变频器在煤矿的应用

1 引言 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。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。 2 变频调速在主扇风机上的应用 2.1 矿井通风设备与风机节能原理概述 煤矿主扇风机按结构分为轴流式和离心式; 风机是保障煤矿安全的主要通风机械，365天昼夜运转。矿井主扇风机一般配备两套，一台工作一台备用;根据矿井的规模，主扇风机的配用功率从数十kW至数百kW。功率315kW以下的，一般选用380V低压电动机; 功率大于315kW的，多选用6kV高压电动机。主扇风机安装在地面，可以选用通用电气设备。 图1 风机特性曲线 矿井主扇风机的额定通风能力(风量、风压)是根据设计计算的矿井末期的通风阻力和达产时的风量确定。在矿井投产初期，风机的富裕能力是比较大的; 为了达到生产需要的风量和风速，过去通常的做法是关小风门挡板，人为的增加通风阻力改变主扇风机的运行工况来调节风量。风机排风量特性曲线见图1所示;当风机以额定转速运行时，风机的排风量和风压按特性曲线1变化，并与风门全开时的巷道(管网)阻力曲线2相交于额定工况点N，风机的排风量为Qn、压头为Hn; 在煤矿投产初期，由于开拓量小巷道短通风阻力小，如果按额定工况通风，将造成采煤工作面风速超限并引起煤尘飞扬，影响采煤面的工作和安全。一般采取关小风门挡板增大通风管网阻力使风机工况点移至E点。这时矿井的排风量减少为Qe，产生的压头为He。如果采用降低风机转速调节风量，风机将按特性曲线4运行并与曲线2在产生需要风量Qe，风门全开的管网曲线2相交于工况C点。 根据风机和水泵的相似定律，风机的风量、转速与功率有下式成立; 理论分析和实测都证明用人为增加通风阻力(关小闸门)的方法调节风量会造成电能的浪费，是不可取的。采用改变风机转速的方法调节风量不但节能效益显著，而且还有减少机械磨损延长机械使用寿命的效果。 2.2 选用变频器的要求 煤矿主扇风机如何选用变频器？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挡板已经接近全部打开，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，可以考虑选用变频器;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;另外要注意变频器经常运行的频率不能太低，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。 2.3 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/s，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ABB公司产品变频器一台;变频器驱动一台风机，备用风机仍然由工频拖动。 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8.3万元;投资回收期1.9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。 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4~20mA或0~10V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-Δ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ABB公司产品，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。控制系统框图如图2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4~20mA信号接入配电器PD，经PD输出两路4~20mA信号，一路去数显压力表，另一路作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2 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。 压缩机于2003年10月变频改造后一直运行平稳，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2.3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<