- 相關(guān)推薦
變頻調速技術(shù)在礦山中的應用
1 概述
礦山按產(chǎn)品類(lèi)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(kāi)采礦山和地下開(kāi)采礦山兩大類(lèi)。本文主要介紹變頻調速器在金屬礦山中的應用的現狀和應用前景，對煤礦亦有參考價(jià)值，因為露天煤礦和露天金屬礦開(kāi)采方式和生產(chǎn)設備基本相同，地下礦山除需要考慮設備的防爆問(wèn)題外，大部分生產(chǎn)設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)設備有很大不同。
露天礦山是以大型設備為主要特點(diǎn)，要求優(yōu)良的電氣傳動(dòng)系統，以保證這些大型設備的高效率運行。露天礦山的這些大型設備包括用于穿孔的牙輪鉆機，用于裝載礦、巖石的電鏟(挖掘機)，用于礦、巖石的大型汽車(chē)等。它們都要求電氣傳動(dòng)系統具有良好的調速性能，目前這些大型設備大多采用直流調速傳動(dòng)系統。
地下礦山的生產(chǎn)較露天礦山復雜。由于井下生產(chǎn)的空間窄小，使生產(chǎn)設備潮濕、陰暗，粉塵大、噪音大、振動(dòng)大、并有塌方的危險，工作條件十分惡劣。因此，井下生產(chǎn)設備的體積受限，這些設備以小型化為主，體積小、重量輕，對電氣傳動(dòng)的要求不高。但提升、排水、通風(fēng)、壓氣等固定設備是地下礦山的要害部門(mén)，也是耗電大戶(hù)，因此，這些設備的安全運行和節能就顯得至關(guān)重要。
根據我們多年來(lái)從事礦山電氣傳動(dòng)的經(jīng)驗及在礦山進(jìn)行變頻調速的應用實(shí)踐，我認為，在礦山應用變頻調速技術(shù)對于提高礦山生產(chǎn)設備的效率，節約電能都是至關(guān)重要的。但遺憾的是在礦山應用變頻調速技術(shù)還很不普遍，除了因變頻器的問(wèn)題外，與人們對變頻器的認識不夠有關(guān)，也與不能正確了解礦山設備對變頻器的特殊要求、不能正確地應用變頻器、因此所帶來(lái)的負面影響有很大關(guān)系。
本文主要介紹目前礦山應用變頻器的狀況，礦山設備對電氣傳動(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備中的應用
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)常出現過(guò)大的沖擊載荷，甚至堵轉。因此，電鏟對電氣傳動(dòng)系統就有較高的要求:要求電氣傳動(dòng)系統的特性曲線(xiàn)的包絡(luò )面積大，有足夠的有用功率;要求有良好的調速性能，能四象限運行，能快速地進(jìn)行加、減速和反轉，動(dòng)態(tài)響應速度快;要求系統制動(dòng)性能好，并能回收能量;要求系統運行可靠，維修方便等。由于電鏟對電氣傳動(dòng)系統的這些特殊要求，所以，我國電鏟目前應用的電氣傳動(dòng)系統主要還是直流傳動(dòng)系統。例如:WK-4M、WK10、WD-1200和195-B等型號的電鏟都是采用直流發(fā)電機-直流電動(dòng)機系統(簡(jiǎn)稱(chēng)機組系統);從美國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)機系統(簡(jiǎn)稱(chēng)晶閘管直流系統)。雖然后者比前者技術(shù)先進(jìn)，效率也有所提高，但這兩種系統都還存在直流電機的固有的缺點(diǎn)，即維修工作量大、效率較低等。
