1、變頻器在煤礦的應用文/張立軍 我國煤炭工業堪稱我國第一能源工業， 既是產能大戶， 又是耗能 大戶，同時也是節能潛力大戶。節約資源是我國的一項基本國策，但 我國目前的工業生產中仍然存在著一定程度的能源浪費現象。 為推動 經濟發展，保障國民經濟持續快速協調健康發展，全面推進能源、原 材料等資源節約和綜合利用工作，根據國家的政策和產業的發展導 向，對煤礦井上、下電氣裝備進行技術性節能改造，對提高煤礦 裝備的現代化和自動化水平，提高企業的經濟效益具有重要的意 義。現實依據 伴隨著科技的發展，世界主要產煤國的煤礦設備已呈現數字 化、自動化、節能化的趨勢，但我國大部分煤礦企業的機電設備， 特別是乳化液泵、

2、空壓機、皮帶運輸機、絞車等仍然呈現出一種 高投入，低產出狀態，這就增加了企業運行成本，降低了企業經 濟效益。以乳化液泵站為例，在實際運行過程中存在以下問題：（ 1）乳化液泵站的電機是根據工作面的最大用液量來配備的，在多數情況下，電機是持續全速運轉的，乳化液泵提供的乳化液系 統不能完全利用，對于多余的部分，要通過溢流閥流回系統，這 個過程就出現了無功作業，造成了電能的浪費；（ 2）電機長時間全速運轉，增大了機械磨損，縮短了機械的使用壽命；（ 3）電機在啟動時會產生很大的電流，對電網造成了較大的沖擊力；（ 4）溢流閥頻繁動作，容易損壞； （ 5）系統管路壓力不穩定，容易出 現“爆管子”現象。使用變

3、頻控制后，不僅實現了根據系統用液 量來調節電機的轉速，而且實現了軟起動，減少了“爆管子”現 象，減少了設備的磨損，減輕了勞動強度，還實現了節能降耗。因此，為了減少企業的運行成本，減少電力的不必要損耗， 對相關大功率裝備進行技術性節能改造勢在必行。國內外現狀 國外變頻器產品起步較早，其產業化規模日趨壯大。交流變 頻器自 20 世紀 60 年代左右問世，到 20 世紀 80 年代在主要工業 化國家已廣泛使用，而從 20 世紀 90 年代以來，隨著人們節能環 保和解決大氣溫室效應意識的增強，變頻器的推廣與應用越來越 受到人們的重視。國內自 20 世紀 90 年代以來，隨著人們節能環 保意識的加強，

4、變頻器的應用越來越普及。 相對于工業化國家來說， 我國變頻器行業起步較晚， 經過十余年的推廣和使用， 已經逐步得到 了用戶的認可。變頻器的優點降低電力線路電壓波動 電機工頻啟動時，電流劇增的同時，電壓也會大幅波動，電 壓下降幅度的大小將取決于啟動電機功率的大小和配電網的容 量。電壓下降將會導致同一供電網絡中的電壓敏感設備故障跳閘 或工作異常， 而采用變頻調速后， 由于能在零頻零壓時逐步啟動， 能最大程度的消除電壓下降；減少對電網的沖擊 電機功率與電流和電壓的乘積成正比 , 通過工頻直接啟動， 電機消耗的功率將大大高于變頻啟動所需要的功率。在一般工作 情況下，直接工頻啟動電機所產生的電涌會對同網

5、上的其他用戶 產生嚴重的影響 , 造成峰谷差值過大。 如果采用變頻器進行電機起 停 , 就不會產生類似的問題。加速功能可控 工頻啟動時對電機或相連的機械部分軸或齒輪都會產生劇烈 的振動，這種振動將進一步加劇機械磨損和損耗，降低機械部件 和電機的壽命；而變頻控制實現零速啟動，并能按照用戶的需要 進行平滑加速，并且其加速曲線也可以選擇( 直線加速、 S形加速或者自動加速 ) ，從而避免了上述問題。運行速度可控運用變頻調速能優化工藝過程，滿足生產工藝過程對速度的 要求。借助內置 PID 的調節功能，可以實現無級調節，還能通過 PLC或其他控制器來實現遠程速度的調節；轉矩極限可調 通過變頻調速后，能夠

