浅谈变频器在煤矿的应用及前景展望.doc

浅谈变频器在煤矿的应用及前景展望1 引言变频器进入实用期已经有20多年的历史了。在此期间作为变频器技术基础的电力电子技术和微电子技术都经历了飞跃性的发展。随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用以及控制技术的发展，变频器的性能价格比越来越高、体积越来越小、运行可靠性越来越高。变频器大有取代传统电磁调速的趋势。据统计，目前国内生产和组装高压、低压变频器的生产厂家有80多家，可见变频器销售量之大应用面之广。由于变频调速在风机和泵类负载上的应用具有显著的节能效果，并且具有无冲击启动和软停机的优良控制特性，因此变频器首先在冶金、电力、石化、供热和民用风机水泵的控制领域得到广泛的应用。由于煤矿生产的特殊环境和安全上的特殊要求，变频器在煤矿的应用起步比较晚。目前还很少有符合煤矿安全要求的隔爆型变频器产品。随着我国市场经济的深入发展，煤矿的增产、降耗、提效被提到了重要地位，设备节能改造势在必行。变频调速在煤矿井上固定机械和采煤机上也有了一定的应用并取得了较好的效果。煤矿机械设备可分为固定设备、采掘设备、运输设备等类型。固定设备由主扇风机、空气压缩机、主排水泵和矿井提升机组成;井下采掘设备有采煤机、掘进机、刮板运输机、采区水泵、液压泵站、局部扇风机等设备组成;运输设备由矿车、电机车、皮带运输机等设备组成。另外，地面还有煤炭洗选和运输设备。2 变频调速在主扇风机上的应用2.1选用变频器的要求煤矿主扇风机如何选用变频调速？首先要考虑的是风机在现在的运行工况下，是否还有节能潜力，如果现在运行时风门已经接近全部打开，才能满足矿井需要的风量，这台风机也就没有安装变频器的必要，反之，可以考虑选用变频调速;风机属于平方转矩类负载，应选用适合于风机水泵使用的通用型变频器。一般根据主扇风机电机的额定电流选用变频器;变频器的电压等级应符合电源与电动机的额定电压要求，额定输出电流大于扇风机电机的额定电流;另外要注意变频经常运行频率不能太低，防止电动机温升过高。同时，要选用正规厂家、经过运行证明质量可靠、售后服务好的产品。2.2 变频器应用举例黑龙江省某煤矿四井主扇风机为4-72-11n016b， 配套电动机jo2-92-6型75kw 380v;实测总排风h1=1931pa。总入风量q1=64800m3/h n1=710r/min 用闸门调节风量;按煤矿生产安全规程要求的配风量q2=50400m3/h h2=1171pa，根据相似定律求出调速后风机转速n2=552r/min;风机皮带传动减速比i=0.73，求出调速后电动机转速n3=756r/min，再求出变频器输出频率为39hz。电动机轴功率35kw。根据风机配电动机功率选用艾默生公司产品ev2000-4t0750p型变频器一台;变频器驱动一台风机，备用风机仍然由工频拖动。艾默生ev2000型变频器具有电动机参数自整定功能;通过对磁通电流和转矩电流的解耦控制及低频转矩提升技术，保证通用电动机在0.5hz时，产生180的启动转矩;在电网电压20波动，保证额定输出能力;可以适用于潮湿和粉尘超标场合(可选项目);客户化设计，控制功能强大。扇风机变频改造后运行稳定。经运行测试表明，通风系统各项指标符合安全规程要求;月节约电量10800kwh，年节约电量129600kwh; 按电价0.64元/kwh计算，年节约电费8.2944万元;投资回收期1.3年。实例说明主扇风机变频调速改造后，风机以低于额定转速运行，噪声降低磨损减轻，减少了维护费用，经济效益良好。3 变频调速在空气压缩机上的应用3.1 煤矿空气压缩机系统概述在传统的煤矿井下岩石巷道掘进中，使用以压缩空气为动力的凿岩机钻孔, 火药爆破碎岩, 耙斗装岩机装车的生产工艺。因此空气压缩机也是煤矿主要生产设备之一。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。附表 煤矿常用压缩机型号及规格 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附表。空气压缩机出厂时配套的排气压力调节装置，多数为关闭进气管式压力调节器;其工作原理是当储气罐(风包)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30-50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。根据空气压缩理论，压缩机的轴功率、排气量和轴转速符合下列公式:根据上述理论分析，在空气压缩机的汽缸容积不能改变的条件下，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。