羅海安：變頻調速技術在煤礦機電領域的節能作用

作者單位：右江礦務局州景礦　近年來，隨著電子技術、計算機技術、自動控製技術、大功率輸出技術的迅速發展，交流電機變頻調速技術取得了突破性的進步，成為當今節電和改善環境、推動技術進步的一種主要手段，已成為一種必然的發展趨勢。變頻調速技術以其優異的調速和起動、製動性能，高效率、高功率因數和節電效果，多種人性化保護，廣泛的適用範圍及其他許多優點而被國內外公認為是最有發展前途的調速方式。

眾所周知，煤炭企業是耗電大戶，其電耗成本占其生產成本相當大的比例，其中通風、提升、壓氣、排水等設備的電能消耗占總能耗2/3以上，但是有很大一部分電能是白白浪費掉的。因為企業在最初進行設備的 設計、選型時，都是按最大生產需求量來確定的， 而實際應用中大多數時候達不到最大生產能力，又因生產工藝的需要，運行中往往要改變風量等參數，而目前多數采用檔板或閥門來調節。雖然方法簡單，但實質是人為增加阻力的辦法，致使設備不能在最佳工況區域內運行。因此浪費大量電能，屬不經濟的調節方式。特別是水泵、風機等流體類負載，平均運轉效率隻有20％～50％，如果能將效率提高到95％以上: 就可節約20％～50％的電費。所以說: 煤炭企業的節電潛力是很大的。在當前“建設節約型社會”的大格局下，節能降耗業已成為企業降低生產成本、提高產品質量，實現科學發展的必由之路。利用變頻調速技術對 煤礦企業現有設備進行技術改造，完全能達到改善工況點、提高效率、節省電費的目的，具有積極的意義。
一、變頻調速技術的原理
交流變頻調速技術是微機技術、電力電子技術和電機傳動技術的綜合應用，是強弱電混合、機電一體的綜合性技術。其實質是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控製裝置，其基本原理是通過整流橋將工頻交流電壓變為直流電壓， 再由逆變器轉換為頻率、電壓可調的交流電壓作為交流電機的驅動電源，使電動機獲得無級調速所需的電壓和電流，是一種無附加轉差損耗的高效調速方式之一。變頻調速技術之所以在能源危機中應運而生，就是因為它能根據電機負載的變化實現自動、平滑的增速、減速， 從而大幅度提高工作效率。
從理論上我們可知，電機的轉速 N與供電頻率 f 有以下關係：

2×60f
n = ———— ×（1 – s）
q
其中： q ——電機極數
S——轉差率
由公式可知，轉速 n 與頻率 f 成正比，如果不改變電動機的極數，隻要改變頻率 f 即可改變電動機的轉速，當頻率 f 在 0～50Hz的範圍內變化時，電動機轉速調節範圍就非常寬。變頻調速技術就是這樣通過改變電動機的供電電源頻率，從而實現速度調節的，是一種理想的高效率、高性能的調速手段。
二、變頻調速技術的使用案例
以右江礦務局州景礦現用的的BD－Ⅱ－6－NO17型對旋軸流式風機（110×2KW，湘潭平安電氣集團有限公司出品）使用INVT-P9-110T4型變頻調速器前後為例來說明。INVT變頻器采用西門子IGBT作為主回路功率器件，由微處理器實現全數字化控製，可滿足設備實際運行中的各種特殊要求，並且可以設置多種參數以滿足設備在不同工況下運行的需要。
我們知道，在礦井開采的不同階段，隨著開采和掘進的不斷延伸，巷道延長，盡管風量基本不變，但井下所需的風壓要求卻不斷增加，風機需用功率也隨之增加。而風機是按最大用風量 設計的，一般情況下用風量都大大低於風機的額定流量，多餘的風隻能采用放風或人為增加阻力（如安裝風門限流等） 的方式滿足生產需要。而且，風機的起動、運行由自耦降壓起動櫃控製。自耦降壓起動櫃是通過內置的自耦變壓器降壓以達到降低電動機起動電流的目的，對供電網絡的波動較大。這種傳統供風方法的缺點是電能浪費嚴重，調節精度差。在改造過程中，我們使用變頻調速器替換了原來的自耦降壓起動櫃，通過正弦波PWM【PWM 是英文Pulse Width Modulation(脈衝寬度調製)的縮寫，是按一定規律改變脈衝列的脈衝寬度，以調節輸出量和波形，獲得按正弦包絡電壓波形輸出值的一種調值方式】方式在0.1～50Hz的頻率範圍內控製電動機的加、減速及起動、運轉，使電動機的起動、運行更加趨於平穩，對供電網絡的影響也最小，真正實現了無極調速。
改造後的通風係統有如下優點： 1、任意調節供電頻率來改變風機電機轉速，從而滿足生產用風量，不需放風，而且增加了調節精度。如風機額定風量為3680m3/min，而現階段礦井需要風量為2564 m3/min，為額定風量的69.7％。為此，我們將風機工作頻率設定為35Hz，通過降低風機的供電電壓頻率達到減少風機轉速，從而減小風量的目的。2、節省了電能。電能消耗較之去年同比減少了66％。從流體力學原理可知，風機的風量Q與電機轉速n及電機功率P、節電率N的關係如下表：