6、設置相應的轉矩極限來保證工藝過程 的連續性和產品的可靠性。目前的變頻技術不僅可以調節轉矩極 限，甚至轉矩的控制精度都能達到 3 5左右。但在工頻狀態 下，電機只能通過檢測電流值或熱保護來進行控制，而無法像在 變頻控制一樣設置精確的轉矩值來動作。停止方式可控如同可控的加速一樣 , 在變頻調速中 , 停止方式也是可控 的，并且有不同的停止方式可以選擇 ( 減速停車、自由停車、減速 停車直流制動 ) ，這樣能減少對機械部件和電機的沖擊， 從而使 整個系統更加安全，壽命也會相應增加；控制電機的啟動電流 當電機通過工頻直接啟動時，將會產生7 到 8 倍的電機額定電流，這個電流值將大大增加電機繞組的電應力

7、并產生熱量，這 就降低電機的壽命， 而變頻后則可以在零速零電壓啟動 ( 可以適當 加轉矩提升 ) ，充分降低啟動電流，提高繞組承受力，使電機的維 護成本降低、電機的壽命增加；可逆運行控制 在變頻器控制中，要實現可逆運行控制無須額外的可逆控制 裝置，只要改變輸出電壓的相序即可，這就降低了維護成本、節 省了安裝空間；減少機械傳動部件的磨損 目前矢量變頻器可以實現高效的轉矩輸出 , 從而節省齒輪箱 等機械傳動部件 , 構成直接變頻傳動系統， 從而降低成本 , 提高系 統穩定性。變頻調速器原理變頻調速技術原理根據異步電動機的轉速公式 =601/ （1-），可知，當電機 轉差率變化不大時，異步電動機轉速

8、與定子供電的頻率 1 成正 比。因此，連續地改變定子供電的頻率，即可平滑地調節異步電動機 的轉速。在實際應用中，為了得到良好的變頻調速性能，在變頻的同 時，使定子相電壓按不同規律變化，可以實現恒轉矩或恒功率調速， 以適應不同負載的要求。風機和泵類負載的功率 P與其運行轉速的關系為 P=kn 3。其中 k 為負載功率計算系數，風機約為 3，泵類約為 2。無論采用何種調 速方式，均可使用 P=kn3 來計算負載功率。設風機的最高轉速為 n1， 根據實際需要確定的最低轉速為n2，則不同轉速下的負載功率為P1=kn13，P2=kn23，采用異步電動機變頻調速運行比定速運行時的最大 節電功率為 P= k

9、n13- kn23= kn13 （1-1/ 3）。其中為調速范圍， = n1/ n2。由此式可以看出，調速范圍越大， P 就越大，即采用變頻調速 技術的節能效果就越明顯。動態調整節能變頻調速器在軟件上設有 5000 次 / 秒的測控輸出功能，始 終保持電機的輸出高效率運行。通過變頻自身的 V/F 功能節能在保證電機輸出力矩的情況下， 可自動調節 V/F 曲線， 減少 電機的輸出力矩，降低輸入電流，實現節能。變頻自帶軟啟動節能在電機全壓啟動時，由于電機啟動力矩的需要，要從電網吸 收 7 倍的電機額定電流，而啟動電流變大既浪費了電能，對電網 的電壓波動損害也增大，還增加了線損。變頻改造后，可實現軟

10、 啟動，啟動電流可以從 0 - 電機額定電流逐漸增大，這就減 少了啟動電流對電網的沖擊，實現在節約電能的同時，減少啟動 慣性對設備的大慣量的轉速沖擊，延長設備的使用壽命。提高功率因數節能電動機由定子繞組和轉子繞組通過電磁作用產生力矩。對電 網而言，阻抗特性呈感性，電機在運行時吸收大量的無功功率， 造成功率因數變小。采用變頻控制后，其性能變為： AC DC AC，在整 流濾波后， 負載特性發生變化， 變頻器對電網的阻抗特性呈阻性， 功率因數變大，減少了無功損耗。變頻改造方案乳化液泵站改造采用一臺 BPBT75/660 型礦用隔爆型變頻調速器，外加一套 PLC 可編程控制器作為乳化液泵站的主控設備

