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    引言

    我國煤礦開采僅在2005年即耗能5086.81×10△t標準煤,耗電376.04×10⁸kW·h,分別占全國總耗能量和總耗電量的3.86%和3.49%。所以，煤炭工業既是產能大戶,又是耗能大戶，同時也是節能潛力大戶。目前我國煤礦行業存在電機啟動困難、機械損傷嚴重以及自動化程度低等問題迫切需要利用變頻技術進行節能降耗。據統計，按節電率30%計，采用變頻調速技術年節電潛力至少為10×10⁸～15×10⁸kW·h。所以，利用變頻技術對現有電機設備進行節能改造，是解決我國煤炭工業高消耗、低效益的措施。
 
    HIVERT高壓變頻器對煤礦現場的改造

    1、礦井提升機

    作為礦井井下和地面的工作機械，礦井提升機（mine hoist）是一種大型絞車。用鋼絲繩帶動容器（罐籠或箕斗）在煤礦井筒中升降，完成輸送物料和人員的任務。礦井提升機是由原始的提水工具逐步發展演變而來。現代的礦井提升機提升量大，速度高，已發展成為電子計算機控制的全自動重型礦山機械，如圖一是礦井提升機結構圖，圖二是改造后的礦井提升機工作原理

    未改造的礦井提升機存在工作可靠性低、故障率高、穩定性較差、能源消耗大等弊端。經過高壓變頻器改造后的礦井提升機的工作步驟如下圖三。


    對于改造后的提升機無論正轉、反轉其工作過程是相同的，都有起動、加速、高速穩定運行、減速、低速爬行、制動停車等六個階段。每完成一次提升動作所用的時間，與系統的運行速度，加速度及斜井的深度有關。各段加速度的大小，根據工藝情況確定，運行的時間由操作工人根據現場的狀況自定。圖中各個階段的工作情況如下：

    1） 第一階段 t1：串車車廂在井底工作面裝滿煤后，發一個聯絡信號給井口提升機操作工人，操作工人再回復一個信號到井底，然后開機提升。重車從井底開始上行，空車同時在井口車場位置開始下行。

    2）  第二階段t2：重車起動后，加速到變頻器的頻率為f2速度運行，中速運行的時間較短，只是一過渡段，加速時間內設備如果沒有問題，立即再加速到正常運行速度。

    3）  第三階段 t3：重車以變頻器頻率為f2的最大速度穩定運行，一般這段過程最長

    4）  第四階段 t4：操作工人看到重車快到井口時立即減速，如減速時間設置較短時，變頻器制動單元和制動電阻起作用，不致因減速過快跳閘。

    5）  第五階段 t5：重車減速到低速以變頻器頻率為f1速度低速爬行，便于在規定的位置停車。

    6）  第六階段 t6：快到停車位置時，變頻器立即停車，重車減速到零，操作工人發一個聯絡信號到井下，整個提升過程結束。

    以上為人工操作程序，也可按PLC自動操作程序工作。利用合康HIVERT高壓變頻改造后的提升機工作可靠性提高了。由于變頻器采用的是進口電子器件，壽命長，且具有完善的保護功能，用于提升絞車控制時，其可靠性很高，減少了故障率。通常變頻器都采用磁通矢量控制，使得交流電機的調速性能控制精度非常高。穩定的變頻技術應用使提升機基本無維護工作量，減低了維護人員的工作強度。使用矢量控制系統能夠使調速范圍寬廣，屬于無級調速，低速時穩定性好。采用變頻器控制提升機后，降低了運行噪聲、發熱量，改善了現場環境，而且使能源消耗大大降低。節能效果顯著，據實測可達到30%以上。電控系統現場變更控制內容十分簡單，安裝調試容易。自動化程度高，操作簡單，降低司機勞動強度和操作難度。
 
    2、皮帶機

    與提升機的用途基本同理，皮帶機也是從井下運送煤到地面。區別在于皮帶機的功率更大，它的啟動和運行方式為繞線電機經轉子繞組降壓啟動后工頻運行，經液力耦合器切換至皮帶機。圖四是煤層工作原理，圖五是皮帶機現場示意圖。