3.2 空气压缩机选用变频器时的有关要求空气压缩机属于恒转矩类负载;压缩机选用变频器拖动的主要目的是按需要的用风量，合理调节供气压力的设定值，实现稳压节能运行。按配套电动机额定功率选用相同容量的恒转矩变频器。变频器要有内置pid调节功能和420ma或010v摸拟信号接口; 使用地点的电压变动率要在变频器允许输入电压范围内。3.3 应用举例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。按矿方要求我们选用艾默生公司产品ev2000-4t1600g型，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。控制系统框图见图1所示;变频器vvvf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pd，经pd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cci;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sa转换;选择手动控制方式时，通过电位器rs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pi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。图1 压缩机恒压供气控制框图按上述要求设计的压缩机变频调速系统, 充分的运用了艾默生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。压缩机变频改造后运行平稳, 工作压力设定为0.68mpa，由变频器控制1#、2#空气压缩机自动运行;实测日耗电量:改造前3941kwh, 改造后3468kwh; 年节约电量156090kwh,年节约电费85,849.5元; 投入回收期1.5年。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。4 变频调速在提升机上的应用4.1 矿井提升概述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，按照设计的提升速度图工作。矿井提升系统有竖井提升和斜井提升系统之分;竖井提升系统，提升能力大荷载重，一般选用大功率高压电动机。斜井提升系统，应用在中小型矿井;配用功率220kw以上的，选用6kv，yr型高压电动机;配用功率200kw以下的，选用380v(660v)，yr型低压电动机。(1) 提升速度图矿井提升是执行从井底车场至地面卸载点之间，提升煤炭，下放空车或材料的运输系统。提升距离和提升区间是确定的，在各个区间的运行速度图也都是有规律的，竖井和斜井的速度图也是不同的。受篇幅所限，本文只介绍斜井平车场双钩串车提升速度图，说明煤矿提升机的运行规律。斜井平车场双钩串车提升速度图如图2所示，在平车场上，双钩串车提升开始时，空串车由井口推车机以1m/s的速度向下推进，提升机亦即同时徐徐地开动，重串车也以相同的速度从井底车场的重车道被提升机牵引上行。当空串车和重串车都全部进入井筒直线段轨道后，提升机便开始主加速段t1,而后进入等速段t2，以速度vmax运行。当重串车快到井口时，提升机进入减速阶段t3，将速度减低到v4。重串车出井口后，提升机开始进行制动，而矿车借助于惯性继续前进并很快地减速，最终停于地面平车场重车道内。把钩工将钢丝绳钩头从重串车上摘下来，再挂到空串车上。同时，空串车也到达井底车场空车道并停稳，井底把钩工将钢丝绳钩头摘下并挂到重串车上，为下次提升作好准备。串车提升的摘挂钩时间通常取25s。图2 斜井平车场双钩串车提升速度图由图2可知，一次提升时间t等于:t = t0 + t0+ t1 + t2 + t3 + t4 + t5 ，s;一次提升循环时间tx等于: tx = t +, s;(2) 矿井提升设备简介矿用提升机有单滚筒和双滚筒之分;单滚筒提升机多用于单绳提升系统中(也有的用于双绳提升系统);双滚筒提升机都用于双绳提升系统中;在双绳提升系统中，由于提升重车和下放空车同时进行，空重车间有平衡作用，配用电动机功率相对小一些。中小型矿井普遍应用的jt型提升绞车(提升机)，配用的绕线式电动机，功率在25185kw之间;配套的标准电控设备为58级磁力控制站，通过接触器切换串接于转子回路内的电阻器调节提升机速度。这种控制设备有安装占地面积大、有级调速、对设备产生冲击、不安全、调速时电阻发热浪费电能、不能长时间低速运行、故障多、维修量大等弊端。