变频调速器在矿山中的应用论文范文.pdf

论文题目:变频调速器在矿井中的应用 变频器在矿井中的应用 摘要:能源是国民经济和社会发展的基础和战略资源，能源问题已经成为经济社会可持续发展的刚性约束问题。加强节能降耗是落实科学发展观，实施可持续发展战略，转变经济发展方式的 必 然 途 径。据 统 计，2005年 中 国 煤 炭 开 采 分 别 消 耗5086.81104t 标准煤和 376.04108 kwh，占全国能源消费总量的 3.86%和 3.49%。因此，煤炭行业可以称之为中国的第一能源行业，不仅产能大，而且耗能大，节能潜力也大。因此，变频调速技术在煤矿中的应用对提高煤矿生产设备的效率和节约能源非常重要。本文主要介绍变频器在煤矿中的应用。关键词:煤矿变频器能量调速应用变频调速 能量守恒 第一章导言 1.1 地雷的分类 根据产品类型，矿山可分为煤矿、金属矿和非金属矿。按生产建设规模，可分为大矿、中矿、小矿三类；按开采方式可分为露天开采和地下开采两大类。1.2 露天矿设备概述 露天矿山的特点是设备大型化，这就需要优良的电气传动系统来保证这些大型设备的高效运行。露天矿中的这些大型设备包括用于钻孔的牙轮钻机、用于装载矿物和岩石的挖掘机以及用于运输矿物和岩石的大型卡车。它们都要求电传动系统具有良好的调速性能。目前，这些大型设备大多采用 DC 调速驱动系统。1.3 地下矿山设备概述 地下矿山的生产比露天矿山复杂。由于井下生产空间狭小，生产设备环境潮湿黑暗，粉尘大，噪音大，振动大，有坍塌的危险，工作条件十分恶劣。因此，地下生产设备的体积是有限的。这些设备主要是小型化，体积小，重量轻，对电气传输要求低。但提升、排水、通风、压风等固定设备是地下矿山的重点部门，也是用电大户。因此，这些设备的安全运行和节能非常重要。第二章变频器在露天矿设备中的应用 2.1 变频器在挖掘机上的应用 挖掘机用于装载矿石和岩石，其工作条件非常恶劣，尤其是在爆破效果不佳的情况下挖掘基础底部时，往往会导致冲击载荷过大，甚至失速。因此，挖掘机对电传动系统的要求更高:要求电传动系统的机械特性曲线有较大的包络面积和足够的有用功率；调速性能好，四象限运行，加减速反转快，动态响应快；要求系统具有良好的制动性能，并能回收能量；要求系统运行可靠，维护方便。由于挖掘机对电驱动系统的这些特殊要求，目前我国挖掘机的电驱动系统主要是 DC 驱动系统。如 WK-4M、WK10、WD-1200、195-B 挖掘机均采用 DC 发电机-DC 电机系统；从美国 Harnischfeger 公司引进制造的 P&H-2300XP 和 P&H-2800XP 挖掘机采用晶闸管变流-DC 电机系统。尽管后者在技术和效率上比前者更先进，但这两种系统仍然存在 DC 汽车固有的缺点，如维护工作量大、效率低。上世纪 90 年代末，我国部分矿山从美国 B-E 公司引进了变频器-鼠笼电机系统，这是一种全交流挖掘机电驱动系统。变频调速是德国西门子公司开发提供的电压型变频器。以 395-B 挖掘机为例做一个简单的说明:高压交流电通过滑环由电缆引入挖掘机，6kV 经 1600kVA 的主变压器变成 575V，交流电经 1950A的整流器变成 DC，再经滤波送至公共 DC 母线。DC 母线上有四台容量为 750kVA 的逆变器，其中两台并联，为容量为 1066kW的起升电机供电；第三台逆变器为两台容量分别为 243kW 的旋转电机供电；第四个逆变器向容量为 294kW 推进电机供电。当一个工作机构处于再生制动时，逆变器将再生制动能量反馈到公共 DC 总线，供其他工作机构使用，以充分利用能量。无穷无尽的制动能量会被制动电阻消耗掉。实践证明，与前两种 DC 调速挖掘机相比，交流变频调速挖掘机具有节约电能、调速性能好、可靠性高、维护量小、生产效率高、功率因数高(0.95 以上)等优点，被公认为挖掘机电传动系统的发展方向。