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變頻調(diào)速技術(shù)在礦山中的應(yīng)用
1 概述
礦山按產(chǎn)品類型可分為煤礦、金屬礦和非金屬等;按采掘方式可分為露天開采礦山和地下開采礦山兩大類。本文主要介紹變頻調(diào)速器在金屬礦山中的應(yīng)用的現(xiàn)狀和應(yīng)用前景，對(duì)煤礦亦有參考價(jià)值，因?yàn)槁短烀旱V和露天金屬礦開采方式和生產(chǎn)設(shè)備基本相同，地下礦山除需要考慮設(shè)備的防爆問題外，大部分生產(chǎn)設(shè)備也與金屬礦大同小異。露天采礦和地下采礦所用的生產(chǎn)設(shè)備有很大不同。
露天礦山是以大型設(shè)備為主要特點(diǎn)，要求優(yōu)良的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，以保證這些大型設(shè)備的高效率運(yùn)行。露天礦山的這些大型設(shè)備包括用于穿孔的牙輪鉆機(jī)，用于裝載礦、巖石的電鏟(挖掘機(jī))，用于礦、巖石的大型汽車等。它們都要求電氣傳動(dòng)系統(tǒng)具有良好的調(diào)速性能，目前這些大型設(shè)備大多采用直流調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)。
地下礦山的生產(chǎn)較露天礦山復(fù)雜。由于井下生產(chǎn)的空間窄小，使生產(chǎn)設(shè)備潮濕、陰暗，粉塵大、噪音大、振動(dòng)大、并有塌方的危險(xiǎn)，工作條件十分惡劣。因此，井下生產(chǎn)設(shè)備的體積受限，這些設(shè)備以小型化為主，體積小、重量輕，對(duì)電氣傳動(dòng)的要求不高。但提升、排水、通風(fēng)、壓氣等固定設(shè)備是地下礦山的要害部門，也是耗電大戶，因此，這些設(shè)備的安全運(yùn)行和節(jié)能就顯得至關(guān)重要。
根據(jù)我們多年來從事礦山電氣傳動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)及在礦山進(jìn)行變頻調(diào)速的應(yīng)用實(shí)踐，我認(rèn)為，在礦山應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)于提高礦山生產(chǎn)設(shè)備的效率，節(jié)約電能都是至關(guān)重要的。但遺憾的是在礦山應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)還很不普遍，除了因變頻器的問題外，與人們對(duì)變頻器的認(rèn)識(shí)不夠有關(guān)，也與不能正確了解礦山設(shè)備對(duì)變頻器的特殊要求、不能正確地應(yīng)用變頻器、因此所帶來的負(fù)面影響有很大關(guān)系。
本文主要介紹目前礦山應(yīng)用變頻器的狀況，礦山設(shè)備對(duì)電氣傳動(dòng)的特殊要求，以及如何正確地選用變頻器等。
2 變頻器在露天礦山設(shè)備中的應(yīng)用
2.1 電鏟
電鏟用于裝載礦巖，其工作條件非常惡劣，特別是在爆破不好的情況下挖根底作業(yè)，經(jīng)常出現(xiàn)過大的沖擊載荷，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，電鏟對(duì)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)就有較高的要求:要求電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的特性曲線的包絡(luò)面積大，有足夠的有用功率;要求有良好的調(diào)速性能，能四象限運(yùn)行，能快速地進(jìn)行加、減速和反轉(zhuǎn)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快;要求系統(tǒng)制動(dòng)性能好，并能回收能量;要求系統(tǒng)運(yùn)行可靠，維修方便等。由于電鏟對(duì)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的這些特殊要求，所以，我國(guó)電鏟目前應(yīng)用的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)主要還是直流傳動(dòng)系統(tǒng)。例如:WK-4M、WK10、WD-1200和195-B等型號(hào)的電鏟都是采用直流發(fā)電機(jī)-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱機(jī)組系統(tǒng));從美國(guó)Harnischfeger公司引進(jìn)制造的P&H-2300XP和P&H-2800XP型電鏟則是采用晶閘管變流器-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱晶閘管直流系統(tǒng))。雖然后者比前者技術(shù)先進(jìn)，效率也有所提高，但這兩種系統(tǒng)都還存在直流電機(jī)的固有的缺點(diǎn)，即維修工作量大、效率較低等。
