變頻控制技術(shù)在田壩煤礦應(yīng)用的前景分析
?
?
?
作 者 簡 介
姓 名：李和金
性 別：男
單位：云南省田壩煤礦
出生年月：1964年10月
地 址：曲靖 宣威市田壩鎮(zhèn) 田壩煤礦
郵 編：? 655407
聯(lián)系電話（傳真）：0874·6131853（6131868）
電子郵箱：tmjlhj@163.com
?
摘要：交流電動機傳統(tǒng)的控制技術(shù)，既不節(jié)能、安全性能又不好。隨著變頻控制技術(shù)的開發(fā)和推廣，近年來，田壩煤礦在個別設(shè)備上，引進、改造使用了變頻控制技術(shù)。實踐證明，變頻控制技術(shù)在運行中節(jié)能、安全、故障少、成本低。本文從幾年來的使用情況進行分析，并且展望了前景，對田壩煤礦乃至其上級東源公司的決策，可能有一定的參考作用。對于不當之處、恭請同仁批評和指正。
?
關(guān)鍵詞：變頻控制技術(shù)?? 田壩煤礦?? 應(yīng)用?? 前景分析
一? 概述
云南省田壩煤礦屬于上世紀建設(shè)投入生產(chǎn)的煤礦企業(yè)，加之實際核定生產(chǎn)能力遠遠沒有達到設(shè)計能力，因此，很大一部分設(shè)備電動機都存在“大馬拉小車”的情況，雖然在本世紀初也購置了部份裝備，但是。大部分裝備的三相異步電動機都是傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，這些控制方式主要有降壓式軟起動、液力耦合器和直接起動。普遍存在著三個方面的問題：一是設(shè)備起動過程中轉(zhuǎn)矩較小，運行過程中處于恒速運行狀態(tài)（提升機通過轉(zhuǎn)子投入/切除電阻有限地實現(xiàn)了一定的調(diào)速）；二是效率低下，運行維護成本及能耗較高；三是對設(shè)備的電氣和機械沖擊大，影響了設(shè)備的安全運行、縮短了它們的使用壽命。
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，變頻控制技術(shù)日益成熟和推廣應(yīng)用。田壩煤礦結(jié)合自身的實際情況，通過反復(fù)調(diào)研和分析，循序漸進、因地制宜、對個別設(shè)備對癥下藥引進使用了變頻控制技術(shù)，進行了技術(shù)改造。具體情況是：2009年10月份，更新了二號井的空壓機，新購置了3臺型號是AEDV250A的變頻控制螺桿式空壓機，淘汰了4L-40/8型號的活塞式空壓機； 2014年12月份，對二號井副井多繩摩擦提升機JKMK/J-B-10·I型號的電控系統(tǒng)進行了技改，更換為型號是ZTK(P)提升機雙PLC高壓變頻電控系統(tǒng)；2015年8月份，對二號井井下的電阻調(diào)速防爆絞車電控系統(tǒng)進行技改，更新為BPJ系列礦用隔爆兼本質(zhì)安全型交流變頻器控制系統(tǒng)。
二? 交流異步電動機變頻控制的基本原理
根據(jù)《電工學(xué)》知識，三相交流異步電動機的電機方程式如下，
n = 60f/p×（1-s）=? n0（1-s）
??? 式中：
n------電動機轉(zhuǎn)速；?
n0------同步轉(zhuǎn)速，（2極電動機為3000轉(zhuǎn)/分、4極電動機為1500轉(zhuǎn)/分、6極電動機為1000轉(zhuǎn)/分、8極電動機為750轉(zhuǎn)/分）；
s------轉(zhuǎn)差率，同步電動機為0；
f------三相交流電供電頻率，中國標準是50Hz；
p――電動機磁極對數(shù)。
?