頻率f 轉速n% 風量Q％ 壓力H% 軸功率P% 節電率N%=100％-P%
50 100 100 100 100 0
45 90 90 81 72.9 27
40 80 80 64 51.2 49
35 70 70 49 34.3 66
30 60 60 36 21.6 78
25 50 50 25 12.5 87
由上表可知，當風機轉速下降時，電動機的功率迅速降低，如風量下降到 80％，轉速亦下降到 80％時，則軸功率下降到額定值的 51.2％；若風量下降到 50％，則軸功率將下降到額定值的 12.5％，其節電潛力非常大。主扇風機月電耗節省計算過程如下：
節省電能K=電動機額定輸入功率×省電率×24×30（kWh）
＝110×2×66%×24×30=104544（kWh）
以工業用電0.38元/ kWh計算,可節支0.38×104544=39726元。購置一套INVT-P9-110T4變頻調速器費用大約10萬元，投入使用後3個月時間即可收回投資。因此該技術值得在礦井通風係統推廣使用，並且可以在礦井的其它動力係統推廣使用。
實踐證明，采用變頻調速控製從而實現節電是有效的、唯一的途徑。變頻器用於風機、水泵等流體類設備驅動控製場合取得了顯著的節電效果，是一種理想的調速控製方式。既提高了設備效率，又滿足了生產工藝要求，並且因此而大大減少了設備維護、維修費用，還降低了停產檢修周期。直接和間接經濟效益十分明顯，設備一次性投資通常可以在12個月的生產中全部收回。
三、變頻調速技術的優點
1、寬電網電壓：±20%電網電壓，可從容應付不同的電網狀況。
2、軟啟動功能， 減少了設備起動時大電流對電網的浪湧衝擊和機械衝擊。利用變頻器的軟啟動功能將使啟動電流從零開始，最大值也不超過額定電流，減輕了對電網的衝擊和對供電容量的要求，加、減速過程平滑，保護了電機，降低電機維護費用。
3、降低電機噪音及機械震動。低速時，電機的轉矩加大，運轉更穩定、不共振、溫升低，可延長設備使用壽命。
4、輸入諧波小，高功率因數。
5、具有完善、可靠、人性化的保護功能，如電動機過載保護，瞬時過流、過載保護，過壓失速保護，電流限幅保護，自動轉矩補償保護等，有效地保護供電、配電設備和電機 安全運行。
6、效率高，無附加轉差損耗，調速範圍大、精度高、無級調速。
7、故障率低。低故障率可節省設備檢修、維護費用。
8、改造工藝簡單。可利用原有異步電動機對舊設備進行技術改造，它既保留了原有電動機，具有改造簡單、可靠、耐用，維護方便的優點，既能達到節電的顯著效果，又能保持恒壓力的工藝需求，還能減小機械磨損。
四、變頻調速技術在煤礦企業的發展前景
煤礦企業可以使用變頻調速技術的設備很多，如通風機、空氣壓縮機、水泵、提升絞車、牽引電機車等，利用變頻調速技術對煤炭企業現有設備進行技術改造，完全能實現改善工況點、提高效率、節省電能的目的。目前，右江礦務局州景礦的主扇風機變頻調速技術已經成熟，下一步，將逐步在主排水泵、井下牽引電機車等設備中引入變頻調速技術並將在全局各礦井中推廣使用。
右江礦務局州景礦 隨著科學技術的不斷進步，交流電動機變頻調速技術已日趨完善，在 煤礦企業技術改造和產品更新換代及在節能和實現生產過程自動化方麵都取得了明顯的效果。因此，必須堅持“ 科技興煤、 科技興安”，積極推廣先進的交流變頻調速技術，用先進的設備武裝、改造煤礦等傳統產業，促進煤礦企業的“科學理性，極速發展”，打造真正意義上的“現代化”、“本質 安全型”煤礦。

參考文獻
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【2】王占奎 變頻調速應用百例[M] 北京 科學出版社,1999
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機械工業出版社,2001