自上世紀(jì)90年代后期，我國(guó)有個(gè)別礦山從美國(guó)B-E公司引進(jìn)了變頻器-鼠籠型電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱交流變頻調(diào)速系統(tǒng))，這是全交流化的電鏟電氣傳動(dòng)系統(tǒng)。例如:385-B、295-BⅡ、290-BⅢ型電鏟就是全交流化電鏟，變頻調(diào)速由德國(guó)SIEMENS公司開發(fā)、提供的電壓型變頻器�，F(xiàn)以395-B電鏟為例作一簡(jiǎn)要說明:高壓交流電由電纜經(jīng)集電環(huán)引入電鏟，由1600kVA主變壓器將6kV變?yōu)?75V，由1950A的整流器將交流變?yōu)橹绷�，�?jīng)濾波后送入直流母線。在直流母線上有4臺(tái)容量為750kVA的逆變器，其中2臺(tái)并聯(lián)供電給1臺(tái)容量為1066kW的提升電動(dòng)機(jī);第三臺(tái)逆變器供電兩臺(tái)容量各為243kW的回轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī);第四臺(tái)逆變器供電給容量為294kW推壓電動(dòng)機(jī)。當(dāng)某工作機(jī)構(gòu)處于再生制動(dòng)工作時(shí)，逆變器將再生制動(dòng)能量反饋到公共直流母線上，可供其它工作機(jī)構(gòu)使用，使能量得到充分利用。使用不完的制動(dòng)能量，可以通過制動(dòng)電阻消耗掉。
實(shí)踐證明，交流變頻調(diào)速電鏟和前兩種直流調(diào)速電鏟相比，具有節(jié)約電能、調(diào)速性能好、可靠性高、維護(hù)量小、生產(chǎn)效率高、功率因數(shù)高(0.95以上)等優(yōu)點(diǎn)，是公認(rèn)的電鏟電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展方向。
2.2 變頻器在牙輪鉆機(jī)中的應(yīng)用
牙輪鉆機(jī)是露天礦山、尤其是大型露天礦山的主要穿孔設(shè)備。為使牙輪鉆機(jī)在不同的巖層中都能保持較佳的鉆進(jìn)狀態(tài)，要求鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)能根據(jù)巖層的性質(zhì)進(jìn)行無級(jí)調(diào)速。鉆機(jī)的提升/行走機(jī)構(gòu)也需要無級(jí)調(diào)速。目前，牙輪鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和提升/行走機(jī)構(gòu)一般都是直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)。主要有三種調(diào)速裝置:(1)采用晶閘管直流調(diào)速裝置的牙輪鉆機(jī)有:YZ-55，YZ-35和YZ-12型;(2)采用大功率磁放大器調(diào)速裝置的有KY-250型牙輪鉆機(jī)和從美國(guó)進(jìn)口的45R型牙輪鉆機(jī);(3)采用直流發(fā)電機(jī)組調(diào)速裝置的有從美國(guó)進(jìn)口的60R型牙輪鉆機(jī)。
牙輪鉆機(jī)上應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)不僅是為了節(jié)能，更重要的是為了提高鉆機(jī)的生產(chǎn)效率，降低維修工作量。回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)安裝在鉆桿的頂端，工作條件異常惡劣，以往使用的直流電動(dòng)機(jī)經(jīng)常損壞，維修工作量大，影響牙輪鉆機(jī)的正常作業(yè)和效率的提高。因此采用堅(jiān)固耐用的交流鼠籠型電動(dòng)機(jī)代替直流電動(dòng)機(jī)，用變頻調(diào)速裝置代替直流調(diào)速裝置，就成為人們公認(rèn)的牙輪鉆機(jī)電氣傳動(dòng)的發(fā)展方向。在牙輪鉆機(jī)上應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)的難點(diǎn)在于:鉆機(jī)的轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等對(duì)調(diào)速裝的性能要求高，因?yàn)橛捎趲r層條件的不同，鉆機(jī)在鉆進(jìn)工作時(shí)有可能被卡鉆，使回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)堵轉(zhuǎn)，這就要求調(diào)速裝置的機(jī)械特性曲線具有挖土機(jī)特性，并具有立即反轉(zhuǎn)和立即重新起動(dòng)、鉆進(jìn)功能;牙輪鉆機(jī)振動(dòng)大，對(duì)調(diào)速設(shè)備的防振要求高。變頻調(diào)速在牙輪鉆機(jī)中的應(yīng)用首先是由美國(guó)B-E公司在55R型牙輪鉆機(jī)上應(yīng)用。我國(guó)礦山的牙輪鉆機(jī)的變頻調(diào)速還在開發(fā)試驗(yàn)之中，尚未在推廣應(yīng)用。
2.3 電動(dòng)輪汽車的電氣傳動(dòng)
目前，大型露天礦山的運(yùn)輸主要是采用無軌運(yùn)輸，而主要運(yùn)輸設(shè)備是大型汽車，特別是電動(dòng)輪汽車成為了大型露天礦山的主要運(yùn)輸設(shè)備。這是因?yàn)殡姎鈧鲃?dòng)比機(jī)械傳動(dòng)有更多的優(yōu)點(diǎn)。如調(diào)速性能好，響應(yīng)速度快，調(diào)速平滑無沖擊;可實(shí)現(xiàn)恒功率調(diào)節(jié)，能充分利用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，耗油少;制動(dòng)安全，牽引特性好等。目前，世界各國(guó)大型露天礦，包括我國(guó)的大型露天礦都普遍采用電動(dòng)輪汽車。我國(guó)自1975年以來，引進(jìn)了不少電動(dòng)輪汽車，并成功研制開發(fā)了SF3102型100t和LN-3100型108t電動(dòng)輪汽車，與美國(guó)Unit Rig公司合作制造了MARK-36型154t電動(dòng)輪汽車。
