变频调速技术在矿山中的广泛应用

1、变频调速技术在矿山中的广泛应用 摘 要 变频调速技术能够实现工业生产过程的节能降耗，并同时提高生产效率，降低维修成本。该技术在目前国内的煤炭及非煤矿山开采工程中被广泛应用，也得到了专业领域的注目与研究。本文所主要探讨的是变频调速技术在矿山风机系统及提升机系统中的实际技术应用过程。 【关键词】变频调速技术 矿山 风机系统 提升机 应用 变频调速技术目前在工业生产中的广泛使用已经有目共睹，它主要以v/f、矢量vc、直接转矩dtc作为主控方式，其特性就是成本低、性能要求低，而且能应用到某些技术要求较高的工程场合中。伴随着半导体mcu技术处理能力的越来越强，变频调速技术也已经能够处理某些极其复杂的任务

2、，实现对控制目标的计算、观测和传动。就目前我国在变频调速技术方面的发展前景来看，其主要采用的方式还是pwm合成驱动方式，它利用到了控制器较强的pwm生成能力。 1 变频调速技术的基本原理剖析 在国内煤炭及矿山开采行业中，目前主流采用的是交流电牵引采集技术，它依托牵引调速系统、交流变频调速系统和电磁转差离合器调速系统3方面功能优势，实现了良好的设备软启动。在这其中，变频调速技术所采用的主要为异步电机理论原理，因此首先要明确异步电机的转速计算公式： n=60f（1-s）/p 在上述计算公式中，n表示异步电机中的标准转速（r/min），f表示电网频率，也可以指代电机的定子频率（hz），而s表示转差率

3、，p表示电机定子的绕组极对数。从计算公式可见，变频调速系统所基本希望实现的就是电机转速与工作电源输入频率二者之间的正比例关系。如果转速n和频率f呈现近似正比例关系，那么它对交流电机的要求就趋向于连续平滑大范围调速性能，通过持续平滑调速来改善电源频率，实现变频调速功能特性。举例来说，在异步电机中50hz的交流电就可以通过整流、逆变转换功能而成为频率可调节的特殊电源。 2 变频调速技术在矿山风机系统中的应用 2.1 风机比例定律 变频调速技术在矿山风机系统中的应用相当成熟，按照风机比例定律来看，当雷诺数re5x106时，如果工作介质、风机叶片直径不变，风机的功率w就应该和n3成正比例关系，而风压h

4、应该与n2也呈正比例关系。按照风机转速调节处理方式，风机的风量q与系统转速n也是呈现一次方正比关系的，所以如果要降低风机功率的三次方消耗，就必须改变风机系统中拖动电机的转速与工作电源频率。 如图1，在经过一系列的整流与滤波后，380v交流电转换为直流电，然后再经过逆变环节转化为频率/幅值可调的交流电。所以矿山风机系统在变频器的主回路中分别经历了“交流直流交流”三个转换过程，基于变频调速技术的矿山风机系统变频器也被称为是“交直交变频器”。 综上所述，变频调速技术在风机系统中完全利用到了电机的电源频率及电机转速线性关系原理，这使得矿井风机能够在交流变频器的驱动下调节快慢速率，实现无级调速目的，对生

5、产节能、提高风机操控精度、范围与效率都有很大帮助，同时也大幅度降低了风机系统的耗电量。 2.2 变频调速技术在矿山风机系统中的应用案例 2.2.1 技术应用概述 为保证井下在无人工作时，对风机按井下实际供风需要，进行风量、风压调节，通过风机降速，降低风机输入功率，达到节能目的。我公司引入了变频调速技术来对井下风机设备进行输入频率方面的调节，以改变风机转速，提高生产效率。 实际应用中，我公司选择了合康系列通用变频器，它所应用的微处理器为性能较高的dsp，功率输出器部分则采用的igbt双极型晶体管。在经过一段时间的系统投入运行后发现，利用该套系统的风机在实际功率因数方面已经超过1，而且输出电流电压

6、频率也相对稳定，整体性能相当突出。另外，我们采用了矿山风机变频调速自动控制模式，它利用到了pid闭环反馈控制方法，主要通过pid来控制变频调速器，而由变频器来控制电动机输入频率，以最终实现对电机转速的优化。如此一来，在生产作业过程中就可以利用变频器来调节风机流量，达到降低能耗，实现高效率生产目的。 2.2.2 经济效益分析 以“流量-负载”这一关系曲线来计算风机系统对于矿山开采作业的节能效果。目前我矿在通风系统，采用两台风机进行井下供风，风机额定功率为一台45kw和一台90kw。经统计风机全年运行时间为300d，每天持续不间断运行24h。其中的13h约50%负荷，而其余的11h为90%负荷，这

7、一应用使我公司在每年使用风机系统方面的节电量达到： w=135x11x（100%-69%）x300+60x13x（95%-20%）x300=532980kwh 如果每kwh电量按照平均电价1元来计算，那么采用变频调节技术后每年可为矿山节省费用50多万元，所以说基于变频调节技术的矿山风机系统具有相当突出的节能效果。 另一方面，如果根据风机负载关系算式：p1/p2=（n1/n2）3，从节能角度来看，原方式启动时消耗功率相对较大，在采用了变频调速技术后，应用其中的平滑转速调节运行方式来实现对风机系统的软启动、软停机，同时大幅降低电机发生故障的概率及设备自身发热程度，以求获得最佳的经济运行工况点，进一