为了改进提升机电控设备的性能，曾经用过金属水冷电阻控制站和可控硅串级调速控制站等设备，但由于元器件质量不过关和维修量大等问题，都已停止在提升机上的使用。4.2 变频器在提升机上的应用在煤矿斜井提升系统中，多使用单绳单钩提升方式;在这种提升过程中，下放串车减速时，由于负载的倾斜分力的作用，电动机可能进入发电状态;电动机发出的交流电，经过逆变装置中续流二极管整流叠加到变频器的直流母线上，使母线电压产生“泵升”电压;母线电压的升高，将对蓄能电容器和电气元件造成损坏;为保证变频器的安全，通用型变频器是将这部分电能通过“制动电阻”转变成热能消耗掉，提升机专用型变频器是将这部分电能通过专用逆变电路反馈给电网。煤矿提升机选用变频控制要达到的主要目的是:(1) 实现无级平稳加减速, 提高提升系统的安全水平;(2) 节约电能;(3) 用变频器内置的编程软件替代继电器实现提升速度控制, 减少设备维修工作量。提升机变频调速节约电能主要从两方面考虑, 一是取消了“调速电阻”, 节约了调速运行时电阻的热损耗; 其二是矿车下放减速时, 电动机短时间发电运行, 反馈给电网的电能。在变频器选型时, 应该首选具有电能回馈功能的提升机专用变频器。提升机专用变频器的售价要比通用型变频器高一些。为了降低工程造价, 也可以选用通用变频器+制动单元的配置方案。具体选用哪种方案, 要经过技术、经济比较后确定。变频器的额定容量、额定电压的选择，要按系统的额定电压和电动机额定电流值选用;要注意，变频器样本给出的额定电流值和适配电动机功率，是按4极电动机的技术数据设计的;同样功率的6、8极电动机的额定电流要比4极电动机的额定电流大;提升机应选用重载型变频器。斜井提升系统有时因车内装载煤量超重或车皮掉道等原因造成提升机超载;因此，变频器选型时要放大一级。应用举例:某煤矿提升绞车为2jt-1.6/824型, 配用yr280m-8型电动机，380v pn=75kw in=154a rn=726r/min，双滚筒，滚筒直径d=1600，绳速 vmax=2.6m/s; 选用艾默生ev2000-4t0900g型变频器，额定输出电流176a; 配带制动单元和制动电阻器。图3 提升机变频控制电气原理图变频器的控制回路如图3所示，设计变频器控制回路时，既要满足提升速度图的要求，又要满足提升机安全制动的联锁条件，还要考虑司机的操作习惯。利用变频器的多段速度编程功能，实现提升机按速度图运行是很方便的，图3中，仅给出了变频器实现图2提升速度图的多功能端子接线部分;主令开关lk安装在斜面操作台上。当主令手柄拉到提升位置1档时，com与fwd接通，给定频率5hz，提升机以0.25m/s速度拉紧钢丝绳;手柄拉到2档位置 时, com与x1接通，提升机在设定时间内加速到速度v1=1.5m/s(30hz)运行;手柄拉到3档位置时，com与x2接通, 提升机在设定时间内加速到v=2.6m/s, 以额定速度运行。当重车接近井口时, 将手柄推向2档，提升机减速运行进入车场;接近停车位置时, 将手柄推向1档，矿车徐徐运行到位后，将手柄推向0位置并刹闸停车。反向运行时, 操作顺序与正向提升操作顺序相同, 只需将操作手柄反向推动到各段速度的位置, 提升机就会按设定速度运行。从已经进行变频改造的矿井提升机的运行情况看，提升机变频控制比磁力站控制的优点是:司机操作简单方便;提升机加减速稳定无冲击，设备故障率低，维修量减少，维修费用降低;在经济方面，节能效果显著，节能率在1530左右。在小型竖井箕斗提升系统中，利用变频器的简易plc编程功能, 实现提升机自动运行控制是很方便的。5 变频器在煤矿井下的应用与展望煤矿井下开采作业的环境特点是:作业空间狭小、潮湿、空气中含有沼气、粉尘等易燃易爆炸成分;按照煤矿安全规程的要求，在煤矿井下采掘工作面使用的电气设备和控制设备，必须是隔爆型或本质安全型设备。因此，通用型的变频器是严禁在井下应用的。近年来，随着变频器普及率和可靠性的提高，有些变频器生产厂商也开始研制和生产符合煤矿井下环境应用的隔爆型变频器。鸡西煤矿机械有限公司生产的mg400/985wd和mg610/1400wd系列交流无链牵引采煤机;在75kw牵引电动机上就成功的应用了变频调速装置;在结构和性能上，变频调速交流牵引采煤机比电液互换液压马达牵引采煤机有了质的飞跃，增强了产品的市场竞争能力。在煤矿井下大量应用的局部扇风机、皮带运输机等设备也都需要变频调速运行;尤其是局部扇风机更需要调速运行;轴流式局部扇风机的额定功率有5.5、11、15、28kw等几种规格。局部扇风机使用时，经常采用进风口挡板调节风量。这种调节方式造成了大量的电能浪费。煤矿隔爆型电气设备，按隔爆壳内气体压力分类，有正压和常压之分;现在井下使用的多数是常