自上世紀90年代后期，我國有個(gè)別礦山從美國B(niǎo)-E公司引進(jìn)了變頻器-鼠籠型電動(dòng)機系統(簡(jiǎn)稱(chēng)交流變頻調速系統)，這是全交流化的電鏟電氣傳動(dòng)系統。例如:385-B、295-BⅡ、290-BⅢ型電鏟就是全交流化電鏟，變頻調速由德國SIEMENS公司開(kāi)發(fā)、提供的電壓型變頻器�，F以395-B電鏟為例作一簡(jiǎn)要說(shuō)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(xiàn)。在直流母線(xiàn)上有4臺容量為750kVA的逆變器，其中2臺并聯(lián)供電給1臺容量為1066kW的提升電動(dòng)機;第三臺逆變器供電兩臺容量各為243kW的回轉電動(dòng)機;第四臺逆變器供電給容量為294kW推壓電動(dòng)機。當某工作機構處于再生制動(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(xiàn)上，可供其它工作機構使用，使能量得到充分利用。使用不完的制動(dòng)能量，可以通過(guò)制動(dòng)電阻消耗掉。
實(shí)踐證明，交流變頻調速電鏟和前兩種直流調速電鏟相比，具有節約電能、調速性能好、可靠性高、維護量小、生產(chǎn)效率高、功率因數高(0.95以上)等優(yōu)點(diǎn)，是公認的電鏟電氣傳動(dòng)系統的發(fā)展方向。
2.2 變頻器在牙輪鉆機中的應用
牙輪鉆機是露天礦山、尤其是大型露天礦山的主要穿孔設備。為使牙輪鉆機在不同的巖層中都能保持較佳的鉆進(jìn)狀態(tài)，要求鉆機的回轉機構能根據巖層的性質(zhì)進(jìn)行無(wú)級調速。鉆機的提升/行走機構也需要無(wú)級調速。目前，牙輪鉆機的回轉機構和提升/行走機構一般都是直流電動(dòng)機傳動(dòng)。主要有三種調速裝置:(1)采用晶閘管直流調速裝置的牙輪鉆機有:YZ-55，YZ-35和YZ-12型;(2)采用大功率磁放大器調速裝置的有KY-250型牙輪鉆機和從美國進(jìn)口的45R型牙輪鉆機;(3)采用直流發(fā)電機組調速裝置的有從美國進(jìn)口的60R型牙輪鉆機。
牙輪鉆機上應用變頻調速技術(shù)不僅是為了節能，更重要的是為了提高鉆機的生產(chǎn)效率，降低維修工作量�；剞D機構電動(dòng)機安裝在鉆桿的頂端，工作條件異常惡劣，以往使用的直流電動(dòng)機經(jīng)常損壞，維修工作量大，影響牙輪鉆機的正常作業(yè)和效率的提高。因此采用堅固耐用的交流鼠籠型電動(dòng)機代替直流電動(dòng)機，用變頻調速裝置代替直流調速裝置，就成為人們公認的牙輪鉆機電氣傳動(dòng)的發(fā)展方向。在牙輪鉆機上應用變頻調速技術(shù)的難點(diǎn)在于:鉆機的轉機構等對調速裝的性能要求高，因為由于巖層條件的不同，鉆機在鉆進(jìn)工作時(shí)有可能被卡鉆，使回轉機構堵轉，這就要求調速裝置的機械特性曲線(xiàn)具有挖土機特性，并具有立即反轉和立即重新起動(dòng)、鉆進(jìn)功能;牙輪鉆機振動(dòng)大，對調速設備的防振要求高。變頻調速在牙輪鉆機中的應用首先是由美國B(niǎo)-E公司在55R型牙輪鉆機上應用。我國礦山的牙輪鉆機的變頻調速還在開(kāi)發(fā)試驗之中，尚未在推廣應用。
2.3 電動(dòng)輪汽車(chē)的電氣傳動(dòng)
目前，大型露天礦山的運輸主要是采用無(wú)軌運輸，而主要運輸設備是大型汽車(chē)，特別是電動(dòng)輪汽車(chē)成為了大型露天礦山的主要運輸設備。這是因為電氣傳動(dòng)比機械傳動(dòng)有更多的優(yōu)點(diǎn)。如調速性能好，響應速度快，調速平滑無(wú)沖擊;可實(shí)現恒功率調節，能充分利用柴油發(fā)動(dòng)機的功率，耗油少;制動(dòng)安全，牽引特性好等。目前，世界各國大型露天礦，包括我國的大型露天礦都普遍采用電動(dòng)輪汽車(chē)。我國自1975年以來(lái)，引進(jìn)了不少電動(dòng)輪汽車(chē)，并成功研制開(kāi)發(fā)了SF3102型100t和LN-3100型108t電動(dòng)輪汽車(chē)，與美國Unit Rig公司合作制造了MARK-36型154t電動(dòng)輪汽車(chē)。
電動(dòng)輪汽車(chē)的電氣傳動(dòng)系統主要有柴油發(fā)動(dòng)機帶動(dòng)的直流發(fā)電機-直流電動(dòng)機系統和柴油發(fā)動(dòng)機帶動(dòng)的交流發(fā)電機-交流電動(dòng)機系統，它通過(guò)控制發(fā)電機的勵磁來(lái)控制電動(dòng)機的轉速。隨著(zhù)變頻調速技術(shù)的發(fā)展，人們也在探討將變頻調速技術(shù)應用于電動(dòng)輪汽車(chē)電氣傳動(dòng)的可能性。但目前尚未見(jiàn)到成功的先例。不過(guò)，作為大型露天礦山的主要運輸設備的電動(dòng)輪汽車(chē)，人們會(huì )繼續努力，研究將變頻調速技術(shù)應用于電動(dòng)輪汽車(chē)，以進(jìn)一步改善其調速性能，提高其運輸能力。