電動(dòng)輪汽車的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)主要有柴油發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的直流發(fā)電機(jī)-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的交流發(fā)電機(jī)-交流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，它通過控制發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁來控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，人們也在探討將變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于電動(dòng)輪汽車電氣傳動(dòng)的可能性。但目前尚未見到成功的先例。不過，作為大型露天礦山的主要運(yùn)輸設(shè)備的電動(dòng)輪汽車，人們會(huì)繼續(xù)努力，研究將變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于電動(dòng)輪汽車，以進(jìn)一步改善其調(diào)速性能，提高其運(yùn)輸能力。
3 變頻器在地下礦山中的應(yīng)用
3.1 變頻調(diào)速技術(shù)在礦井提升機(jī)中的應(yīng)用
礦井提升機(jī)是地下礦山運(yùn)輸?shù)闹饕O(shè)備。它是用一定的裝備沿井筒運(yùn)出礦石、廢石、升降人員及、設(shè)備等運(yùn)輸環(huán)節(jié)。礦井提升設(shè)備按井筒傾角可分為豎井提升設(shè)備和斜井提升設(shè)備;按提升容器可分為罐籠提升機(jī)和箕斗提升機(jī)等;按提用途可分為主提升機(jī)(專們或主性提升礦石，一般稱為主井提升機(jī))，副井提升機(jī)(提升廢石、升降人員、運(yùn)送材料和設(shè)備等，一般稱為副井提升機(jī))和輔助提升機(jī)(如天井電梯、檢修提升等)。
礦井提升是地下礦山生產(chǎn)的咽喉，所以，無論哪種提升機(jī)，對(duì)電氣傳動(dòng)的要求都很高，因?yàn)殡姎鈧鲃?dòng)系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，可靠性的高低，都直接關(guān)系到礦山生產(chǎn)的效率和礦山生產(chǎn)的正常進(jìn)行。對(duì)礦井提升機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的要求是:有良好的調(diào)速性能，調(diào)速精度高，四象限運(yùn)行，能快速進(jìn)行正、反轉(zhuǎn)運(yùn)
行，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，有準(zhǔn)確的制動(dòng)和定位功能，可靠性要求高等。
目前，我國(guó)地下礦山礦井提升機(jī)的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)主要有:對(duì)于大型礦井提升機(jī)，主要采用直流傳動(dòng)系統(tǒng)，有采用直流電動(dòng)機(jī)-直流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和晶閘管變流器-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng);這兩種系統(tǒng)都存在著直流電動(dòng)機(jī)固有的缺點(diǎn)，如效率不高，維修工作量較大等。對(duì)于中、小型提升機(jī)，則多采用交流電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，如采用交流繞線式電動(dòng)機(jī)，使用電機(jī)轉(zhuǎn)子切換電阻調(diào)速，這種電氣傳動(dòng)系統(tǒng)雖然設(shè)備簡(jiǎn)單，但它是有級(jí)調(diào)速，調(diào)速性能差，效率低，大量的電能消耗在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻上，而且可靠性也差。
將變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于礦井提升機(jī)是礦井提升機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展方向。我國(guó)已有幾臺(tái)大型礦井提升機(jī)采用交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)，取得了很好的效果，但其缺點(diǎn)是功率因數(shù)不高，諧波大，需加諧波和功率因數(shù)補(bǔ)償裝置。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，交-直-交電壓型變頻調(diào)速技術(shù)已開始在礦井提升機(jī)中應(yīng)用。例如國(guó)外已有礦山將有源前端三電平變頻器應(yīng)用于礦井提升機(jī)上，據(jù)介紹，采用這種變頻調(diào)速的交流提升機(jī)可以克服直流調(diào)速系統(tǒng)和交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)的缺點(diǎn)，是提升機(jī)電氣傳動(dòng)的發(fā)展方向。對(duì)于小型交流提升機(jī)已有成功應(yīng)用變頻器的實(shí)例，如山東風(fēng)光有限公司和東營(yíng)市東萃科技有限公司合作開發(fā)的變頻器，成功地應(yīng)用于山東寧陽縣華寧煤礦的380V,180kw 的交流提升機(jī)上。