2.2 变频器在牙轮钻机中的应用 牙轮钻机是露天煤矿，尤其是大型露天煤矿的主要钻孔设备。为了使旋挖钻机在不同的岩层中保持较好的钻进状态，要求钻机的回转机构能根据岩层的性质无级调节速度。钻机的升降行走机构也需要无级调速。目前，牙轮钻机的回转机构、提升机构和行走机构一般采用 DC 电机驱动。调速装置主要有三种:(1)晶闸管 DC 调速装置的牙轮钻机有 YZ-55、YZ-35、YZ-12；(2)采用美国进口的 KY-250 牙轮钻机和 45R 牙轮钻机，配有大功率磁放大器调速装置；(3)美国进口的 60R 牙轮钻机采用 DC 发电机调速装置。变频调速技术在牙轮钻机上的应用不仅是为了节能，更重要的是提高钻机的生产效率，减少维护工作量。回转机构的电机安装在钻杆顶部，工作条件极其恶劣。过去使用的 DC 电机经常损坏，维修工作量大，影响了牙轮钻机的正常运转和效率提高。因此，用耐用的交流鼠笼电机代替 DC 电机，用变频调速装置代替 DC 调速装置，已成为公认的牙轮钻机电气传动的发展方向。变频调速技术在牙轮钻机中应用的难点在于:钻机的回转机构对调速装置的性能要求很高，因为钻进过程中由于岩层的地质条件不同，可能会卡钻，使回转机构卡死，这就要求调速装置的机械特性曲线具有挖掘机的特性，具有立即换向、立即重启和钻进的功能；钻锥振动大，对调速设备的抗振性要求高。2.3 电动轮汽车的电力驱动 目前大型露天煤矿的运输主要采用无轨运输，主要运输设备是大型汽车，特别是电动轮汽车已经成为大型露天煤矿的主要运输设备。这是因为电传动比的机械传动更有优势。如调速性能好，响应速度快，调速平稳无冲击；可以实现恒功率调节，充分利用柴油机的功率，油耗少；安全制动、良好的牵引特性等。目前，世界各地的大型露天矿山，包括我国的大型露天矿山，都广泛使用电动轮汽车。电动轮汽车的电驱动系统主要包括柴油机驱动的 DC 发电机-DC 电动机系统和柴油机驱动的交流发电机-交流电动机系统，通过控制发电机的励磁来控制电动机的转速。随着变频调速技术的发展，人们也在探讨将变频调速技术应用于电动轮汽车电驱动的可能性。但目前还没有成功的先例。但作为大型露天矿山的主要运输设备，人们将继续努力研究变频调速技术在电动轮汽车上的应用，以进一步提高其调速性能和运输能力。第三章变频器在井下设备中的应用 3.1 变频器在矿井提升机中的应用 矿井提升机是煤矿生产中的关键设备之一。它的作用是提升煤和矿石，提升人员和设备等。它在整个煤矿生产中占有非常重要的地位。矿井提升是一种在繁重复杂条件下工作的设备。因此，要求提升机的拖动装置能适应频繁的启动、停止、调速和换相，并能实现重载启动，在保证提升设备安全可靠的同时，按提升设计的要求工作。矿井提升设备按井筒倾角可分为立井提升设备和斜井提升设备；按提升容器，可分为罐笼提升机和箕斗提升机；根据提升的目的，可分为主提升机(专门或主要提升矿石，一般称为主井提升机)，辅助提升机(一般称为辅助提升机，用于提升矸石，提升人员，运送材料和设备等。)和辅助提升机(如天井电梯、维修提升机等。).矿井提升是地下矿山生产的咽喉。因此，无论哪种提升机，对电传动的要求都很高，因为电传动系统的性能和可靠性直接关系到矿井生产的效率和正常进度。矿井提升机电气传动系统的要求是:调速性能好、调速精度高、四象限运行、快速正反转、动态响应快、制动和定位功能准确、可靠性要求高等。目前，在矿井提升机中，能适用于大功率、大转矩负载、大调速范围等场合的交流传动调速方式主要是绕线式异步电动机转子串电阻调速。这种串联电阻调速方法是利用控制器或磁站将串联转子回路中不同阻值的电阻组合起来，达到调速的目的。但缺陷是明显的，主要体现在效率很低。它增加了滑差功率的消耗，换取了速度的降低。转速越慢，效率越低，大部分功率转化为热能消耗掉了。