  
    皮帶機的工作原理是皮帶機通過驅動輪轂，靠摩擦力牽引皮帶運動，皮帶通過張力變形和摩擦力帶動物體在支撐輥輪上運動。皮帶是彈性儲能材料，在皮帶機停止和運行時都儲存有大量勢能，這就決定了皮帶機啟動時應該采用軟啟動的方式。國內大多數煤礦采用液力耦合器來實現皮帶機的軟啟動，在啟動時調整液力耦合器的機械效率為零，使電機空載啟動。雖然采用了轉子串接電阻改善啟動轉矩和降壓空載啟動等方法，但電機的啟動電流仍然很大，不僅會引起電網電壓的劇烈波動，還會造成電機內部機械沖擊和發熱等現象。同時采用液力耦合器軟起皮帶時，由于啟動時間短、加載力大容易引起皮帶斷裂和老化，要求皮帶的強度高。加之液力耦合器長時間工作會引起其內部油溫升高、金屬部件磨損、泄漏及效率波動等情況發生，不僅會加大維護難度和成本、污染了環境，還會使多機驅動同一皮帶時難以解決功率平均和同步問題。

    經過變頻技術改造后皮帶機徹底實現了皮帶輸送機的軟起、軟停運行方式，使皮帶機在工作中更加性能穩定。系統的功率因數在整個過程中達0.9以上，大大節省了無功功率。采用變頻器驅動后，使系統總的傳遞效率要比液力偶合器驅動的效率高5%～10%系統效率。改造后系統可以根據負載變化情況自動調整輸出頻率和輸出力矩，改變了以前電機工頻恒速運行的模式，在很大程度上節約了電力能源消耗。而且四象限中高壓變頻器的使用實現了皮帶機能量回饋功能，進一步使得皮帶機的能耗降低，液力耦合器的退出更大地節約了設備的維護和維修費用。在節能環保方面更加的完善。
 
    3、煤礦主通風機


    N-所需電機功率，系指I，II級電機的總功率（kW）；

    Pst－礦井最困難時期總阻力（Pa） ；

    Q－礦井最困難時期總風量（m3/s）；

    ηst－按Pst、Q參數查本樣本的實際運行工況效率；

    K－功率貯備系數，一般取K＝1.1～1.15。
 

    常規煤礦通風機有“電老虎”之稱，導致電能浪費嚴重。啟動困難，機械損傷嚴重。主扇風機采用直接啟動，啟動電流大，對電動機的絕緣有著較大的威脅，嚴重時甚至燒毀電動機。而高壓電動機在啟動過程中所產生的單軸轉矩現象使風機產生較大的機械振動應力，嚴重影響到電動機、風機及其它機械的使用壽命。自動化程度低。主扇風機依靠人工調節檔板，更不具備風量的自動實時調節功能，自動化程度低。在故障狀態下，如風流短路，將對礦井正常生產造成嚴重影響。

    如果變頻器出現了問題，會影響到底下礦工的作業，甚至影響到人生的安全。所以說這個方面對高壓變頻器的產品質量要求非常高。HIVERT高壓變頻器有著很高的穩定特性，能夠持續而且很穩定的保持通風機的正常運行。

    礦用通風機采用變頻調速后，節約了電能，而且可根據巷道的風量需求方便的進行調速，避免浪費，應用效果是十分理想的。而且變頻節能運行，節約了大量能源。由于變頻改造后不再使風機一直處于滿負荷工作狀態。 

    由于變頻器改造后風機可以實現變頻軟起動，避免了起動電流的沖擊，不僅對電網沒有任何沖擊，而且還可以隨時起動或停止。進行變頻改造后，風機的大部分工作時間都在較低的速度下運行，因而大大降低了風機工作的機械強度和電氣沖擊，將會大大延長風機的使用壽命，降低維修強度。

    需要注意的是煤礦對旋風機變頻調速后，一般情況下要求兩臺電機的運行頻率盡量一致，從而保證電機轉速一致。避免一臺轉速高，一臺轉速低，形成風阻，影響風機的正常運行。
 
    結束語

    我國是世界上的產煤大國，也是噸煤電耗比較高的國家。由于技術、管理、體制等原因，大多數煤礦的勞動力效率低下，對于我國的煤礦開采業應以可持續發展為根本目的。通過許多的實際應用案例表明，高壓變頻器應用于煤礦系統改造能取得良好的運行效果和經濟效益。在國家倡導建設節約型社會的大形勢下，煤礦行業高壓變頻改造正在成為前途光明的朝陽產業。合康HIVERT高壓變頻器以穩定的質量和良好的服務致力于與煤礦行業加強合作，共創美好的未來。