3 變頻器在地下礦山中的應用
3.1 變頻調速技術(shù)在礦井提升機中的應用
礦井提升機是地下礦山運輸的主要設備。它是用一定的裝備沿井筒運出礦石、廢石、升降人員及、設備等運輸環(huán)節。礦井提升設備按井筒傾角可分為豎井提升設備和斜井提升設備;按提升容器可分為罐籠提升機和箕斗提升機等;按提用途可分為主提升機(專(zhuān)們或主性提升礦石，一般稱(chēng)為主井提升機)，副井提升機(提升廢石、升降人員、運送材料和設備等，一般稱(chēng)為副井提升機)和輔助提升機(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(wú)論哪種提升機，對電氣傳動(dòng)的要求都很高，因為電氣傳動(dòng)系統性能的優(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。對礦井提升機電氣傳動(dòng)系統的要求是:有良好的調速性能，調速精度高，四象限運行，能快速進(jìn)行正、反轉運
行，動(dòng)態(tài)響應速度快，有準確的制動(dòng)和定位功能，可靠性要求高等。
目前，我國地下礦山礦井提升機的電氣傳動(dòng)系統主要有:對于大型礦井提升機，主要采用直流傳動(dòng)系統，有采用直流電動(dòng)機-直流發(fā)電機系統和晶閘管變流器-直流電動(dòng)機系統;這兩種系統都存在著(zhù)直流電動(dòng)機固有的缺點(diǎn)，如效率不高，維修工作量較大等。對于中、小型提升機，則多采用交流電氣傳動(dòng)系統，如采用交流繞線(xiàn)式電動(dòng)機，使用電機轉子切換電阻調速，這種電氣傳動(dòng)系統雖然設備簡(jiǎn)單，但它是有級調速，調速性能差，效率低，大量的電能消耗在電動(dòng)機轉子電阻上，而且可靠性也差。
將變頻調速技術(shù)應用于礦井提升機是礦井提升機電氣傳動(dòng)系統的發(fā)展方向。我國已有幾臺大型礦井提升機采用交-交變頻調速系統，取得了很好的效果，但其缺點(diǎn)是功率因數不高，諧波大，需加諧波和功率因數補償裝置。隨著(zhù)變頻調速技術(shù)的發(fā)展，交-直-交電壓型變頻調速技術(shù)已開(kāi)始在礦井提升機中應用。例如國外已有礦山將有源前端三電平變頻器應用于礦井提升機上，據介紹，采用這種變頻調速的交流提升機可以克服直流調速系統和交-交變頻調速系統的缺點(diǎn)，是提升機電氣傳動(dòng)的發(fā)展方向。對于小型交流提升機已有成功應用變頻器的實(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(kāi)發(fā)的變頻器，成功地應用于山東寧陽(yáng)縣華寧煤礦的380V,180kw 的交流提升機上。
3.2 變頻調速技術(shù)在空壓機中的應用
空氣壓縮機是地下礦山生產(chǎn)的重要設備之一，它生產(chǎn)壓縮空氣，用以帶動(dòng)風(fēng)動(dòng)鑿巖機、風(fēng)動(dòng)裝巖機等設備以及其它風(fēng)動(dòng)工具，其耗電量在礦山總耗電量中占有相當大的比重。深入分析空氣壓縮機的電能消耗情況，找出節能潛力，實(shí)現空氣壓縮機的節能運行，將會(huì )降低礦山生產(chǎn)，提高其效益�，F以凡口鉛鋅礦為例說(shuō)明:
