高宇
（汾西矿业集团机电处）
摘要：本文以变频调速技术的基本原理为出发点，从设备制动与启动稳定、无极调速的性能佳和安全性高且耗能低等方面，阐述了煤炭机电领域变频调速技术应用的优势，并从空压机、提升机和排水泵等方面，探讨了煤炭机电领域变频调速技术的应用措施，希望可以为推动变频调速技术发展提供借鉴。
关键词：煤炭机电领域 变频调速技术 应用探究
前言：
随着科技的发展和创新，煤炭机电领域的变频调速技术已经向智能功率方向飞速发展，所以安全性高、体积小且能耗低的变频调速技术被广泛应用到矿井调速和电气传动等机电领域，成为煤炭企业降低成本和节约能源的有效手段，在推动煤炭企业发展中起着至关重要的作用。
一、变频调速技术的基本原理
变频调速技术的基本原理为电机转速与工作输入电源频率为正比关系，其公式表述为：n＝60f（1－s)/p，（其中n为转速、f为输入电源频率、s为电机转差率、p为电机磁极对数）。在电动机的同步转速一定时，只有改变输入电源频率，才可以改变电动机转子转速。有实践证明，供电频率在0-50Hz内变化时，电动机转速的调节范围最大。由此可知，变频调速技术基本原理为改变电动机供电频率，实现调节设备速度目的。
变频调速主要为交—直—交和交—交两种变频方式，其主要利用控制典雅的参数和频率变动量，实现牵动电机磁通与转矩的目的。控制方式为V/F控制、VC控制和DTC控制三种。A/F控制方式容易操作，适用于性能要求和成本较低的场合；VC控制方式和DTC控制方式的调速范围比较广。运行可靠且传动效率高，节能效果比较好，适用于高性能的场合。
二、煤炭机电领域变频调速技术应用的优势
（一）设备制动与启动稳定
目前煤矿机电设备主要采用三相异步电动机，其启动电流大，容易发生因电流不稳而烧毁发动机的情况，即使采取了软启动方式，也会使电网的直降幅度比较大，不但影响其它的机电设备正常运行，而且维护成本比较高。机电设备应用变频调速技术后，启东市转矩比较大，制动相对平稳，可以在保障机电设备正常运行的基础上，降低维护成本。
（二）无极调速的性能佳
变频调速器可以利用矢量控制，结合电动机运行参数和负载值，在很短时间内提高电动机启动力矩和工作频率，使其满足煤炭开采要求的转速，然后按照电动机工作参数和负载值的变化，对电动机转速进行调整。这样既可以减少机电设备的无功消耗，提高电能利用率，又可以保障机电设备的稳定运行效果。
（三）安全性高且能耗低
变频调速器可以完成开环和闭环等方面的自动控制，减少人工操作和测控等环节，为煤炭开采的自动化和智能化提供了技术保障，安全性比较高。同时，变频调速器的调速性能好，在应用于提升机和物料输送机等机电设备中时，可以保证其处于最优参数，降低了电能消耗，并且噪音比较小，有利于创造良好工作环境。
三、煤炭机电领域变频调速技术的应用措施
（一）空压机方面的应用
空压机为煤炭企业主要的耗电设备，其耗电量约为总耗电量的10％。随着矿井深度增加，空压机的耗电量也不断增加，所以为了降低能耗，需要改变空压机的压力。只有当空压机的排气量和生产时的用气量需求保持一致，储气压力才可以保持平衡。煤炭企业可以用变频调速轮作为空压机驱动动力的来源。当检测到储气罐中压力值后，控制系统压力闭环，空压机转速与运转台数将自动调节。在空压机工作的过程中，变频调速系统检测到压力接近设定压力后，将会改变频率，而空压机根据频率进行恒定通风，从而保持压力平衡，这样可以避免压缩机在启动与暂停时对机电设备与电网的不利影响。空压机应用变频调速技术后，供风质量和用风的荷载量更为稳定，并且产生噪声小，机电设备的磨损率低，有利于改善环境，延长机电设备使用寿命。
（二）提升机方面的应用
