变频调速技术在矿山中的应用分析.docx

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变频调速技术在矿山中的应用分析

目录

1概述

2变频器在地下矿山中的应用

2.1变频调速技术在矿井提升机中的应用

2.2变频调速技术在空压机中的应用

2.3变频调速技术在矿井通风机中的应用

3选择变频器应注意的事项

3.1根据工艺要求选择变频器

3.2主要应考虑的技术规格和技术参数

4未来高压变频器调速技术的发展

5结束语

变频调速控制在矿山中的应用

1概述

变频器是利用交流异步电动机同步转速随电源频率变化而变化的特性，实现电动机调速运行的装置。

自变频器产生于20世纪60年代以来，变频器便以其可很好的实现异步电动机的无级调速；可方便的进行恒转矩调速和恒功率调速；调速范围广平滑性较好、机械特性较硬；可实现有效的节能等优点广泛的应用于工业领域的各个方面。

在20世纪70年代，随着大功率晶体管（GTR）的问世，即场效应晶体管的出现和性能不断提高，使得变频器的性能有了极大的完善和发展。

近年来，变频器向着更高性能、更大容量以及智能化方向发展。

本人常年工作在煤矿生产运行的第一线，对变频器在矿业的生产中有一定程度的了解，在此就变频器在矿业中的重要作用做一个大致的介绍。

   矿山按产品类型可分为煤矿、金属矿和非金属等;按采掘方式可分为露天开采矿山和地下开采矿山两大类。

由于本人常年工作于煤矿生产第一线，本文讲主要介绍变频调速器在煤矿中的应用的现状和应用前景。

地下矿山的生产较露天矿山复杂。

由于井下生产的空间窄小，使生产设备环境潮湿、阴暗，粉尘大、噪音大、振动大、并有塌方的危险，工作条件十分恶劣。

因此，井下生产设备的体积受限，这些设备以小型化为主，体积小、重量轻，对电气传动的要求不高。

但提升、排水、通风、压气等固定设备是地下矿山的要害部门，也是耗电大户，因此，这些设备的安全运行和节能就显得至关重要。

   根据我们多年来从事矿山电气传动的经验及在矿山进行变频调速的应用实践，我认为，在矿山应用变频调速技术对于提高矿山生产设备的效率，节约电能都是至关重要的。

但遗憾的是在矿山应用变频调速技术还很不普遍，除了因变频器的投资问题外，与人们对变频器的认识不夠有关，也与不能正确了解矿山设备对变频器的特殊要求、不能正确地应用变频器、因此所带来的负面影响有很大关系。

   本文主要介绍目前矿山应用变频器的状况，矿山设备对电气传动的特殊要求，如何正确地选用变频器以及未来高压变频器的发展等。

2 变频器在地下矿山中的应用

2.1变频调速技术在矿井提升机中的应用

   矿井提升机是地下矿山运输的主要设备。

它是用一定的装备沿井筒运出矿石、废石、升降人员及材料、设备等运输环节。

矿井提升设备按井筒倾角可分为竖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等;按提用途可分为主提升机（专们或主性提升矿石，一般称为主井提升机），副井提升机（提升废石、升降人员、运送材料和设备等，一般称为副井提升机）和辅助提升机（如天井电梯、检修提升等）。

   矿井提升是地下矿山生产的咽喉，所以，无论哪种提升机，对电气传动的要求都很高，因为电气传动系统性能的优劣，可靠性的高低，都直接关系到矿山生产的效率和矿山生产的正常进行。

对矿井提升机电气传动系统的要求是:

有良好的调速性能，调速精度高，四象限运行，能快速进行正、反转运行，动态响应速度快，有准确的制动和定位功能，可靠性要求高等。

   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，主要采用直流传动系统，有采用直流电动机-直流发电机系统和晶闸管变流器-直流电动机系统;这两种系统都存在着直流电动机固有的缺点，如效率不高，维修工作量较大等。

对于中、小型提升机，则多采用交流电气传动系统，如采用交流绕线式电动机，使用电机转子切换电阻调速，这种电气传动系统虽然设备简单，但它是有级调速，调速性能差，效率低，大量的电能消耗在电动机转子电阻上，而且可靠性也差。

   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。

我国已有几台大型矿井提升机采用交-交变频调速系统，取得了很好的效果，但其缺点是功率因数不高，谐波大，需加谐波和功率因数补偿装置。

随着变频调速技术的发展，交-直-交电压型变频调速技术已开始在矿井提升机中应用。

例如国外已有矿山将有源前端三电平变频器应用于矿井提升机上，据介绍，采用这种变频调速的交流提升机可以克服直流调速系统和交-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有成功应用变频器的实例，如山东风光电子有限公司和东营市东萃科技有限公司合作开发的变频器，成功地应用于山东宁阳县华宁煤矿的380V,180kw的交流提升机上。