凡口鉛鋅礦坑口空壓機站共有6臺空氣壓縮機，其中4臺為日本日立空氣壓縮機。４臺日立壓縮機型號:BTD2，排氣壓力7kg/cm2，排氣量103m3/min屬兩級壓縮活塞式壓縮機，其拖動(dòng)電機型號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臺國產(chǎn)空氣壓縮機(活塞式空氣壓縮機)，其拖動(dòng)電機為高壓(6kV)同步電動(dòng)機。6臺空氣壓縮機采用并聯(lián)運行方式。一般情況下，只運行2～3臺(其中一臺國產(chǎn)空氣壓縮機)其余的空氣壓縮機作為備用�？諝鈮嚎s機站的容量是按最大排氣量并考慮備用來(lái)確定的，然而在實(shí)際的使用過(guò)程中，用氣設備的耗氣量是經(jīng)常變化的，當耗氣量小于壓縮空氣站的排氣量時(shí)，便需對空氣壓縮機進(jìn)行控制，以減少排氣量使之適應耗氣量的變化，否則空氣壓縮機排氣系統的壓力會(huì )升至不能允許的數值，使空氣壓縮機和用氣設備的零部件負載過(guò)大，并有發(fā)生爆炸的危險。凡口鉛鋅礦4臺日本日立空壓機采用的是多級壓力節流進(jìn)氣控制方式:即當壓力低于6.2Mpa時(shí),打開(kāi)全部進(jìn)氣閥,壓縮機組以100%負荷率狀態(tài)運行;當壓力達到6.2~6.5Mpa時(shí)關(guān)閉隙閥，壓縮機組以75%負荷率運行;當壓力達到6.8~7Mpa時(shí),關(guān)閉一個(gè)進(jìn)氣閥,壓縮機組以50%負荷率運行,當壓力達到7Mpa時(shí)關(guān)閉所有進(jìn)氣閥,壓縮機組進(jìn)入空載運行狀態(tài).由于活塞式空氣壓縮機的起、停有著(zhù)嚴格而復雜的規程，不允許頻繁起停。為了滿(mǎn)足井下用氣量的變化，一般由調度人員根據井下用氣量的時(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(kāi)的空壓機臺數由該時(shí)段內最大用氣量決定。在該時(shí)段內，空壓機不允許增開(kāi)或停開(kāi)(特殊情況除外)。地下礦金屬礦山的空壓機站多采用這種方式，但這種控制方式很顯然存在一些比較大的缺點(diǎn):
(1) 據，壓縮機組75%負荷運行率為41%，50%負荷運行率為14%。無(wú)論空氣壓縮機是處于75%、50%還是空載運轉狀態(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)各臺空氣壓縮機仍然全速生產(chǎn)壓縮空氣，帶來(lái)了不必要的電能浪費。
(2) 節精度低，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(用風(fēng)量大且變化頻繁)，不能穩定風(fēng)壓;
(3) 閥門(mén)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)系統工作壓力偏高，增大了單位壓風(fēng)量的功耗;
(4) 當空壓機運行在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(guò)程壓風(fēng)量的損失，降低了壓風(fēng)機的效率。
因此有必要對現有的調節方式進(jìn)行改進(jìn)，以節約電能，提高空壓機的運行效率。我院和凡口鉛鋅礦合作，用變頻調速對其空壓機站進(jìn)行技術(shù)改造。
空壓機恒壓自動(dòng)控制變頻調速系統結構如圖1所示:
圖1 空氣壓縮機恒壓控制變頻調速系統框圖
空壓機恒壓自動(dòng)控制變頻調速系統可實(shí)現對5#空壓機和6#空壓機的輪換控制。5#空壓機和6#空壓機均可由新老兩套系統拖動(dòng)，這樣做有兩個(gè)目的:伒5#空壓機出現故障需要檢修時(shí)，新系統可迅速切換到6#機，以提高恒壓控制變頻調速系統的利用率;當新系統出現故障需要停車(chē)檢修時(shí)，能夠很快地投入老系統運行，不致于影響正常生產(chǎn);當管網(wǎng)壓力超出恒壓調節范圍時(shí)，系統發(fā)出增開(kāi)或者減開(kāi)一臺空壓機。
系統于1999年4月2日在凡口鉛鋅礦通過(guò)了驗收，正式移交生產(chǎn)使用，系統運行十分正常，滿(mǎn)足了生產(chǎn)的需要，達到了預期的目的。本系統的目的是為了節能，根據廣州金粵節能服務(wù)站對本系統做的節能測試:采用本空氣壓縮機恒壓控制變頻調速系統平均每天節電量2226kWh。按照年工作日330天計，則采用恒壓控制變頻調速系統每年可節電734629kWh，按照凡口鉛鋅礦現行電價(jià)0.7元/kWh計，每年可節約電費51.42萬(wàn)元。本系統總共98萬(wàn)元，兩年內即可收回全部投資。本系統應用的成功為活塞式空氣壓縮機的節能運行提供了重要的新手段，對于企業(yè)節能降耗，提高企業(yè)經(jīng)濟效益有重要意義，有廣闊的推廣應用前景。