11、， 采用隔爆兼本安型壓力變 送器檢測管網的壓力。壓力傳感變送器的測量值以 010V（ 420mA） 信號控制變頻器，變頻器依據給定值和測量值的誤差經 PID 運算后， 給出適當的電壓和頻率給乳化液泵站的電機。 在泵站運行過程中， 一 旦當管路壓力升高超過給定值時， 變頻器降低電機轉速， 使泵的流量 減小，從而使管路壓力降低，反之則電動機轉速增加，從而使管路壓 力保持為恒定值。具有以下優點：1啟動泵時，先進行泵站的液位檢測，隨時進行泵站的吸空報 警，保證系統的正常工作； 2啟動泵站后不用進行任何手動卸荷操作， 減少操作人員的主 觀失誤，減輕工人勞動強度，提高自動化程度；變頻器要對乳 化液泵站的各

12、種程序自動進行節能和保護控制； 3根據傳感器信號，隨時判斷和提醒供液管是否存在泄漏，以 提高系統的可靠性，節約能源；4系統不注液時，根據電氣控制，實現卸荷空載運行，實現節 能并延長設備壽命；5長時間不注液時， 根據電氣控制器的決策， 可以自動停電機， 實現節能和延長裝備使用壽命；6根據壓力傳感器檢測的信號，由電氣控制器決策，實現乳化 液泵的各種運行工況，保證可靠供液；7通過對系統參數的調整，可以實現系統的快速響應，縮短支 護時間，提高支護安全性。風機變頻改造風機變頻改造方案 煤礦的風機多是根據滿負荷工作時的需用量來選型的，但在 實際應用中，大部分時間并非處于滿負荷狀態。改造后，我們采 用變頻器

13、直接控制風機。利用變頻器內置 PID 調節軟件，直接調 節電動機的轉速以保持恒定的風量，從而滿足系統的工況要求， 實現閉環恒壓或恒流量控制，節能效率將進一步提高。由于變頻器可實現大功率電機的軟停、軟起，避免啟動時的 電壓沖擊，減少了電動機的故障率，從而延長了電機使用壽命， 也降低了對電網的容量要求和無功損耗。風機變頻調速節能原理風機的轉速從 nl 變為 n2時， Q、H、P 之間的關系為：Q2=Q1（n 2nl ）H2=H1（n 2nl） 2P2=P1（n 2nl） 3 Q風量 （ 單位： m3 /min）H風壓 （ 單位： H2Omm） P風機功率 （單位： kw）由上式可知風機流量與轉速的

14、一次方成正比，壓力與轉速的 二次方成正比，而軸功率與轉速的三次方成正比。因而，理想情 況下功率與轉速有如下關系 :流量百 分比轉速百 分比壓力（揚程） 百分比功率百 分比節約能源 百分比100100100100090908172.927.180806451.248.870704934.365.760603621.678.450502512.587.5由上表可見：當需求流量下降時，調節轉速可以節約大量能 源。例如：當流量需求減少半時，通過變頻調速，從理論上講， 僅需額定功率的 12.5%，即可節約 87.5 的能源。如采用傳統的 擋板方式調節風量，雖然能控制流量，但沒有節能效果。變頻改造后的功能

15、與特點（1）采用變頻器控制電機的轉速，取消了擋板調節，降低了裝 備的故障率，節電效果顯著；（2）采用變頻器控制電機，實現了電機的軟啟動，減少了機械 磨損，延長了設備的使用壽命，避免了對電網的沖擊； （ 3）電機將在低于額定轉速的狀態下運行， 減少了噪音對環境 的影響；（4）具有過載、 過壓、 過流、欠壓、電源缺相等自動保護功能； （5）運轉狀態靈活多樣，可手動控制也可完全實現自動控制， 并且可與其他自控裝置進行電氣連鎖及計算機控制；（ 6）安裝時可不破壞原有的配電設施和環境，不影響生產； （7）只需調節電位器旋鈕即可調整風量，操作方便。皮帶運輸機的變頻改造方案目前，井下采區皮帶運輸機由于受生產