2.2变频调速技术在空压机中的应用

   空气压缩机是地下矿山生产的重要设备之一，它生产压缩空气，用以带动风动凿岩机、风动装岩机等设备以及其它风动工具，其耗电量在矿山总耗电量中占有相当大的比重。

深入分析空气压缩机的电能消耗情况，找出节能潜力，实现空气压缩机的节能运行，将会降低矿山生产成本，提高其经济效益。

现以凡口铅锌矿为例说明:

   凡口铅锌矿坑口空压机站共有6台空气压缩机，其中4台为日本日立空气压缩机。

４台日立压缩机型号:

BTD2，排气压力7kg/cm2，排气量103m3/min属两级压缩活塞式压缩机，其拖动电机型号EFOU，额定功率450kW，额定电压380V，额定电流892A，采用Y/Δ降压起动方式;2台国产空气压缩机（活塞式空气压缩机），其拖动电机为高压（6kV）同步电动机。

6台空气压缩机采用并联运行方式。

一般情况下，只运行2～3台（其中一台国产空气压缩机）其余的空气压缩机作为备用。

空气压缩机站的容量是按最大排气量并考虑备用来确定的，然而在实际的使用过程中，用气设备的耗气量是经常变化的，当耗气量小于压缩空气站的排气量时，便需对空气压缩机进行控制，以减少排气量使之适应耗气量的变化，否则空气压缩机排气系统的压力会升至不能允许的数值，使空气压缩机和用气设备的零部件负载过大，并有发生爆炸的危险。

凡口铅锌矿4台日本日立空压机采用的是多级压力节流进气控制方式:

即当压力低于6.2Mpa时,打开全部进气阀,压缩机组以100%负荷率状态运行;当压力达到6.2~6.5Mpa时关闭隙阀，压缩机组以75%负荷率运行;当压力达到6.8~7Mpa时,关闭一个进气阀,压缩机组以50%负荷率运行,当压力达到7Mpa时关闭所有进气阀,压缩机组进入空载运行状态.由于活塞式空气压缩机的起、停有着严格而复杂的规程，不允许频繁起停。

为了满足井下用气量的变化，一般由调度人员根据井下用气量的时间变化特点,把一天分为几个时段，每一个时段需要开的空压机台数由该时段内最大用气量决定。

在该时段内，空压机不允许增开或停开（特殊情况除外）。

地下矿金属矿山的空压机站多采用这种方式，但这种控制方式很显然存在一些比较大的缺点:

（1）据统计，压缩机组75%负荷运行率为41%，50%负荷运行率为14%。

无论空气压缩机是处于75%、50%还是空载运转状态，管网压力较正常供气压力要高，井下用气量很显然要小于供气量，而这时各台空气压缩机仍然全速生产压缩空气，带来了不必要的电能浪费。

（2）节精度低，在某一进风量工作状态下压力波动大，特别在生产用风量变化频繁时期内（用风量大且变化频繁），不能稳定风压;

 （3）阀门动作值在一次整定后经常会变，有时会使整个压风系统工作压力偏高，增大了单位压风量的功耗;

（4）当空压机运行在75%、50%进气量的工作状态下，进气流速增大，造成进气过程压风量的损失，降低了压风机的效率。

   因此有必要对现有的调节方式进行改进，以节约电能，提高空压机的运行效率。

我院和凡口铅锌矿合作，用变频调速对其空压机站进行技术改造。

空压机恒压自动控制变频调速系统结构如图1所示:

图1空气压缩机恒压控制变频调速系统框图

图1    空气压缩机恒压控制变频调速系统框图

   空压机恒压自动控制变频调速系统可实现对5#空压机和6#空压机的轮换控制。

5#空压机和6#空压机均可由新老两套系统拖动，这样做有两个目的:

伒5#空压机出现故障需要检修时，新系统可迅速切换到6#机，以提高恒压控制变频调速系统的利用率;当新系统出现故障需要停车检修时，能够很快地投入老系统运行，不致于影响正常生产;当管网压力超出恒压调节范围时，系统发出增开或者减开一台空压机。

    系统于2003年4月2日在山东安阳矿业有限公司洪村煤矿通过了验收，正式移交生产使用，系统运行十分正常，满足了生产的需要，达到了预期的目的。

本系统的目的是为了节能，根据山东节能服务站对本系统做的节能测试:

采用本空气压缩机恒压控制变频调速系统平均每天节电量2226kWh。

按照年工作日330天计，则采用恒压控制变频调速系统每年可节电734629kWh，按照山东矿业有限公司洪村煤矿现行电价0.52元/kWh计，每年可节约电费38.20万元。