3.3 變頻調速技術(shù)在礦井通風(fēng)機中的應用
礦井通風(fēng)機是地下礦山生產(chǎn)的主要用電設備之一，其節能運行在礦山節電中占有重要的地位。礦井通風(fēng)機一般采用異步電機或同步電機拖動(dòng)，恒速運轉，一般容量大，電機供電電壓高(6kV或10kV)。
礦山建設的特點(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)機在設計選型時(shí)，往往是按最大開(kāi)采量時(shí)所需的風(fēng)量為依據的，一般都留有余量，因此礦井在投產(chǎn)后幾年甚至十幾年內，礦井通風(fēng)機都是處在低負載下運行。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)機一般不調節風(fēng)量，若要調節風(fēng)量時(shí)，傳統的方法是調節檔板。這種辦法雖然簡(jiǎn)單，但從節能的觀(guān)點(diǎn)看，是很不經(jīng)濟的。圖2所示為幾種調節風(fēng)量的方法節電比較。
圖2 不同風(fēng)量調節方法功率消耗曲線(xiàn)
圖2中:1—擋板法;2—前導器法;3—液力耦合器;4—繞線(xiàn)電動(dòng)機切換轉子電阻調速法;5—變頻調速法。
由圖2可見(jiàn)，變頻調速法在各種風(fēng)量調節方法中是最理想、最有效、最節能的調節方法。有關(guān)變頻調速技術(shù)在礦井通風(fēng)機中的應用，仍以凡口鉛鋅礦為例說(shuō)明。
該礦的礦井通風(fēng)機都采用高壓電機傳動(dòng)，有高壓同步電機和高壓異步電機兩大類(lèi)。由于礦井通風(fēng)機是礦山的耗電大戶(hù)，節電潛力很大，但它又是高壓電機傳動(dòng)，實(shí)現變頻調速有一定困難。于是，長(cháng)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同步電機傳動(dòng)的礦井通風(fēng)機為對象，研制開(kāi)發(fā)了同步電機直接高壓變頻器。1997年8月投入運行，并于1998年4月28日通過(guò)了中國有色金屬總公司的技術(shù)鑒定，獲得了部級科技進(jìn)步二等獎。這是國內第一臺同步電機直接高壓變頻器，節電效果十分顯著(zhù)。新南風(fēng)井的礦井通風(fēng)機采用6kV,880KW高壓異步電機傳動(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月投入運行，節電效果也是十分顯著(zhù)的。下面分別簡(jiǎn)要介紹這兩種高壓變頻器。
(1) 同步電機直接高壓變頻器
同步電機高壓變頻器主要有兩類(lèi)，即他控式變頻調速系統和自控式變頻調速系統。他控式變頻調速系統所用的變頻裝置是獨立的，其輸出頻率直接由速度給定信號決定，屬速度開(kāi)環(huán)控制。自控式變頻調速系統可以使同步電機不存在失步和振蕩等問(wèn)題，所以一般都采用自控式運行。
我們與有關(guān)單位合作研制開(kāi)發(fā)的這種同步電機直接高壓變頻調速裝置是采用交-直-交電流型變頻調速系統，屬自控式變頻調速系統，它由變頻器、同步電機、轉子位置檢測器以及控制系統組成。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，它是利用同步電機的反電勢來(lái)關(guān)斷逆變器的晶閘管，它沒(méi)有強迫換流電路，因而主電路結構簡(jiǎn)單。變頻器的框圖如圖3所示。
圖3 同步電機變頻調速系統原理框圖
圖3中，硬件全套設備由高壓開(kāi)關(guān)切換柜(圖中未表示出)、整流柜、逆變柜、勵磁柜、控制柜、操作臺及交流進(jìn)線(xiàn)電抗器、直流平波電抗器、轉子位置檢測器、光電編碼器等到部分組成。