從以上公式可以看出，三相交流異步電機能夠通過改變供電頻率、電機繞組、改變轉(zhuǎn)差率的方式進行調(diào)速。
變頻調(diào)速即為改變供電電源的頻率調(diào)速方式。通過改變頻率，即可得到不同的機械特性曲線。變頻調(diào)速采用矢量控制。
矢量控制的基本原理是通過測量和控制異步電動機定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進行控制，從而達到控制異步電動機轉(zhuǎn)矩的目的。具體是將異步電動機的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量(勵磁電流)和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量(轉(zhuǎn)矩電流)分別加以控制，并同時控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以稱這種控制方式稱為矢量控制方式。矢量控制方式又有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式、無速度傳感器矢量控制方式和有速度傳感器的矢量控制方式等。
根據(jù)三相交流異步電動機的電機方程，如果電動機的轉(zhuǎn)差率為0，則電動機的轉(zhuǎn)速就達到相應(yīng)極數(shù)的同步轉(zhuǎn)速。
根據(jù)三相交流異步電動機的電機方程，如果供給電動機電源的頻率發(fā)生變化，則電動機的轉(zhuǎn)速也就相應(yīng)地變化。變頻調(diào)速即為改變供電電源的頻率調(diào)速方式，通過改變頻率，可得到不同的機械特性曲線，變頻調(diào)速采用矢量控制，這就是變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的基本原理?；谶@個理論基礎(chǔ)，近年來，各種功率的高、低壓變頻控制系統(tǒng)裝備被被開發(fā)出來、推廣和應(yīng)用。
三? 田壩煤礦應(yīng)用變頻控制的實際情況
從2009年開始，田壩煤礦分別在地面空壓機、地面和井下提升機改造使用了變頻控制技術(shù)。雖然變頻控制技術(shù)裝備的電壓等級不同、制造廠家不同，但是通過實際使用，變頻控制技術(shù)的優(yōu)點都大同小異，反映在以下幾個方面：
（一）改善了設(shè)備的起動性能，設(shè)備起動時不僅起動轉(zhuǎn)矩大，而且起動電流小，特別是對提升機的控制，使提升機平滑起動和運行，減少了機械沖擊。
（二）設(shè)備運行中，動態(tài)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)性好，調(diào)速精度高。
（三）位能負載，恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，也就是設(shè)備帶負荷運行中調(diào)速時，保持了轉(zhuǎn)矩不受影響。
（四）由于變頻器采用了AEF可控前端整流技術(shù)，所有能量可以在電網(wǎng)和電機之間雙向流動，很好的提高了電能的利用率，節(jié)能效果明顯（詳細的計算和論證在后面專門介紹）。
（五）達到了無級調(diào)速。起動、調(diào)速既操作非常方便，又調(diào)速范圍較大，而且平滑性極高。
（六）變頻控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定、故障率少，運行成本和維護成本低廉、維護簡單。
四? 田壩煤礦尚需進行變頻技改的主要設(shè)備介紹以及前景趨勢
目前，田壩煤礦還有絕大部分設(shè)備沒有使用變頻調(diào)速控制技術(shù)，這些設(shè)備是主要通風(fēng)機，6臺；瓦斯抽放泵，4臺；提升機3臺；主要膠帶輸送機，1臺；主要排水泵，3臺。這些設(shè)備總的裝機容量是5144 kW（實際使用容量2902 kW），如果都改造為變頻控制系統(tǒng)，那么，節(jié)約的電能都是相當可觀的，下面分別進行計算和論證。
通過對田壩煤礦副井JKMD-2.25型號提升機改造前后的電耗統(tǒng)計對比計算的結(jié)果是：改造為變頻控制系統(tǒng)之后節(jié)約了50% ；此外，根據(jù)網(wǎng)上經(jīng)驗介紹：變頻器調(diào)速比傳統(tǒng)的電磁調(diào)速可以節(jié)電25%-80%，具體節(jié)電的多少就要在看客戶的設(shè)備的不同而不同。在此，按照30%的節(jié)約進行計算。
（一）關(guān)于6臺主要通風(fēng)機的節(jié)能計算
每臺對旋軸流式主要通風(fēng)機電動機的額定功率是
2×132 = 264 kW
6臺裝機容量1584 kW，因為1臺運行、1臺備用，因此，實際使用容量是792 kW。
采用變頻控制后按照30%的節(jié)約，相當于可以節(jié)約238 kW功率。
主要通風(fēng)機是晝夜連續(xù)運行，每年可節(jié)約電能為
238×24×360 = 2056320 kWh