3.2 變頻調(diào)速技術(shù)在空壓機(jī)中的應(yīng)用
空氣壓縮機(jī)是地下礦山生產(chǎn)的重要設(shè)備之一，它生產(chǎn)壓縮空氣，用以帶動(dòng)風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)、風(fēng)動(dòng)裝巖機(jī)等設(shè)備以及其它風(fēng)動(dòng)工具，其耗電量在礦山總耗電量中占有相當(dāng)大的比重。深入分析空氣壓縮機(jī)的電能消耗情況，找出節(jié)能潛力，實(shí)現(xiàn)空氣壓縮機(jī)的節(jié)能運(yùn)行，將會(huì)降低礦山生產(chǎn)，提高其效益。現(xiàn)以凡口鉛鋅礦為例說明:
凡口鉛鋅礦坑口空壓機(jī)站共有6臺(tái)空氣壓縮機(jī)，其中4臺(tái)為日本日立空氣壓縮機(jī)。４臺(tái)日立壓縮機(jī)型號(hào):BTD2，排氣壓力7kg/cm2，排氣量103m3/min屬兩級(jí)壓縮活塞式壓縮機(jī)，其拖動(dòng)電機(jī)型號(hào)EFOU，額定功率450kW，額定電壓380V，額定電流892A，采用Y/Δ降壓起動(dòng)方式;2臺(tái)國(guó)產(chǎn)空氣壓縮機(jī)(活塞式空氣壓縮機(jī))，其拖動(dòng)電機(jī)為高壓(6kV)同步電動(dòng)機(jī)。6臺(tái)空氣壓縮機(jī)采用并聯(lián)運(yùn)行方式。一般情況下，只運(yùn)行2～3臺(tái)(其中一臺(tái)國(guó)產(chǎn)空氣壓縮機(jī))其余的空氣壓縮機(jī)作為備用�？諝鈮嚎s機(jī)站的容量是按最大排氣量并考慮備用來確定的，然而在實(shí)際的使用過程中，用氣設(shè)備的耗氣量是經(jīng)常變化的，當(dāng)耗氣量小于壓縮空氣站的排氣量時(shí)，便需對(duì)空氣壓縮機(jī)進(jìn)行控制，以減少排氣量使之適應(yīng)耗氣量的變化，否則空氣壓縮機(jī)排氣系統(tǒng)的壓力會(huì)升至不能允許的數(shù)值，使空氣壓縮機(jī)和用氣設(shè)備的零部件負(fù)載過大，并有發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)。凡口鉛鋅礦4臺(tái)日本日立空壓機(jī)采用的是多級(jí)壓力節(jié)流進(jìn)氣控制方式:即當(dāng)壓力低于6.2Mpa時(shí),打開全部進(jìn)氣閥,壓縮機(jī)組以100%負(fù)荷率狀態(tài)運(yùn)行;當(dāng)壓力達(dá)到6.2~6.5Mpa時(shí)關(guān)閉隙閥，壓縮機(jī)組以75%負(fù)荷率運(yùn)行;當(dāng)壓力達(dá)到6.8~7Mpa時(shí),關(guān)閉一個(gè)進(jìn)氣閥,壓縮機(jī)組以50%負(fù)荷率運(yùn)行,當(dāng)壓力達(dá)到7Mpa時(shí)關(guān)閉所有進(jìn)氣閥,壓縮機(jī)組進(jìn)入空載運(yùn)行狀態(tài).由于活塞式空氣壓縮機(jī)的起、停有著嚴(yán)格而復(fù)雜的規(guī)程，不允許頻繁起停。為了滿足井下用氣量的變化，一般由調(diào)度人員根據(jù)井下用氣量的時(shí)間變化特點(diǎn),把一天分為幾個(gè)時(shí)段，每一個(gè)時(shí)段需要開的空壓機(jī)臺(tái)數(shù)由該時(shí)段內(nèi)最大用氣量決定。在該時(shí)段內(nèi)，空壓機(jī)不允許增開或停開(特殊情況除外)。地下礦金屬礦山的空壓機(jī)站多采用這種方式，但這種控制方式很顯然存在一些比較大的缺點(diǎn):
(1) 據(jù)，壓縮機(jī)組75%負(fù)荷運(yùn)行率為41%，50%負(fù)荷運(yùn)行率為14%。無論空氣壓縮機(jī)是處于75%、50%還是空載運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，管網(wǎng)壓力較正常供氣壓力要高，井下用氣量很顯然要小于供氣量，而這時(shí)各臺(tái)空氣壓縮機(jī)仍然全速生產(chǎn)壓縮空氣，帶來了不必要的電能浪費(fèi)。
(2) 節(jié)精度低，在某一進(jìn)風(fēng)量工作狀態(tài)下壓力波動(dòng)大，特別在生產(chǎn)用風(fēng)量變化頻繁時(shí)期內(nèi)(用風(fēng)量大且變化頻繁)，不能穩(wěn)定風(fēng)壓;
(3) 閥門動(dòng)作值在一次整定后經(jīng)常會(huì)變，有時(shí)會(huì)使整個(gè)壓風(fēng)系統(tǒng)工作壓力偏高，增大了單位壓風(fēng)量的功耗;
(4) 當(dāng)空壓機(jī)運(yùn)行在75%、50%進(jìn)氣量的工作狀態(tài)下，進(jìn)氣流速增大，造成進(jìn)氣過程壓風(fēng)量的損失，降低了壓風(fēng)機(jī)的效率。
因此有必要對(duì)現(xiàn)有的調(diào)節(jié)方式進(jìn)行改進(jìn)，以節(jié)約電能，提高空壓機(jī)的運(yùn)行效率。我院和凡口鉛鋅礦合作，用變頻調(diào)速對(duì)其空壓機(jī)站進(jìn)行技術(shù)改造。
空壓機(jī)恒壓自動(dòng)控制變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示:
圖1 空氣壓縮機(jī)恒壓控制變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖
