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變頻控制技術(shù)在田壩煤礦應(yīng)用的前景分析

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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

職務(wù)職稱：副總工程師兼機(jī)電科長? 高級工程師

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

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摘要：交流電動機(jī)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(jìn)、改造使用了變頻控制技術(shù)。實(shí)踐證明，變頻控制技術(shù)在運(yùn)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(jìn)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(dāng)之處、恭請同仁批評和指正。

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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(jì)建設(shè)投入生產(chǎn)的煤礦企業(yè)，加之實(shí)際核定生產(chǎn)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到設(shè)計能力，因此，很大一部分設(shè)備電動機(jī)都存在“大馬拉小車”的情況，雖然在本世紀(jì)初也購置了部份裝備，但是。大部分裝備的三相異步電動機(jī)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(yùn)行過程中處于恒速運(yùn)行狀態(tài)（提升機(jī)通過轉(zhuǎn)子投入/切除電阻有限地實(shí)現(xiàn)了一定的調(diào)速）；二是效率低下，運(yùn)行維護(hù)成本及能耗較高；三是對設(shè)備的電氣和機(jī)械沖擊大，影響了設(shè)備的安全運(yùn)行、縮短了它們的使用壽命。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)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(shí)際情況，通過反復(fù)調(diào)研和分析，循序漸進(jìn)、因地制宜、對個別設(shè)備對癥下藥引進(jìn)使用了變頻控制技術(shù)，進(jìn)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(jī)，新購置了3臺型號是AEDV250A的變頻控制螺桿式空壓機(jī)，淘汰了4L-40/8型號的活塞式空壓機(jī)； 2014年12月份，對二號井副井多繩摩擦提升機(jī)JKMK/J-B-10·I型號的電控系統(tǒng)進(jìn)行了技改，更換為型號是ZTK(P)提升機(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)的電機(jī)方程式如下，

n = 60f/p×（1-s）=? n₀（1-s）

??? 式中：

n------電動機(jī)轉(zhuǎn)速；?

n₀------同步轉(zhuǎn)速，（2極電動機(jī)為3000轉(zhuǎn)/分、4極電動機(jī)為1500轉(zhuǎn)/分、6極電動機(jī)為1000轉(zhuǎn)/分、8極電動機(jī)為750轉(zhuǎn)/分）；

s------轉(zhuǎn)差率，同步電動機(jī)為0；

f------三相交流電供電頻率，中國標(biāo)準(zhǔn)是50Hz；

p――電動機(jī)磁極對數(shù)。

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從以上公式可以看出，三相交流異步電機(jī)能夠通過改變供電頻率、電機(jī)繞組、改變轉(zhuǎn)差率的方式進(jìn)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(jī)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(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對異步電動機(jī)的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制異步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。具體是將異步電動機(jī)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(jī)的電機(jī)方程，如果電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率為0，則電動機(jī)的轉(zhuǎn)速就達(dá)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(jī)的電機(jī)方程，如果供給電動機(jī)電源的頻率發(fā)生變化，則電動機(jī)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(jī)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(shí)際情況

從2009年開始，田壩煤礦分別在地面空壓機(jī)、地面和井下提升機(jī)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(shí)際使用，變頻控制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)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(jī)的控制，使提升機(jī)平滑起動和運(yùn)行，減少了機(jī)械沖擊。

（二）設(shè)備運(yùn)行中，動態(tài)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)性好，調(diào)速精度高。

（三）位能負(fù)載，恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，也就是設(shè)備帶負(fù)荷運(yùn)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(jī)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(xì)的計算和論證在后面專門介紹）。

（五）達(dá)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(yùn)行成本和維護(hù)成本低廉、維護(hù)簡單。

四? 田壩煤礦尚需進(jìn)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(jī)，6臺；瓦斯抽放泵，4臺；提升機(jī)3臺；主要膠帶輸送機(jī)，1臺；主要排水泵，3臺。這些設(shè)備總的裝機(jī)容量是5144 kW（實(shí)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(dāng)可觀的，下面分別進(jìn)行計算和論證。

通過對田壩煤礦副井JKMD-2.25型號提升機(jī)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(yàn)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(jìn)行計算。

（一）關(guān)于6臺主要通風(fēng)機(jī)的節(jié)能計算

每臺對旋軸流式主要通風(fēng)機(jī)電動機(jī)的額定功率是

2×132 = 264 kW

6臺裝機(jī)容量1584 kW，因?yàn)?span lang="EN-US">1臺運(yùn)行、1臺備用，因此，實(shí)際使用容量是792 kW。

采用變頻控制后按照30%的節(jié)約，相當(dāng)于可以節(jié)約238 kW功率。

主要通風(fēng)機(jī)是晝夜連續(xù)運(yùn)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(fèi)

?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?yàn)橥咚钩榉疟秒妱訖C(jī)有2臺250 kW和2臺400 kW，所以裝機(jī)容量

2×（250 + 400） = 1300 kW

在裝機(jī)容量1300 kW，因?yàn)楦?、低?fù)壓抽放時2臺運(yùn)行、2臺備用，因此，實(shí)際使用容量是650 kW。

采用變頻控制后按照30%的節(jié)約，相當(dāng)于可以節(jié)約195 kW功率。

實(shí)際生產(chǎn)過程中，瓦斯抽放泵也是晝夜連續(xù)運(yùn)行，按照年運(yùn)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(fèi)

?1404000 kWh×0.4元/kWh = 561600元。

????? （三）關(guān)于3臺提升機(jī)的節(jié)能計算

3臺提升機(jī)裝機(jī)電動機(jī)功率

2 ×155 + 110 = 420 kW

實(shí)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(dāng)于可以節(jié)約126 kW功率。

按照晝夜運(yùn)行12小時、年實(shí)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(fèi)

?417312 kWh×0.4元/kWh = 166925元。

?????? （四）關(guān)于1臺主要膠帶輸送機(jī)的節(jié)能計算

主要膠帶輸送機(jī)電動機(jī)的額定功率是

2×320 = 640 kW

實(shí)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(dāng)于可以節(jié)約192 kW功率。

主要膠帶輸送機(jī)晝夜間斷運(yùn)行15小時，年實(shí)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(fèi)

?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?yàn)槊颗_主要排水泵電動機(jī)的額定功率是400 kW，所以總裝機(jī)容量1200 kW。

在實(shí)際中，1臺運(yùn)行、1臺備用、1臺檢修，因此，實(shí)際使用功率是400 kW。

采用變頻控制后按照30%的節(jié)約，相當(dāng)于可以節(jié)約120 kW功率。

主要排水泵晝夜運(yùn)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(fèi)

?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(fèi)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(jìn)行技術(shù)改造，預(yù)計需要改造資金費(fèi)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(fèi)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(biāo)準(zhǔn)化考核定級辦法（試行）》和《煤礦安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)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(jìn)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(jìn)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(tuán)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。

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參考文獻(xiàn)：

《煤礦安全規(guī)程》

國家煤礦安全監(jiān)察局關(guān)于印發(fā)《煤礦安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化考核定級辦法（試行）》和《煤礦安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)節(jié)能低碳技術(shù)推廣目錄（2017年本，節(jié)能部分）》

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