV三电平高压变频器。该变频器的原理图如下图所示。由图中可见，6kV高压电源经三绕组降压变压器降压，2组二次侧绕组（接法、Y），电压各为1.2kV，经各自的6脉冲整流桥整流成直流，直流电压为3240V，经三电平逆变器变频