空壓機(jī)恒壓自動(dòng)控制變頻調(diào)速系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)5#空壓機(jī)和6#空壓機(jī)的輪換控制。5#空壓機(jī)和6#空壓機(jī)均可由新老兩套系統(tǒng)拖動(dòng)，這樣做有兩個(gè)目的:伒5#空壓機(jī)出現(xiàn)故障需要檢修時(shí)，新系統(tǒng)可迅速切換到6#機(jī)，以提高恒壓控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的利用率;當(dāng)新系統(tǒng)出現(xiàn)故障需要停車檢修時(shí)，能夠很快地投入老系統(tǒng)運(yùn)行，不致于影響正常生產(chǎn);當(dāng)管網(wǎng)壓力超出恒壓調(diào)節(jié)范圍時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出增開或者減開一臺(tái)空壓機(jī)。
系統(tǒng)于1999年4月2日在凡口鉛鋅礦通過了驗(yàn)收，正式移交生產(chǎn)使用，系統(tǒng)運(yùn)行十分正常，滿足了生產(chǎn)的需要，達(dá)到了預(yù)期的目的。本系統(tǒng)的目的是為了節(jié)能，根據(jù)廣州金粵節(jié)能服務(wù)站對(duì)本系統(tǒng)做的節(jié)能測(cè)試:采用本空氣壓縮機(jī)恒壓控制變頻調(diào)速系統(tǒng)平均每天節(jié)電量2226kWh。按照年工作日330天計(jì)，則采用恒壓控制變頻調(diào)速系統(tǒng)每年可節(jié)電734629kWh，按照凡口鉛鋅礦現(xiàn)行電價(jià)0.7元/kWh計(jì)，每年可節(jié)約電費(fèi)51.42萬元。本系統(tǒng)總共98萬元，兩年內(nèi)即可收回全部投資。本系統(tǒng)應(yīng)用的成功為活塞式空氣壓縮機(jī)的節(jié)能運(yùn)行提供了重要的新手段，對(duì)于企業(yè)節(jié)能降耗，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益有重要意義，有廣闊的推廣應(yīng)用前景。
3.3 變頻調(diào)速技術(shù)在礦井通風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用
礦井通風(fēng)機(jī)是地下礦山生產(chǎn)的主要用電設(shè)備之一，其節(jié)能運(yùn)行在礦山節(jié)電中占有重要的地位。礦井通風(fēng)機(jī)一般采用異步電機(jī)或同步電機(jī)拖動(dòng)，恒速運(yùn)轉(zhuǎn)，一般容量大，電機(jī)供電電壓高(6kV或10kV)。
礦山建設(shè)的特點(diǎn)是:巷道逐年加深，產(chǎn)量逐年增加，所需的通風(fēng)量逐年上升。但礦井通風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)選型時(shí)，往往是按最大開采量時(shí)所需的風(fēng)量為依據(jù)的，一般都留有余量，因此礦井在投產(chǎn)后幾年甚至十幾年內(nèi)，礦井通風(fēng)機(jī)都是處在低負(fù)載下運(yùn)行。此外，通常礦山井下作業(yè)不均衡，一般夜班工作人員少，所需風(fēng)量也小，在節(jié)假日時(shí)，可能只有泵房等固定的井下場(chǎng)所的值班人員工作。盡管井下人員少，但也得照常向井下送風(fēng)，礦井通風(fēng)機(jī)一般不調(diào)節(jié)風(fēng)量，若要調(diào)節(jié)風(fēng)量時(shí)，傳統(tǒng)的方法是調(diào)節(jié)檔板。這種辦法雖然簡(jiǎn)單，但從節(jié)能的觀點(diǎn)看，是很不經(jīng)濟(jì)的。圖2所示為幾種調(diào)節(jié)風(fēng)量的方法節(jié)電比較。
圖2 不同風(fēng)量調(diào)節(jié)方法功率消耗曲線
圖2中:1—擋板法;2—前導(dǎo)器法;3—液力耦合器;4—繞線電動(dòng)機(jī)切換轉(zhuǎn)子電阻調(diào)速法;5—變頻調(diào)速法。
由圖2可見，變頻調(diào)速法在各種風(fēng)量調(diào)節(jié)方法中是最理想、最有效、最節(jié)能的調(diào)節(jié)方法。有關(guān)變頻調(diào)速技術(shù)在礦井通風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用，仍以凡口鉛鋅礦為例說明。
該礦的礦井通風(fēng)機(jī)都采用高壓電機(jī)傳動(dòng)，有高壓同步電機(jī)和高壓異步電機(jī)兩大類。由于礦井通風(fēng)機(jī)是礦山的耗電大戶，節(jié)電潛力很大，但它又是高壓電機(jī)傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速有一定困難。于是，長(zhǎng)沙礦山研究院與凡口鉛鋅礦、冶金自動(dòng)化研究院等單位合作，以老南風(fēng)井的6kV，800kW同步電機(jī)傳動(dòng)的礦井通風(fēng)機(jī)為對(duì)象，研制開發(fā)了同步電機(jī)直接高壓變頻器。1997年8月投入運(yùn)行，并于1998年4月28日通過了中國(guó)有色金屬總公司的技術(shù)鑒定，獲得了部級(jí)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。這是國(guó)內(nèi)第一臺(tái)同步電機(jī)直接高壓變頻器，節(jié)電效果十分顯著。新南風(fēng)井的礦井通風(fēng)機(jī)采用6kV,880KW高壓異步電機(jī)傳動(dòng)，高壓變頻器采用SIEMENS公司的SIMO VERT MV型三電平高壓變頻器。于2002年9月投入運(yùn)行，節(jié)電效果也是十分顯著的。下面分別簡(jiǎn)要介紹這兩種高壓變頻器。
