变频器与软启动器在煤矿的应用选择探讨

节能降耗、增加效益是全社会应为之努力的方向。我国的电动机用电量占全国发电量的60％～70％，同时为了减少电动机的启动对电网的冲击和节能需要，变频器和软启动器在电动机大量应用。 一、软起动器 软起动器是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置，国外称为Soft Starter。它的主要构成是串接于电源与被控电机之间的三相反并联闸管及其电子控制电路。运用不同的方法，控制三相反并联闸管的导通角，使被控电机的输入电压按不同的要求而变化，就可实现不同的功能。软起动器实际上是个调压器，用于电机起动时，输出只改变电压并没有改变频率。 1、电动机的软起动 运用串接于电源与被控电机之间的软起动器，控制其内部晶闸管的导通角，使电机输入电压从零以预设函数关系逐渐上升，直至起动结束，赋予电机全电压，即为软起动，在软起动过程中，电机起动转矩逐渐增加，转速也逐渐增加。软起动一般有下面几种起动方式。 （1）斜坡升压软起动。这种起动方式最简单，不具备电流闭环控制，仅调整晶闸管导通角，使之与时间成一定函数关系增加。其缺点是，由于不限流，在电机起动过程中，有时要产生较大的冲击电流使晶闸管损坏，对电网影响较大，实际很少应用。 （2）斜坡恒流软起动。这种起动方式是在电动机起动的初始阶段起动电流逐渐增加，当电流达到预先所设定的值后保持恒定（t1 至t2 阶段），直至起动完毕。起动过程中，电流上升变化的速率是可以根据电动机负载调整设定。电流上升速率大，则起动转矩大，起动时间短。该起动方式是应用最多的起动方式，尤其适用于风机、泵类负载的起动。 （3）阶跃起动。开机，即以最短时间，使起动电流迅速达到设定值，即为阶跃起动。通过调节起动电流设定值，可以达到快速起动效果。 （4）脉冲冲击起动。在起动开始阶段，让晶闸管在级短时间内，以较大电流导通一段时间后回落，再按原设定值线性上升，连入恒流起动。该起动方法，在一般负载中较少应用，适用于重载并需克服较大静摩擦的起动场合。 2、电动机的软停车 电机停机时，传统的控制方式都是通过瞬间停电完成的。但有许多应用场合，不允许电机瞬间关机。例如：高层建筑、大楼的水泵系统，如果瞬间停机，会产生巨大的“水锤”效应，使管道，甚至水泵遭到损坏。为减少和防止“水锤”效应，需要电机逐渐停机，即软停车，采用软起动器能满足这一要求。在泵站中，应用软停车技术可避免泵站的“拍门”损坏，减少维修费用和维修工作量。 3、从上面分析可以看出，软启动器主要是实现电机的线性起停，启动过程完毕后达到工频电压后任务完成，另软启动器本身也消电能，因此在电动机启动过程完毕后达到工况电压后应将软启动器自动退出，减少能源消耗。 二、变频器 变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，不仅具有软启动器的特点，而且能够进行变频调速，变频器的类别有多种，按照变流环节的不同，可分为交一直一交变频器和交一交变频器。交一交变频器由于没有中间环节，变换效率高，但其连续可调的频率范围窄，故主要用于容量较大的低速拖动系统中；交一直一交变频器由于把直流电逆变成交流电的环节较易控制，在频率的调节范围以及变频后电动机的特性等方面，都具有明显的优势，目前迅速普及应用的主要是这一种。按电压的调制方式分为SPWM 和PAM 变频器，中、小容量的通用变频器几乎全部采用SPWM 变频器。按直流电路的储能环节分为电压型和电流型变频器，中、小容量的通用变频器以电压型变频器为主。按输入电源的相数分为三进三出变频器和单进三出变频器，大多数变频器均为三进三出变频器，单进三出变频器主要用于容量较小的家用电器。