目前，我国地下矿山矿井提升机的电气传动系统主要有:对于大型矿井提升机，主要采用 DC 传动系统，包括 DC 电机-DC发电机系统和晶闸管变流器-DC 电机系统；这两种系统都有 DC汽车固有的缺点，如效率低和维护工作量大。对于中小型提升机，大多采用交流电气传动系统。比如采用交流绕线电机，电机转子切换电阻调速。这种电传动系统虽然设备简单，但有级调速，调速性能差，效率低，电机转子电阻上消耗大量电能，可靠性差。采用交流感应电机和变频调速方案可以很好地解决这个问题。变频调速是通过改变定子的供电频率来达到电机调速的目的。无论速度高低，其力学特性基本与自然力学特性平行，消耗的滑差功率基本不变。所以效率很高，节电效果明显，调速的稳定性大大提高。在节约能源、减少维修和提高产品产量方面取得了显著的经济效益。将变频调速技术应用于矿井提升机是矿井提升机电气传动系统的发展方向。国内几台大型矿井提升机都采用了交-交变频调速系统，取得了良好的效果，但其缺点是功率因数低，谐波高，因此需要谐波和功率因数补偿装置。随着变频调速技术的发展，交流-DC-交流电压型变频调速技术已经开始在矿井提升机中应用。比如国外一些矿山已经将有源前端三电平变频器应用于矿井提升机。据介绍，采用这种变频调速的交流提升机可以克服 DC 调速系统和交-交变频调速系统的缺点，是提升机电气传动的发展方向。对于小型交流提升机，已经有了变频器成功应用的例子，如宁阳县华宁煤矿的 380 V、180 kW 提升机，就采用了变频调速技术。与原控制系统相比，变频调速技术在矿井提升机中的应用有以下几个方面的优势:(1)实现了软启动和软停止，减少了机械冲击，运行更加稳定可靠。(2)起步和加速换挡时冲击电流很小，减少了对电网的冲击，简化了操作，降低了工人的劳动强度。(3)安全保护功能齐全。除了过压、欠压、过载、短路、温升等一般保护之外。，它还具有联锁保护和自动限速保护。(4)配备能耗制动、回馈制动等多种制动方式，安全性更可靠。(5)系统运行在四象限，回馈能量直接送回电网，不受回馈能量的限制，应用范围广，节能效果更明显。3.2 变频调速技术在空压机上的应用 空气压缩机是煤矿井下生产的重要设备之一。它产生压缩空气来驱动气动凿岩机、气动岩石装载机和其他设备以及其他气动工具。空气压缩机站可设在井上或地下；井上空压站可选用通用电气控制设备；井下空气压缩机站一般设置在井底，新鲜空气从中流过。根据煤矿安全规程的规定，这种场合可以选用“矿用通用”电气设备。煤矿常用的空气压缩机有往复式(活塞式)和螺杆式；常用压缩机型号及主要技术数据如下表所示:煤矿常用压缩机的类型和规格 模型 3L8月 10 日 4L20/8英寸 5L40/8 EP200 类型 乒乓球运动 乒乓球运动 乒乓球运动 螺旋式 排气量(立方米/分钟)10 20 40 20 排气压力(兆帕)0.8 0.8 0.8 0.86 电机功率(千瓦)75 130 250 138 运动型 缠绕类型 缠绕类型 同步机 笼型 空气压缩机的工作原理是当储气罐的气压超过设定压力(0.815Mpa)时，压缩机进气管上的碟阀会自动关闭，压缩机进入怠速卸载状态。当储气罐气压低于设定压力(0.77MPa)时，压缩机进气管的碟阀会自动打开，压缩机再次进入满负荷工作状态。空气压缩机的排量和压力在运行中并不是恒定的，往往随着所使用的气动机具的数量而变化，所以空气压缩机在工作时总是重复满载和卸载的模式。满载时的工作电流接近电机的额定电流；空载时的空载电流约为电机额定电流的 30-50%；这部分电流不是有用功，而是机械在额定转速下的空转损耗。这种机械调节装置虽然也能起到调压的作用，但调压精度低，压力波动大。压缩机总是在额定转速下工作，导致严重的机械磨损和高功耗。如果空压机的气缸容积不能改变，只有调节压缩机的转速才能改变排量。空气压缩机是恒转矩负载，压缩机的轴功率与转速成正比变化。当压缩机的总排量大于气动工具的耗气量时，降低压缩机转速，调节供气压力，实现压缩机的经济运行，是一种有效的方法。