(1) 同步電機(jī)直接高壓變頻器
同步電機(jī)高壓變頻器主要有兩類，即他控式變頻調(diào)速系統(tǒng)和自控式變頻調(diào)速系統(tǒng)。他控式變頻調(diào)速系統(tǒng)所用的變頻裝置是獨(dú)立的，其輸出頻率直接由速度給定信號(hào)決定，屬速度開環(huán)控制。自控式變頻調(diào)速系統(tǒng)可以使同步電機(jī)不存在失步和振蕩等問題，所以一般都采用自控式運(yùn)行。
我們與有關(guān)單位合作研制開發(fā)的這種同步電機(jī)直接高壓變頻調(diào)速裝置是采用交-直-交電流型變頻調(diào)速系統(tǒng)，屬自控式變頻調(diào)速系統(tǒng)，它由變頻器、同步電機(jī)、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器以及控制系統(tǒng)組成。變頻器主電路采用晶閘管串聯(lián)組成的高壓閥串作為功率元件，它是利用同步電機(jī)的反電勢(shì)來關(guān)斷逆變器的晶閘管，它沒有強(qiáng)迫換流電路，因而主電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。變頻器的框圖如圖3所示。
圖3 同步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)原理框圖
圖3中，硬件全套設(shè)備由高壓開關(guān)切換柜(圖中未表示出)、整流柜、逆變柜、勵(lì)磁柜、控制柜、操作臺(tái)及交流進(jìn)線電抗器、直流平波電抗器、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器、光電編碼器等到部分組成。
根據(jù)凡口礦生產(chǎn)的情況需要，本高壓變頻器按周期性的固定頻率運(yùn)行，早班(7:00~16:00)變頻裝置運(yùn)行在40Hz，中班(16:00~19:00)運(yùn)行在35Hz，在19:00~20:00期間為放炮時(shí)間，變頻器運(yùn)行于40Hz，20:00~23:00運(yùn)行在35Hz，23:00~24:00期間為放炮時(shí)間，變頻器運(yùn)行于40Hz，0:00~3:00井下作業(yè)人員很少運(yùn)行于28Hz，3:00~4:00期間為放炮時(shí)間，變頻器運(yùn)行于40Hz，4:00~7:00運(yùn)行于28Hz。
經(jīng)廣州金粵節(jié)能服務(wù)站的節(jié)能測(cè)試及能量平衡測(cè)試，以及凡口礦老南風(fēng)井的實(shí)際記錄，在正常生產(chǎn)期間，節(jié)電率達(dá)42%;節(jié)假日時(shí)變頻器運(yùn)行于28Hz，節(jié)電率達(dá)73%。年節(jié)電為192.3萬kWh，在不到一年的時(shí)間內(nèi)，就由節(jié)電費(fèi)用收回到了高壓變頻器的全部，效益十分顯著。
(2) 異步電機(jī)三電平高壓變頻器
在成功研制開發(fā)了老南風(fēng)井同步電機(jī)直接高壓變頻器的基礎(chǔ)上，根據(jù)深部開采的需要，對(duì)新南風(fēng)井的礦井通風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造，我院和有關(guān)單位合作，經(jīng)過論證，最終決定采用引進(jìn)WOODS軸流式風(fēng)機(jī)和Siemens公司的SIMOVERT MV三電平高壓變頻器。該變頻器的原理圖如圖4所示。
圖4 三電平變頻器主電路原理圖
但SIEMENS公司實(shí)際提供的這種三電平高壓變頻器的系統(tǒng)如圖5的框圖所示。
由圖5可見，6kV高壓電源經(jīng)三繞組降壓變壓器降壓，2組二次側(cè)繞組(接法△、Y)，電壓各為1.2kV，經(jīng)各自的6脈沖整流橋整流成直流，直流電壓為3240V(正負(fù)電壓各為1620V)經(jīng)三電平逆變器變頻變壓，可輸出頻率可變的0~2300V的三相交流電壓;經(jīng)濾波器濾波后，再經(jīng)升壓變壓器升壓至6kV，供給6kV高壓電動(dòng)機(jī)調(diào)速。
圖5 新南風(fēng)井高壓變頻器系統(tǒng)框圖
新南風(fēng)井高壓變頻器原訂為直接高壓變頻器，但由圖5可見，這實(shí)質(zhì)上是一臺(tái)高低高式高壓變頻器，因?yàn)樗粌H有降壓變壓器，而且也有升壓變壓器。不過經(jīng)我們對(duì)其進(jìn)行了仿真，其結(jié)果表明，盡管它是高-低-高式高壓變頻器，但并不影響它在生產(chǎn)中的應(yīng)用。
根據(jù)凡口礦目前的生產(chǎn)情況，高壓變頻器的運(yùn)行情況是:白班和中班，高壓變頻器運(yùn)行于40Hz，在晚班，由于井作業(yè)人員很少，高壓變頻器則運(yùn)行于30Hz，在節(jié)假日，則運(yùn)行于更低的頻率。據(jù)此，計(jì)算出節(jié)電效果，年平均節(jié)電為56%，年節(jié)電357.9萬kWh，節(jié)電效果顯著達(dá)到了原計(jì)劃的節(jié)電目標(biāo)。
3.4 關(guān)于球磨機(jī)、井下排水泵等是否可用變頻調(diào)速的問題
球磨機(jī)、井下排水泵等設(shè)備容量大，都是礦山的高耗能設(shè)備。對(duì)于這些設(shè)備是否可以采用變頻調(diào)速來實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行呢？我認(rèn)為，在這些設(shè)備上采用變頻調(diào)速是達(dá)不到節(jié)能目的的。