8、步提升风机系统运行的精确性与稳定性。在实际应用过程中，考虑到生产现场的负载变化与控制状况差异，利用变频器的强大通讯功能，进行远程数据采集和控制，具有很好的跟随 3 变频调速技术在矿山矿井提升机中的应用 3.1 矿井提升机变频调速系统的构成 提升机系统是矿山生产的至关重要的大型设备，对矿井的生产及安全起着非常重要的作用，因此它的电气传动及控制装置一直是一个重要研究领域。本文所研究的是矿井提升机变频调速系统，它采用了全数字双馈变频电控系统，集合了数字化、自动化、信息网络化等先进理念，并配合多plc网络控制系统建立。 在变频器主回路方面主要采用了back-to-back双三电平交-直-交基本结构，它

9、能够通过电网三电平有源前端衔接yy0型整流变压器，从而实现对逆变器的转子侧连接。如图2。 如图2所示，转子双馈变频调速定子侧是直接与电网相互连接的，并基于三电平变频器与电网相连。该系统中的cu1与cu2均为全控单元，cu1主要通过转子侧像转子电势同频率提供变压变频电源，而cu2则是典型的全控整流单元，它通过稳定的直流电压坐标变换来实现有功无功之间的解耦操作，并降低系统对电网的整体影响。 在系统设计过程中，首先基于系统安全性考虑了矿井提升机的冗余配置，所以采用了“一用一备”的冗余设计，保证转子双馈变频调速系统能够以主设备来实现对生产能耗的降低，同时提高生产效率。而与传统变频设备相比，它的故障率也

10、相对较低。另一方面，全数字双馈转子变频矢量控制系统还能够依据系统核心算法来实现高性能控制对策，主要通过控制器cpu与主控plc形成通信连接，并组合成为一整套性能较高较完善的提升机速度控制系统。其中的plc部分也是典型的多plc系统，它主要包括了主控、监控、操作台、液压站控制、装卸载控制等等plc，每个pcl子系统都通过mpi网与主系统进行数据信息通信。 最后，系统配套操作台也设计了较为人性化的人机操作界面，其界面能够很好的显示系统所有信息，并真实反映提升机系统的实际运行状态与数据参数，通过数据反馈来发出正确的控制指令，形成了系统中的远程集中信息管理及反馈机制。如图3。 3.2 变频调速技术在矿

11、井提升机系统中的应用案例 过去大多数矿井提升机交流电控系统采用传统的绕线式异步电动机转子回路串电阻的交流调速系统，我国目前还有部分投产的大、中型矿井的提升机采用晶闸管直流可逆调速系统，或是交交变频调速系统。随着技术的进步、价格的下降，越来越多的用户开始采用变频电控调速系统。2014年我地区一矿山采用变频调速技术对原采用传统的绕线式异步电动机转子回路串电阻的交流调速系统进行了改造，用它来取代原有故障率较高的老系统，实现变频调速后的节能降耗生产目的。 3.2.1 主要技术参数 该矿所采用的矿井提升机其输入电压为三相380v交流电源，波动范围达到360420v，电机额定功率为6级130kw。在提升机

12、所应用的矿井方面，矿井的斜长长度为480m，坡度为25。提升机的系统最大提升量为4.5t，最大提速以可以达到3m/s，下放最大重量同样为4.5t，下放速度为4m/s。 3.2.2 节能效果评估 （1）提升节能效果。在采用了双馈变频调速系统的提升机以后，提升机在加速时间为30s下的消耗能量为： p1xt1+p2xt2+p3xt3=11000kj 基于上式可以算出提升机运行的平均节电量约为16.5%左右，其中p1p3代表了加速、匀速、减速过程中的平均功率（kw），而t1t3则代表了在加速、匀速、减速过程中提升机的具体运行时间（s）。如果不具体考虑提升机机械的损耗与变频器损耗，那么在该部分的损耗量实

13、际并不会太高。 （2）下放节能效果。双馈变频调速系统在提升机下放过程中将工频调节为3档下放，下放速度保持在1.5m/s。这一数据的设计主要考虑到了提升机的摩擦与实际电机消耗。而在变频方面则主要以重力势能的80%作为回馈反映给主系统。如果提升机的工频下放消耗能量为0，则有可能使提升机在运行过程中节能80%以上，如此一来，上提和下放两项工作的整体节电率应该超过30%。 （3）节能效率综述。综上所述，按提升机的每月节约电量为18000kwh，电价为1元kwh计算，则每年可节约电量约20余万元。 如果从技术角度来看，基于双馈变频调速技术下的提升机在提高工作效率方面卓见成效，其中系统的循环工作时间被大大

14、缩短，每周期效率照比传统提升机提高10s左右，效率提升达到12%。而在调速方面，新提升机的调速更加平稳，且冲击较小，由于采用了转子变频调速，所以在整个速度段中，实施调节转速可以实现对转矩输出的改变，确保设备的平稳运行。而且变频器输出的高质量电能也大幅度降低了电机的实际温度和脉振，实现了节能效果。 4 总结 本文主要基于变频调速技术探讨了在矿山开采作业中其对风机系统与提升机的相关技术改造与革新。可以见得，该技术的使用确实实现了对设备安全可靠性的提升，大大减少了维护量的同时，也节约了大量的电能及成本，经济性与实用性兼备。整体而言，变频调速技术在矿山企业中的应用范围很广，本文仅介绍了其中的两种，希望在以后的实际生产实践中，该技术能够应用到更多领域，为提高企业产品竞争力、降低成本、实现节能降耗生产而做出更多卓越贡献。 参考文献 1张燕青.变频调速技术在矿山中的应用j.山西焦煤科技，2010，34（3）：51-53