在可选择的调速方式中，如改变压缩机变极电机、改变皮带轮传动比、串级调速等。与其他调速方式相比，变频调速具有无级调速、易于实现自动控制、不需要改变设备结构、安装量小等特点。变频调速的优点是可以方便的给定压力，并可以根据用气量的变化随时调整设定值，从而实现压力的闭环运行，实现压缩空气的恒压供应。以某矿为例来说明:某矿地面空压机站配置三台 EP200 螺杆喷油空压机，额定排气量 20m3/min，排气压力 0.8MPa，电机功率 138KW 380V，Y-启动箱。设计用于两个工作和一个备用。实际中，最大用气量期间，需要两台压缩机运行，排气压力为 0.68MPa，最小用气量期间，运行一台压缩机。该矿选用通用恒转矩变频器，利用变频器的可编程继电器，组成一台变频器控制两台压缩机的恒压自动供气系统。变频器控制 1#空气压缩机；压力变送器安装在主排气管上，反馈输出420mA 信 号 接 至 功 率 分 配 器，通 过 功 率 分 配 器 输 出 两 路420mA 信号，一路至数字压力表，另一路作为反馈信号接至变频器的电流输入端口。变频器的输出继电器 Y1 和 Y2 通过转换开关连接到 2#和 3#压缩机控制箱的运行和停止电路；变频设计有自动和手动两种工作模式，可以通过一个选择开关进行转换。当选择手动控制模式时，供气压力由电位器给定的频率手动调节；选择自动运行时，通过键盘设定供气压力，变频器的调节器可随时检测反馈压力与设定压力进行比较，实现闭环压力调节；当反馈压力大于设定压力时，驱动压缩机减速，使供气压力趋于设定压力；当反馈压力小于设定压力时，驱动压缩机增速，使供气压力趋于设定值；当变频器输出频率达到 50HZ，供气压力仍小于设定压力时，继电器 Y1 启动 2#(或 3#)压缩机，保持系统压力恒定。风量减少时，变频器降低输出频率；当频率低于下限频率时，继电器 Y2 停止 2#(或 3#)压缩机；系统的恒压控制通过闭环控制实现。根据上述要求设计的压缩机变频调速系统，充分利用了变频器的可编程控制功能，省去了一个可编程控制器和调节器；用最少的控制元件达到恒压供气的目的。设备改造后，实现了送风压力的闭环控制，减少了压缩机的启停次数，降低了操作人员的劳动强度。降低功耗和机械磨损，延长机械使用寿命。3.3 变频调速技术在矿井通风机中的应用 矿井通风机是煤矿井下生产的主要电气设备之一，其节能运行对煤矿节电具有重要作用。矿井通风机一般由异步电机或同步电机驱动，恒速运行，一般容量大，电机供电电压高(6kV或 10kV)。煤矿建设的特点是:巷道逐年加深，产量逐年增加，所需通风量逐年增加。但在设计和选择矿井通风机时，往往是以最大采掘能力所需的风量为依据，通常留有余量。因此，矿井投产后，矿井通风机几年甚至十几年都在低负荷运行。另外，矿山井下工作通常不均衡，夜班工人少，所需风量也小。节假日期间，只有泵房等固定地下场所的值班人员可以工作。虽然井下工作人员少，但照常向井下供气是必须的。矿井通风机一般不调节风量。如果要调节风量，传统的方法是调节挡板。这种方法虽然简单，但从节能的角度来看是不经济的。下图是几种调节风量的方法在节电方面的比较。图:1-挡板法；2-前导码方法；3-液压耦合器；切换转子电阻的绕线电机四速调节方法:5-变频调速方式。从图中可以看出，在各种风量调节方式中，变频调速方式是最理想、最有效、最节能的调节方式。以某矿为例，说明了变频调速技术在矿井通风机中的应用。该矿的矿井通风机全部由高压电机驱动，包括高压同步电机和高压异步电机。由于矿井通风机是矿井用电大户，节电潜力很大，但由高压电机驱动，难以实现变频调速。为此，该矿以老南风井 6kV 和 800kW 同步电机驱动的矿井通风机为对象，研制了同步电机直接高压变频器。这是我国第一台同步电机直接高压变频器。变频器投入运行后，节电效果非常显著。