根據凡口礦生產(chǎn)的情況需要，本高壓變頻器按周期性的固定頻率運行，早班(7:00~16:00)變頻裝置運行在40Hz，中班(16:00~19:00)運行在35Hz，在19:00~20:00期間為放炮時(shí)間，變頻器運行于40Hz，20:00~23:00運行在35Hz，23:00~24:00期間為放炮時(shí)間，變頻器運行于40Hz，0:00~3:00井下作業(yè)人員很少運行于28Hz，3:00~4:00期間為放炮時(shí)間，變頻器運行于40Hz，4:00~7:00運行于28Hz。
經(jīng)廣州金粵節能服務(wù)站的節能測試及能量平衡測試，以及凡口礦老南風(fēng)井的實(shí)際記錄，在正常生產(chǎn)期間，節電率達42%;節假日時(shí)變頻器運行于28Hz，節電率達73%。年節電為192.3萬(wàn)kWh，在不到一年的時(shí)間內，就由節電費用收回到了高壓變頻器的全部，效益十分顯著(zhù)。
(2) 異步電機三電平高壓變頻器
在成功研制開(kāi)發(fā)了老南風(fēng)井同步電機直接高壓變頻器的基礎上，根據深部開(kāi)采的需要，對新南風(fēng)井的礦井通風(fēng)機進(jìn)行改造，我院和有關(guān)單位合作，經(jīng)過(guò)論證，最終決定采用引進(jìn)WOODS軸流式風(fēng)機和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如圖5的框圖所示。
由圖5可見(jiàn)，6kV高壓電源經(jīng)三繞組降壓變壓器降壓，2組二次側繞組(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)機調速。
圖5 新南風(fēng)井高壓變頻器系統框圖
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(jiàn)，這實(shí)質(zhì)上是一臺高低高式高壓變頻器，因為它不僅有降壓變壓器，而且也有升壓變壓器。不過(guò)經(jīng)我們對其進(jìn)行了仿真，其結果表明，盡管它是高-低-高式高壓變頻器，但并不影響它在生產(chǎn)中的應用。
根據凡口礦目前的生產(chǎn)情況，高壓變頻器的運行情況是:白班和中班，高壓變頻器運行于40Hz，在晚班，由于井作業(yè)人員很少，高壓變頻器則運行于30Hz，在節假日，則運行于更低的頻率。據此，計算出節電效果，年平均節電為56%，年節電357.9萬(wàn)kWh，節電效果顯著(zhù)達到了原計劃的節電目標。
3.4 關(guān)于球磨機、井下排水泵等是否可用變頻調速的問(wèn)題
球磨機、井下排水泵等設備容量大，都是礦山的高耗能設備。對于這些設備是否可以采用變頻調速來(lái)實(shí)現節能運行呢？我認為，在這些設備上采用變頻調速是達不到節能目的的。
我們應某金礦的委托，采用變頻器對球磨機進(jìn)行調速節能試驗。當變頻器的輸出頻率調整到48Hz和45Hz時(shí)，球磨機的電能消耗雖有所降低，但磨礦質(zhì)量有很大降低，此時(shí)球磨機的出礦粒度由原來(lái)不調速時(shí)的300目粒度占99%，分別下降到90%和58%�？梢�(jiàn)這種工藝、設備條件下，不宜采用變頻調速節能運行。
另外，我看到有的文章說(shuō)，變頻器用于井下排水泵站的節能[3]。我認為，這是不現實(shí)的。因為任何礦山為排出井下的涌水，都在井底設有水倉。值班工人根據水倉水位確定開(kāi)仃水泵及開(kāi)仃幾臺水泵，因此它不需進(jìn)行流量的調節。所以，它不需要采用變頻器。對于地面生活供水或供水的泵站，由于需要根據用水量的多少來(lái)調節供水量，在這種情況下，采用變頻調速以調節流量，可達到節能的目的。
在礦山中，還有一些小型設備可以采用變頻調速節能，如螺旋給料機、沙泵等，在此就不一一介紹了。
4 選擇變頻器應注意的事項
變頻器，特別是高壓變頻器價(jià)格昂貴，如選擇不當，達不到節電和提高生產(chǎn)效率的目的，以致造成浪費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(jiàn)，供參考。
4.1 根據工藝要求選擇變頻器