16、條件的限制，普遍存在 著欠載運行的現象，浪費電能。偶爾也出現皮帶機過煤量較大，形成 堆煤現象。 因此皮帶機合理地運行方式是適應過煤量， 即在過煤量大 時速度快、過煤量小時速度慢。采用了 V/F 控制算法的變頻控制后， 電機的啟動力矩已經能滿足 用戶的需求，而且啟動電流小 ,降低了設備成本及防護等級 , 提高了操 作安全。通過設置物流傳感器可以實現根據煤流大小調節皮帶機運行速度。優點一 :節約電能對于風機類型負載，節能主要包括兩個方面： 電機啟動的過程中， 通過使用變頻器控制啟動電流的大小， 從而提高電能的利用率， 降低 能耗。優點二 :改善電機的工作特性通過采用 BPBT系列隔爆型防爆變頻器

17、V/F 的控制算法， 能改變受 控異步交流電動機的工作特性，特別是針對風機電機應用的控制要 求，既能保證電機有較高的轉速精度和響應速度， 又能保證電機的啟 動電流不會太大實現電機軟啟動。 從而提高電機的使用壽命和降低對 周邊用電設備的沖擊，使工廠的電氣系統更加安全可靠。 優點三 : 降低對電網的污染為了實現“綠色能源”的國家規劃，國家對用電單位都有用電質 量起出更高的要求， 特別對于動力用電。 傳統的降壓啟動和可控硅軟 啟動器調速， 一方面無法提高電機系統的功率因素， 同時也造成對電 網的諧波干擾， 造成系統的其他用電設備的不穩定。 采用變頻器控制 后，通過安裝交流電抗器，則可以有效降低干擾，

18、還提高了系統的功 率因數。絞車的變頻改造方案絞車采用變頻控制的優點（1）軟啟動、軟停車變頻改造后， 減小了機械沖擊， 啟動及加速換檔時電流對電 網沖擊很小，使絞車系統和電網運行更加穩定可靠；變頻器本身 提供的功能使機械制動與電制動有機結合， 保證系統的絕對安全。（ 2）采用 PLC控制與傳感器構成閉環控制 （ 也可采用開環控制 ） ，簡化了系統構 成，減小了人工勞動強度。（3）實現了無極調速調速范圍寬、運行曲線成 S 型、加速平滑、無沖擊感。（4）安全保護功能齊全 裝備的外殼是隔爆防護等級，且變頻器除一般過流、直流過 壓、直流欠壓、變頻器過溫、短路、輸入缺相、環境溫度、過頻、 I/O 控制板內

19、部故障、 內部故障外， 還具有可編程故障保護功能、 AIMin 功能、控制盤信號丟失、外部故障功能、電機過熱保護、 堵轉保護、欠載功能、電機缺相功能、接地故障保護、通訊故障 保護等。（5）控制精度高、動態性能好 裝備采用全數字、 IGBT 逆變器變頻單元向負載提供變頻電 源，特選提升機應用宏，使所有控制功能均由參數設定完成，速 度調節器、電流調節器參數均通過優化而自動設置；電流、速度 雙閉環，滿足各種控制要求；直接轉矩控制，實現高動態性能的 轉速控制、轉矩控制，達到并超過直流裝備的動態特性。壓風機變頻改造方案 用調整電機轉速的方法同樣可以調整供氣量。由于空壓機基 本上屬于恒轉矩負載，用變頻調速

20、的方法調整供氣量能使電機的 輸出功率基本與轉速（供氣量）成正比，進而達到很好的節電效 果。采用具有矢量控制功能的變頻器后，可使電機在低速時也能 提供滿足負載需要的轉矩；同時，變頻器的自動節能模式，可使 電機在滿足負載轉矩要求下以最小電流運行，而達到更好的節電 效果。對空壓機進行變頻改造后，實現了恒壓供氣，可帶來如下效 果：（ 1）出氣口釋放閥全部關閉， 取消用出氣口釋放閥調節供氣量 方式，以避免由此導致的電能浪費。代之以變頻器調整電機的轉 速來調整氣體流量，使電機輸出功率與流量需求基本上成正比關 系，始終使電機高效率工作，以達到明顯的節電效果；（ 2）利用變頻器的節能模式， 使電機在輕載時以最高效率運行， 減少不必要的電能損耗；（ 3）根據嚴格的 EMS標準，高效的 PWM變頻器使用高速低耗的IGBT，降低諧波失真和電機的電能損失；（ 4）可使電機起動、加載時的電流平緩上升，沒有任何