新南丰矿矿井通风机采用 6kV、880KW 高压异步电动机驱动，高压变频器为 SIMOVERT MV 型三电平高压变频器。2002 年 9 月投入运行，节电效果也非常显著。下面简单介绍两种高压变频器。(1)同步电机的直接高压变频器 同步高压变频器主要有两种类型，即分控变频调速系统和自控变频调速系统。他控变频调速系统中使用的变频装置是独立的，其输出频率直接由给定的速度信号决定，属于速度开环控制。自控变频调速系统可以使同步电机不存在失步、振荡等问题，所以一般采用自控运行。这种同步电机直接高压变频调速装置采用交流-DC-交流电流变频调速系统，属于自控变频调速系统。它由变频器、同步电机、转子位置检测器和控制系统组成。变频器的主电路采用由晶闸管串联组成的高压阀串作为功率元件。它通过使用同步电机的反电动势来关闭逆变器的晶闸管。它没有强制换向电路，所以主电路结构简单。根据生产需要，高压变频器应定期固定频率运行，早班(8:00 16:00)变频器运行频率为 40Hz，中班(16:00 20:00)变频器运行频率为 35Hz，拍摄时间为 20:00 21:00，变频器运行频率为 40Hz 和 21:00。变频器 40Hz 运行，井下工人 2 点到 5 点很少 28Hz 运行。拍摄时间为 5:00-6:00，变频器运行频率为 40Hz，6:00-8:00 为 28Hz。通过节能测试和能量平衡测试，与该矿老南风井实际记录相比，正常生产时节能率达到 42%。节假日变频器以 28Hz 运行时，节电率达到 73%。年节能 192.3 万千瓦时，节能效果非常显著。(2)异步电动机的三电平高压变频器 在老南风井同步电机直接高压变频器研制成功的基础上，根据深部开采的需要，对新南风井矿井通风机进行了改造。经过论证，我院最终决定采用进口伍兹轴流风机和 SIMOVERT MV三电平高压变频器。变频器的原理图如下图所示。从图中可以看出，6kV 高压电源由三绕组降压变压器降压，两组次级绕组(接和 Y)各有 1.2kV 电压，由各自的 6 脉波整流桥整流成 DC，DC 电压为 3240V，经三电平逆变器变频变压，可输出 0 2300V 变频的三相交流电压。经过滤器过滤后，由升压变压器升压至 6kV，供给 6kV 高压电机调速。根据矿井目前的生产情况，高压变频器的运行为:白班和中班，夜班高压变频器运行频率为 40Hz。因为井工少，高压变频器 30Hz 运行，节假日运行频率更低。据此计算节电效果，年均节电 56%，年节电 357.9 万千瓦时。节电效果明显达到了原计划节电目标。第四章是总结与展望。4.1 容量总结 在煤矿推广应用风机、空压机等变频器是重要目的之一。同时也有提高生产效率、减少维修工作量、提高产品质量的目的，如电铲、牙轮钻机、矿井提升机等。实际应用表明，变频器在煤矿的应用必将取得良好的运行效果和经济效益。中国是世界产煤大国，是能源相对贫乏的国家之一，也是吨煤能耗高的国家。在煤矿行业推广使用变频器进行改造将会有显著的节能效果，适应了我国建设节约型社会的趋势。4.2 变频器在煤矿中的应用前景 中国是世界产煤大国，也是能源相对贫乏的国家之一，同时也是吨煤电耗相对较高的国家。为了开创一条低能耗实现现代化的新路，节能降耗是明智之举。如果煤矿需要调速设备，大部分可以使用变频调速装置，节能效果会非常可观。由于煤矿环境的特殊性，变频器在我国煤矿的应用很少。但我深信，在热心于变频器研究和应用的专业人士的努力下，在市场经济的驱动下，适合煤矿环境的变频器一定会大规模发展。致谢 参考 1.曾毅等，变频调速系统的设计与维护，科技，1999。2.朱红，变频调速在矿山节能中的应用，变频器世界，2003 年 8 月。3.马建民，曾宇，现代提升机数字控制系统，中国矿业大学，2002年 8 月。4.采矿手册，冶金工业，1991 年 6 月。5.祖同，交流调速中的变频技术，冶金工业，1993。