(1) 電機調速雖是風(fēng)機、水泵節能的有效途徑，但并非凡是風(fēng)機、水泵都能采用調速節電。對于工藝參數基本穩定，不需要調速的風(fēng)機、水泵可以采用高效節能電機和高效節能風(fēng)機，以提高系統效率。對于已建成而配置不合理的風(fēng)機可以通過(guò)采用更換電機，調節葉片角度等方法達到節電的目的。選擇調速節能時(shí)應注意:風(fēng)機、水泵的轉速變化范圍不宜太大，通常最低轉速不少于額定轉速的50%，一般調速范圍在100%~70%之間為宜，因為當轉速低于額定轉速的40%~50%時(shí)，風(fēng)機、水泵本身的效率明顯下降，是不經(jīng)濟的;調速范圍確定時(shí)，應注意避開(kāi)機組的臨界共振轉速，否則調速至該諧振頻率時(shí)，將可能損壞機組。
(2) 進(jìn)行可行性分析
在選擇要進(jìn)行的變頻調速的設備對象以后，應從提高效率或提高產(chǎn)品質(zhì)量的需要情況，從節約電能的情況進(jìn)行分析、計算，并與變頻器的投資進(jìn)行比較，計算出變頻器的投資回收期。一般來(lái)說(shuō)，如能從節約的電費或從提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高效率等方面所得的收益中，在兩年內償還變頻器的投資，都應認為是可行的。同時(shí)還應分析外部條件是否滿(mǎn)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。有的礦山所購買(mǎi)的變頻器可靠性不高，加之自身的維修技術(shù)力量不強，變頻器出了故障，只好仃下，甚至棄用。造成損失，同時(shí)也為變頻器的繼續推廣應用帶來(lái)負面影響。
(4) 根據生產(chǎn)廠(chǎng)家提供的技術(shù)規格和技術(shù)參數來(lái)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(chǎng)家的哪種高壓變頻器。在選擇變頻器時(shí)可以根據廠(chǎng)家提供的產(chǎn)品樣本等技術(shù)資料及報價(jià)表來(lái)選擇。
變頻器的制造廠(chǎng)家和經(jīng)銷(xiāo)商都會(huì )向準備購買(mǎi)變頻器的用戶(hù)提供樣本及報價(jià)。在樣本中，廠(chǎng)家公開(kāi)說(shuō)明其產(chǎn)品種類(lèi)、特性、技術(shù)指標和特點(diǎn)，用戶(hù)在訂貨前通過(guò)對產(chǎn)品樣本資料可以對其產(chǎn)品有大概了解。因此對產(chǎn)品樣本的閱讀和了解是比較各廠(chǎng)家變頻器性能的重要依據。
4.2 主要應考慮的技術(shù)規格和技術(shù)參數
(1) 型號
各廠(chǎng)家生產(chǎn)的變頻器的型號多是系列號和容量的組合，通過(guò)對型號和規格得了解，
可以確認該廠(chǎng)家生產(chǎn)的品種，對用戶(hù)來(lái)說(shuō)，不一定會(huì )使用到全系列的變頻器，但可以從型號、規格、所采用的功率元件、控制技術(shù)等方面判斷廠(chǎng)家的實(shí)力和生產(chǎn)態(tài)勢，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(chǎng)家，一般來(lái)說(shuō)其實(shí)力強，生產(chǎn)態(tài)勢好，產(chǎn)品質(zhì)量一般來(lái)說(shuō)也會(huì )有較好的保障。
(2) 效率
變頻器效率的高低，直接關(guān)系到變頻器調速節能的多少，因為在變頻器運行時(shí)，變頻
器本體也要消耗一部分電能。一般來(lái)說(shuō)直接高壓變頻器的效率都可達到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，使其系統效率有所降低。
(3) 功率因數
在整個(gè)調速范圍內，功率因數的變化是一項重要指標。最好是在整個(gè)調速范圍內功率因數都保持在0.95以上，以使其符合國家標準GB3485-83的標準，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(mǎn)足此項規定。而電流型變頻器較難滿(mǎn)足這項要求。
(4) 諧波