提升机是矿井主要的输出管道，以安全高效方式输送电气，可以提高生产作业的效率，所以提升机的电气系统需要有良好保护功能，可以迅速正反转运行，并且自动化程度和运行的可靠性高。传统提升机主要采用交流绕线式电动机、直流电动机与直流传动系统，不仅输送效率较低，而且维修工作比较繁琐，而将变频调速技术应用到提升机中，既可以在突发低压、停电和欠相等机械事故时及时启动保护功能，保证电压稳定，又可以在加速或减速时保持平滑运动状态，不会有强烈撞击感。同时，变频调速技术的用电比较少，节点效率为25％~40％，电动机转速在规定范围内可以随意调整，自动化程度高且易于操作和控制，降低了工作人员的劳动强度，提高了矿区运行效率。
（三）排水泵方面的作用
在矿井工作时多采用泵排方式排出产生的地下水，保证矿井安全和正常生产。但是矿井运行期间的降水量不同，矿井中涌水量也不同，如果始终以矿井的最大涌水量为排水量标准，在地下涌水比较少的时候，很容易造成资源浪费，所以矿井排水的调节需要依据其实际的涌水量来设计，以便提高矿井能源的利用率。煤炭企业可以利用变频调速技术解决在这一问题，其工作过程为先比较检测到的涌水量和设定的涌水量，然后利用变频器对排水泵工作程度进行控制，选择合适的电动机转速，从而提高排水泵的工作效率，避免排水泵启动与停止时对机电设备与电网产生的电流冲击，减少电能的不必要消耗。有资料显示，排水泵在应用变频调速技术后，可以省电30％左右。
四、变频调速技术的使用案例
某公司现用的BDK-6-NO18型对旋轴流式风机使用JP6c型变频调速器前后为例来说明。JP6c型变频器采用西门子IGBT作为驱动电动机的核心元件，采用高速微处理器，16 位单片机及优化spwm调制技术，及转距失量控制技术，其特点为：输出频率范围0.5-120Hz；采用优化spwm控制技术，改善电流波形；内置 PID、PLC 闭环控制功能；定时实现多机循环运行，实现多机自动化控制与管理智能化；模糊控制技术；多功能输入输出端子，满足不同用户需求；完善的数字化菜单操作功能；具有完善的软、硬件保护功能；节能率达 30%；功率因数可提高到 0.9% 以上。
改造后的通风系统有如下优点：一是，任意调节供电频率来改变风机电机转速，从而满足生产用风量，不需放风，而且增加了调节精度。通过降低风机的供电电压频率达到减少风机转速，从而减小风量的目的。二是，节省了电能。电能消耗较之去年同比减少了66％。从流体力学原理可知，风机的风量Q与电机转速n及电机功率P、节电率N的关系如下表：
由上表可知，当风机转速下降时，电动机的功率迅速降低，如风量下降到80％，转速亦下降到80％时，则轴功率下降到额定值的51.2％；若风量下降到50％，则轴功率将下降到额定值的12.5％，其节电潜力非常大。主扇风机月电耗节省计算过程如下：
节省电能 K= 电动机额定输入功率×省电率×24×30（kWh）＝110×2×66%×24×30=104544（kWh）以工业用电 0.685元/kWh计算，可节支0.685×104544=7.16万元。购置一套JP6c变频调速器费用30多万元，投入使用后6个月时间即可收回投资。因此该技术值得在矿井通风系统推广使用，并且可以在矿井的其它动力系统推广使用。
总结
总之，变频调速技术在煤炭机电领域的应用已经越来越广泛，虽然任然有技术问题和经济问题需要解决，但是其广阔的发展空间。煤炭企业在机电领域应用变频调速技术，可以提高企业生产效率，减少能源的消耗，实现企业经济效益的最大化，推动企业的健康可持续发展。
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论文作者:高宇
论文发表刊物:《电力设备》2016年第7期
论文发表时间:2016/7/5
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