变频器在煤矿提升绞车、水泵、风机等得到了大量的应用。下面我们分析一下变频器的节能特点 1、通过变频调速达到的一次节能。 下面以水泵为例来说明，由图1可以看到： • 流量Q正比于转速n • 压力H正比于n2 • 转矩T正比于n2 • 功率P正比于n3 在普通的水泵流量控制中使用阀门来调节，如图2所示： • 管道阻力h与流量Q的关系为h正比于RQ2，其中R为阻力系数 • 电机在恒速运行时，流量为100%情况下（工作点为 A），水泵轴功率相当于Q1AH1O所包容的面积。 • 电机在恒速运行时，采取调节阀门的办法获得70%的流量（工作点为 B），将导致管阻增大，水泵轴功率相当于Q2BH2O所包容的面积，所以轴功率下降不大。 　　采用变频调速控制流量时，由于管道特性没有改变，水泵特性发生变化（工作点为 C），轴功率与Q2CH3O所包容的面积成正比。故其节能量与CBH2H3所包容的面积成正比，输入功率大大减小。 如图3所示： 正如前面提到的，轴功率P与转速n的三次方成正比。采用变频器进行调速，当流量下降到80%时，转速也下降到80%，而轴功率N将下降到额定功率的51.2%,如果流量下降到60%,轴功率N可下降到额定功率的21.6%,当然还需要考虑由于转速降低会引起的效率降低及附加控制装置的效率影响等.即使这样,这个节能数字也是很可观的,因此在装有风机水泵的机械中,采用转速控制方式来调节风量或流量,在节能上是个有效的方法。 2、变频调速所实现的二次节能 　　变频调速自动根据负载情况调整输出电压，通过对电机的最佳励磁，有效地降低了无功损耗，提高系统功率因数，降低电机工作噪音, 延长电机使用寿命。 　　电动机的总电流(IS)为电机励磁电流(IM)与电机力矩电流(IT)的矢量和, IS和IM夹角的余弦值即为电动机的功率因数； 　　电机励磁电流决定于加在电机线圈上的电压, 在工频状态下, 交流电压为380V恒定不变, 因此励磁电流也不会改变； 　　在变频状态下, 变频器自动检测负载力矩, 根据实际负载决定输出电压, 因此在负载较低的时候自动降低输出电压, 以维持最高的功率因数。 由于变频器自动降低了电机励磁电流, 使得输出总电流明显低于工频工作的总电流, 节约了线路中的损耗和无功功率的损失；管道阻力h与流量Q的关系为h正比于RQ2，其中R为阻力系数 电机在恒速运行时，流量为100%情况下（工作点为 A），水泵轴功率相当于Q1AH1O所包容的面积。电机在恒速运行时，采取调节阀门的办法获得70%的流量（工作点为 B），将导致管阻增大，水泵轴功率相当于Q2BH2O所包容的面积，所以轴功率下降不大。 采用变频调速控制流量时，由于管道特性没有改变，水泵特性发生变化（工作点为 C），轴功率与Q2CH3O所包容的面积成正比。故其节能量与CBH2H3所包容的面积成正比，输入功率大大减小，正如前面提到的，轴功率P与转速n的三次方成正比。采用变频器进行调速，当流量下降到80%时，转速也下降到80%，而轴功率N将下降到额定功率的51.2%,如果流量下降到60%,轴功率N可下降到额定功率的21.6%,当然还需要考虑由于转速降低会引起的效率降低及附加控制装置的效率影响等.即使这样,这个节能数字也是很可观的,因此在装有风机、水泵的机械中,采用转速控制方式来调节风量或流量,在节能上是个有效的方法。 综上所述，我们可以看到，软启动器的应用减少了电动机启动对电网的冲击，但其不具备对电机进行调速，因此无法达到节能目的，其仅能用在不需要进行调速的电动机，如不需要进行调速的矿井主排水泵；变频器不仅具备软启动器的减少了电动机启动对电网的冲击的优点，而且能够进行变频调速，大大节约了能源。