國家對電網(wǎng)諧波有嚴格要求。限制用戶(hù)非線(xiàn)性諧波設備注入電網(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(即裝置對電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波)必須符合國標GB/T14549-93“電能質(zhì)量、公用電網(wǎng)諧波”的規定，在國際上要符合IEEE-519標準的規定。對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(guò)了這個(gè)標準，應采用12脈沖整流或附加諧波補償措施。
(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)機的輸出功率。用kW表示時(shí)，一般以四極標準電機為基礎考慮;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輸出的電流值。在以輸出容量為標準選擇了變頻器以后，還應對額定輸出電流進(jìn)行核算，以使電動(dòng)機的額定電流不要超過(guò)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)，并不一定能使電機從該頻率起動(dòng)。變頻器要對最高頻率設定，對風(fēng)機、水泵的最高頻率應設定(即箝位)在50Hz，所有的變頻器都可滿(mǎn)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足夠大，電源電壓變化范圍應在變頻器允許的范圍。用戶(hù)在選擇變頻器時(shí)應根據自己電網(wǎng)容量及電網(wǎng)電壓的變化情況，對變頻器進(jìn)行選擇。曾有一個(gè)礦山因電壓波動(dòng)范圍超過(guò)了變頻器的允許范圍，而使變頻器不能正常應用。
(8) 保護功能
變頻器樣本中一般表明其保護功能，這是為了檢測出變頻器的異常情況和防止外部原因及內部異常對變頻器造成損害，保護變頻器正常運行和變頻器安全可靠。因此保護種類(lèi)是否齊全、完善，從一個(gè)方面反映變頻器質(zhì)量和運行的安全可靠性。
(9) 價(jià)格
變頻器價(jià)格是用戶(hù)最關(guān)心的問(wèn)題之一，用戶(hù)應了解廠(chǎng)家或經(jīng)銷(xiāo)商所報出的價(jià)格的具體含義和具體內容，及服務(wù)內容，以及任選件價(jià)格等。還應與其它廠(chǎng)家的變頻器進(jìn)行綜合比較。
5 結束語(yǔ)
《中華人民共和國節約能源法》第39條，已將變頻調速技術(shù)列為通用節能技術(shù)加以推廣。在礦山推廣應用變頻器節能是重要目的之一，如風(fēng)機、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、礦井提升機等。在礦山應用變頻器和其它部門(mén)有相同之處，也有不同之處，如電鏟、牙輪鉆機、礦井提升機等設備應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(kāi)發(fā)工作要做。建議有關(guān)科研院所、變頻器生產(chǎn)廠(chǎng)家和礦山用戶(hù)共同合作，開(kāi)發(fā)我國礦山設備使用的變頻器。
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)驗不足，所述內容錯誤之處在所難免，所論觀(guān)點(diǎn)也屬一孔之見(jiàn)，歡迎讀者和朋友們批評指正。
參考文獻
[1] 采礦手冊[M]. 冶金工業(yè)出版社,1991,(6).
[2] 張永惠. 高壓變頻器的選擇[J]. 變頻器世界，1999,(6).
[3] 李虹.變頻調速在礦山節能中的應用[J].變頻器世界,2003,(8).
【變頻調速技術(shù)在礦山中的應用】相關(guān)文章：
單相電機變頻調速技術(shù)綜述03-21
共用直流母線(xiàn)變頻調速系統在滌綸短絲線(xiàn)上的應用03-26
交流電機變頻調速器的應用分析03-18
北京地區供水系統變頻調速應用例分析01-06
三相SPWM發(fā)生器HEF4752在變頻調速系統中的應用03-19
位能負載條件下的變頻調速系統設計12-06