我們應(yīng)某金礦的委托，采用變頻器對(duì)球磨機(jī)進(jìn)行調(diào)速節(jié)能試驗(yàn)。當(dāng)變頻器的輸出頻率調(diào)整到48Hz和45Hz時(shí)，球磨機(jī)的電能消耗雖有所降低，但磨礦質(zhì)量有很大降低，此時(shí)球磨機(jī)的出礦粒度由原來不調(diào)速時(shí)的300目粒度占99%，分別下降到90%和58%�？梢娺@種工藝、設(shè)備條件下，不宜采用變頻調(diào)速節(jié)能運(yùn)行。
另外，我看到有的文章說，變頻器用于井下排水泵站的節(jié)能[3]。我認(rèn)為，這是不現(xiàn)實(shí)的。因?yàn)槿魏蔚V山為排出井下的涌水，都在井底設(shè)有水倉(cāng)。值班工人根據(jù)水倉(cāng)水位確定開仃水泵及開仃幾臺(tái)水泵，因此它不需進(jìn)行流量的調(diào)節(jié)。所以，它不需要采用變頻器。對(duì)于地面生活供水或供水的泵站，由于需要根據(jù)用水量的多少來調(diào)節(jié)供水量，在這種情況下，采用變頻調(diào)速以調(diào)節(jié)流量，可達(dá)到節(jié)能的目的。
在礦山中，還有一些小型設(shè)備可以采用變頻調(diào)速節(jié)能，如螺旋給料機(jī)、沙泵等，在此就不一一介紹了。
4 選擇變頻器應(yīng)注意的事項(xiàng)
變頻器，特別是高壓變頻器價(jià)格昂貴，如選擇不當(dāng)，達(dá)不到節(jié)電和提高生產(chǎn)效率的目的，以致造成浪費(fèi)和不必要的麻煩和損失。在這里，提供一些選擇變頻器的意見，供參考。
4.1 根據(jù)工藝要求選擇變頻器
(1) 電機(jī)調(diào)速雖是風(fēng)機(jī)、水泵節(jié)能的有效途徑，但并非凡是風(fēng)機(jī)、水泵都能采用調(diào)速節(jié)電。對(duì)于工藝參數(shù)基本穩(wěn)定，不需要調(diào)速的風(fēng)機(jī)、水泵可以采用高效節(jié)能電機(jī)和高效節(jié)能風(fēng)機(jī)，以提高系統(tǒng)效率。對(duì)于已建成而配置不合理的風(fēng)機(jī)可以通過采用更換電機(jī)，調(diào)節(jié)葉片角度等方法達(dá)到節(jié)電的目的。選擇調(diào)速節(jié)能時(shí)應(yīng)注意:風(fēng)機(jī)、水泵的轉(zhuǎn)速變化范圍不宜太大，通常最低轉(zhuǎn)速不少于額定轉(zhuǎn)速的50%，一般調(diào)速范圍在100%~70%之間為宜，因?yàn)楫?dāng)轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速的40%~50%時(shí)，風(fēng)機(jī)、水泵本身的效率明顯下降，是不經(jīng)濟(jì)的;調(diào)速范圍確定時(shí)，應(yīng)注意避開機(jī)組的臨界共振轉(zhuǎn)速，否則調(diào)速至該諧振頻率時(shí)，將可能損壞機(jī)組。
(2) 進(jìn)行可行性分析
在選擇要進(jìn)行的變頻調(diào)速的設(shè)備對(duì)象以后，應(yīng)從提高效率或提高產(chǎn)品質(zhì)量的需要情況，從節(jié)約電能的情況進(jìn)行分析、計(jì)算，并與變頻器的投資進(jìn)行比較，計(jì)算出變頻器的投資回收期。一般來說，如能從節(jié)約的電費(fèi)或從提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高效率等方面所得的收益中，在兩年內(nèi)償還變頻器的投資，都應(yīng)認(rèn)為是可行的。同時(shí)還應(yīng)分析外部條件是否滿足變頻器的使用要求。
(3) 變頻器的可靠性
變頻器的可靠性如何，直接決定了變頻器能否成功地應(yīng)用于生產(chǎn)。這是選擇哪種變頻器的首要條件。有的礦山所購(gòu)買的變頻器可靠性不高，加之自身的維修技術(shù)力量不強(qiáng)，變頻器出了故障，只好仃下，甚至棄用。造成損失，同時(shí)也為變頻器的繼續(xù)推廣應(yīng)用帶來負(fù)面影響。
(4) 根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的技術(shù)規(guī)格和技術(shù)參數(shù)來選擇變頻器在按工藝要求、電源條件、場(chǎng)地及容量等選擇了變頻器方案后，再具體到選擇哪個(gè)廠家的哪種高壓變頻器。在選擇變頻器時(shí)可以根據(jù)廠家提供的產(chǎn)品樣本等技術(shù)資料及報(bào)價(jià)表來選擇。
變頻器的制造廠家和經(jīng)銷商都會(huì)向準(zhǔn)備購(gòu)買變頻器的用戶提供樣本及報(bào)價(jià)。在樣本中，廠家公開說明其產(chǎn)品種類、特性、技術(shù)指標(biāo)和特點(diǎn)，用戶在訂貨前通過對(duì)產(chǎn)品樣本資料可以對(duì)其產(chǎn)品有大概了解。因此對(duì)產(chǎn)品樣本的閱讀和了解是比較各廠家變頻器性能的重要依據(jù)。
4.2 主要應(yīng)考慮的技術(shù)規(guī)格和技術(shù)參數(shù)
(1) 型號(hào)
各廠家生產(chǎn)的變頻器的型號(hào)多是系列號(hào)和容量的組合，通過對(duì)型號(hào)和規(guī)格得了解，
可以確認(rèn)該廠家生產(chǎn)的品種，對(duì)用戶來說，不一定會(huì)使用到全系列的變頻器，但可以從型號(hào)、規(guī)格、所采用的功率元件、控制技術(shù)等方面判斷廠家的實(shí)力和生產(chǎn)態(tài)勢(shì)，甚至可以從一個(gè)方面判斷其產(chǎn)品質(zhì)量。產(chǎn)品品種齊全，容量覆蓋范圍大，功率元件及控制技術(shù)先進(jìn)的廠家，一般來說其實(shí)力強(qiáng)，生產(chǎn)態(tài)勢(shì)好，產(chǎn)品質(zhì)量一般來說也會(huì)有較好的保障。