如果按照0.4元/kWh的電價計算，年節(jié)約電費
?2056320 kWh×0.4元/kWh = 822528元。
（二）關(guān)于4臺瓦斯抽放泵的節(jié)能計算
因為瓦斯抽放泵電動機有2臺250 kW和2臺400 kW，所以裝機容量
2×（250 + 400） = 1300 kW
在裝機容量1300 kW，因為高、低負壓抽放時2臺運行、2臺備用，因此，實際使用容量是650 kW。
采用變頻控制后按照30%的節(jié)約，相當于可以節(jié)約195 kW功率。
實際生產(chǎn)過程中，瓦斯抽放泵也是晝夜連續(xù)運行，按照年運行300天計算，那么每年可節(jié)約電能為
195×24×300 = 1404000 kWh
如果按照0.4元/kWh的電價計算，年節(jié)約電費
?1404000 kWh×0.4元/kWh = 561600元。
????? （三）關(guān)于3臺提升機的節(jié)能計算
3臺提升機裝機電動機功率
2 ×155 + 110 = 420 kW
實際使用功率也就是420 kW。
采用變頻控制后按照30%的節(jié)約，相當于可以節(jié)約126 kW功率。
按照晝夜運行12小時、年實際生產(chǎn)276個工作日計算，每年可節(jié)約電能為
126×12×276 = 417312 kWh
如果按照0.4元/kWh的電價計算，年節(jié)約電費
?417312 kWh×0.4元/kWh = 166925元。
?????? （四）關(guān)于1臺主要膠帶輸送機的節(jié)能計算
主要膠帶輸送機電動機的額定功率是
2×320 = 640 kW
實際使用功率就是640 kW。
采用變頻控制后按照30%的節(jié)約，相當于可以節(jié)約192 kW功率。
主要膠帶輸送機晝夜間斷運行15小時，年實際生產(chǎn)276個工作日計算，每年可節(jié)約電能為
192×15×276 = 794880 kWh
如果按照0.4元/kWh的電價計算，年節(jié)約電費
?794880 kWh×0.4元/kWh = 317952元。
????? （五）關(guān)于3臺主要排水泵的節(jié)能計算
因為每臺主要排水泵電動機的額定功率是400 kW，所以總裝機容量1200 kW。
在實際中，1臺運行、1臺備用、1臺檢修，因此，實際使用功率是400 kW。
采用變頻控制后按照30%的節(jié)約，相當于可以節(jié)約120 kW功率。
主要排水泵晝夜運行18小時，年可節(jié)約電能
120×18×360 = 777600 kWh
如果按照0.4元/kWh的電價計算，年節(jié)約電費
?777600 kWh×0.4元/kWh = 313040 元。
??????
???? 通過以上五個方面的計算，如果把電控系統(tǒng)均改造為變頻控制系統(tǒng)，那么，年節(jié)約電費是
??? ?????822528 + 561600 + 166925 + 317952 + 313040 ?= 2182045 ?元
另外一個方面，通過對相關(guān)廠家的咨詢和初步調(diào)研，如果對以上五個方面17臺設(shè)備進行技術(shù)改造，預(yù)計需要改造資金費用大約 400萬元。因此，
??? 4000000 ÷ 2182045 = 1.83 年 ≈ 2 年
也就是說，如果把17臺設(shè)備改造為變頻控制，那么，所投入的改造資金，只需要大約2年就可以通過電費的節(jié)約收回來。加之，今后節(jié)能環(huán)保是發(fā)展的趨勢，按照“國家煤礦安全監(jiān)察局關(guān)于印發(fā)《煤礦安全生產(chǎn)標準化考核定級辦法（試行）》和《煤礦安全生產(chǎn)標準化基本要求及評分方法（試行）》的通知，煤安監(jiān)行管﹝2017﹞5號”以及“中華人民共和國發(fā)展和改革委員會公告（2018第3號） 《國家重點節(jié)能低碳技術(shù)推廣目錄（2017年本版本 節(jié)能部分）》”的要求，田壩煤礦以上的設(shè)備勢必進行技術(shù)改造。
五? 結(jié)束語
通過上述對變頻控制技術(shù)基本理論和田壩煤礦使用變頻控制技術(shù)的情況介紹，以及對田壩煤礦尚未改造設(shè)備的計算分析和論證。以下是本文的結(jié)束語（一個結(jié)論和一個建議）。
（一）結(jié)論：很有必要盡早對17臺設(shè)備進行技術(shù)改造。
（二）建議：懇求田壩煤礦的上級東源公司乃至云南煤化工集團對田壩煤礦給予資金幫助，以便田壩煤礦有計劃地完成對17臺設(shè)備的技改工作。
?
?
?
?
?
?
參考文獻：
國家煤礦安全監(jiān)察局關(guān)于印發(fā)《煤礦安全生產(chǎn)標準化考核定級辦法（試行）》和《煤礦安全生產(chǎn)標準化基本要求及評分方法（試行）》的通知，煤安監(jiān)行管﹝2017﹞5號
中華人民共和國發(fā)展和改革委員會公告（2018第3號） 《國家重點節(jié)能低碳技術(shù)推廣目錄（2017年本，節(jié)能部分）》
搜狗? 360百科 等網(wǎng)站之《變頻技術(shù)》