(2) 效率
變頻器效率的高低，直接關(guān)系到變頻器調(diào)速節(jié)能的多少，因?yàn)樵谧冾l器運(yùn)行時(shí)，變頻
器本體也要消耗一部分電能。一般來說直接高壓變頻器的效率都可達(dá)到0.97~0.98,而高-低-高式高壓變頻器 由于多一個(gè)變壓器的損耗，使其系統(tǒng)效率有所降低。
(3) 功率因數(shù)
在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)，功率因數(shù)的變化是一項(xiàng)重要指標(biāo)。最好是在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)功率因數(shù)都保持在0.95以上，以使其符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB3485-83的標(biāo)準(zhǔn)，這只有電壓型變頻器和IGBT單相變頻器串聯(lián)的高壓變頻器能夠滿足此項(xiàng)規(guī)定。而電流型變頻器較難滿足這項(xiàng)要求。
(4) 諧波
國(guó)家對(duì)電網(wǎng)諧波有嚴(yán)格要求。限制用戶非線性諧波設(shè)備注入電網(wǎng)的諧波電流，是限制電網(wǎng)電壓正弦波畸變的關(guān)鍵。所用的高壓變頻器的諧波(即裝置對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波)必須符合國(guó)標(biāo)GB/T14549-93“電能質(zhì)量、公用電網(wǎng)諧波”的規(guī)定，在國(guó)際上要符合IEEE-519標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。對(duì)于電流型變頻器如采用六脈沖整流，則5次、7次諧波都超過了這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)采用12脈沖整流或附加諧波補(bǔ)償措施。
(5) 輸出容量和額定輸出電流
變頻器輸出容量以kVA或kW表示，它代表可以供給電動(dòng)機(jī)的輸出功率。用kW表示時(shí)，一般以四極標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)為基礎(chǔ)考慮;用kVA表示，需進(jìn)行核算。額定輸出電流是在額定電壓下變頻器能夠連續(xù)輸出的電流值。在以輸出容量為標(biāo)準(zhǔn)選擇了變頻器以后，還應(yīng)對(duì)額定輸出電流進(jìn)行核算，以使電動(dòng)機(jī)的額定電流不要超過變頻器的額定輸出電流。
(6) 率范圍
由最低使用頻率和最高頻率定義調(diào)速范圍。最低使用頻率的意思與起動(dòng)頻率不同。起動(dòng)頻率很小時(shí)，并不一定能使電機(jī)從該頻率起動(dòng)。變頻器要對(duì)最高頻率設(shè)定，對(duì)風(fēng)機(jī)、水泵的最高頻率應(yīng)設(shè)定(即箝位)在50Hz，所有的變頻器都可滿足這個(gè)要求，在選擇變頻器時(shí)可不作考慮，但使用中需注意此點(diǎn)。
(7) 電源容量和允許電壓變化范圍
供給變頻器的電源容量應(yīng)足夠大，電源電壓變化范圍應(yīng)在變頻器允許的范圍。用戶在選擇變頻器時(shí)應(yīng)根據(jù)自己電網(wǎng)容量及電網(wǎng)電壓的變化情況，對(duì)變頻器進(jìn)行選擇。曾有一個(gè)礦山因電壓波動(dòng)范圍超過了變頻器的允許范圍，而使變頻器不能正常應(yīng)用。
(8) 保護(hù)功能
變頻器樣本中一般表明其保護(hù)功能，這是為了檢測(cè)出變頻器的異常情況和防止外部原因及內(nèi)部異常對(duì)變頻器造成損害，保護(hù)變頻器正常運(yùn)行和變頻器安全可靠。因此保護(hù)種類是否齊全、完善，從一個(gè)方面反映變頻器質(zhì)量和運(yùn)行的安全可靠性。
(9) 價(jià)格
變頻器價(jià)格是用戶最關(guān)心的問題之一，用戶應(yīng)了解廠家或經(jīng)銷商所報(bào)出的價(jià)格的具體含義和具體內(nèi)容，及服務(wù)內(nèi)容，以及任選件價(jià)格等。還應(yīng)與其它廠家的變頻器進(jìn)行綜合比較。
5 結(jié)束語
《中華人民共和國(guó)節(jié)約能源法》第39條，已將變頻調(diào)速技術(shù)列為通用節(jié)能技術(shù)加以推廣。在礦山推廣應(yīng)用變頻器節(jié)能是重要目的之一，如風(fēng)機(jī)、水泵;同時(shí)也有提高生產(chǎn)效率、降低維修工作量、提高產(chǎn)品質(zhì)量等目的，如電鏟、牙輪鉆機(jī)、礦井提升機(jī)等。在礦山應(yīng)用變頻器和其它部門有相同之處，也有不同之處，如電鏟、牙輪鉆機(jī)、礦井提升機(jī)等設(shè)備應(yīng)用變頻器有一豺特殊要求，所用的變頻器還有一些技術(shù)開發(fā)工作要做。建議有關(guān)科研院所、變頻器生產(chǎn)廠家和礦山用戶共同合作，開發(fā)我國(guó)礦山設(shè)備使用的變頻器。
本文的目的在于拋磚引玉。由于作者的水平有限，資料不夠，經(jīng)驗(yàn)不足，所述內(nèi)容錯(cuò)誤之處在所難免，所論觀點(diǎn)也屬一孔之見，歡迎讀者和朋友們批評(píng)指正。
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