本系统总共投资70万元，两年内即可收回全部投资。

本系统应用的成功为活塞式空气压缩机的节能运行提供了重要的新手段，对于企业节能降耗，提高企业经济效益有重要意义，有广阔的推广应用前景。

2.3变频调速技术在矿井通风机中的应用

    矿井通风机是地下矿山生产的主要用电设备之一，其节能运行在矿山节电中占有重要的地位。

矿井通风机一般采用异步电机或同步电机拖动，恒速运转，一般容量大，电机供电电压高（6kV或10kV）。

   矿山建设的特点是:

巷道逐年加深，产量逐年增加，所需的通风量逐年上升。

但矿井通风机在设计选型时，往往是按最大开采量时所需的风量为依据的，一般都留有余量，因此矿井在投产后几年甚至十几年内，矿井通风机都是处在低负载下运行。

此外，通常矿山井下作业不均衡，一般夜班工作人员少，所需风量也小，在节假日时，可能只有泵房等固定的井下场所的值班人员工作。

尽管井下人员少，但也得照常向井下送风，矿井通风机一般不调节风量，若要调节风量时，传统的方法是调节档板。

这种办法虽然简单，但从节能的观点看，是很不经济的。

图2所示为几种调节风量的方法节电比较。

图2    不同风量调节方法功率消耗曲线

图2中:

1—挡板法;2—前导器法;3—液力耦合器;4—绕线电动机切换转子电阻调速法;5—变频调速法。

由图2可见，变频调速法在各种风量调节方法中是最理想、最有效、最节能的调节方法。

有关变频调速技术在矿井通风机中的应用，仍以山东安阳矿业有限公司洪村煤矿为例说明。

   该矿的矿井通风机都采用高压电机传动，有高压同步电机和高压异步电机两大类。

由于矿井通风机是矿山的耗电大户，节电潜力很大，但它又是高压电机传动，实现变频调速有一定困难。

为了实现更佳有效的节能变频，山东安阳矿业有限公司洪村煤矿引进了同步电机直接高压变频器，节能效果十分显著。

新风井的矿井通风机采用6kv，880kw高压一步电机传动，高压变频器采用高压变频器采用SIEMENS公司的SIMOVERT MV型三电平高压变频器。

于2004年9月投入运行，节电效果也是十分显著的。

下面分别简要介绍这两种高压变频器。

（1）同步电机直接高压变频器

同步电机高压变频器主要有两类，即他控式变频调速系统和自控式变频调速系统。

他控式变频调速系统所用的变频装置是独立的，其输出频率直接由速度给定信号决定，属速度开环控制。

自控式变频调速系统可以使同步电机不存在失步和振荡等问题，所以一般都采用自控式运行。

新引进的这种同步电机直接高压变频调速装置是采用交-直-交电流型变频调速系统，属自控式变频调速系统，它由变频器、同步电机、转子位置检测器以及控制系统组成。

变频器主电路采用晶闸管串联组成的高压阀串作为功率元件，它是利用同步电机的反电势来关断逆变器的晶闸管，它没有强迫换流电路，因而主电路结构简单。

变频器的框图如图3所示。

图3   同步电机变频调速系统原理框图

   图3中，硬件全套设备由高压开关切换柜（图中未表示出）、整流柜、逆变柜、励磁柜、控制柜、操作台及交流进线电抗器、直流平波电抗器、转子位置检测器、光电编码器等到部分组成。

根据山东安阳矿业有限公司洪村煤矿生产的情况需要，本高压变频器按周期性的固定频率运行，早班（7:

00~16:

00）变频装置运行在40Hz，中班（16:

00~19:

00）运行在35Hz，在19:

00~20:

00期间为放炮时间，变频器运行于40Hz，20:

00~23:

00运行在35Hz，23:

00~24:

00期间为放炮时间，变频器运行于40Hz，0:

00~3:

00井下作业人员很少运行于28Hz，3:

00~4:

00期间为放炮时间，变频器运行于40Hz，4:

00~7:

00运行于28Hz。

   经山东节能服务站的节能测试及能量平衡测试，以及山东安阳矿业有限公司洪村煤矿风井的实际记录，在正常生产期间，节电率达42%;节假日时变频器运行于28Hz，节电率达73%。

年节电为192.3万kWh，在不到一年的时间内，就由节电费用收回到了高压变频器的全部投资，经济效益十分显著。

（2）异步电机三电平高压变频器

   在成功引进利用了南风井同步电机直接高压变频器的基础上，根据深部开采的需要，对洪村煤矿风井的矿井通风机进行改造，我院和有关单位合作，经过论证，最终决定采用引进WOODS轴流式风机和Siemens公司的SIMOVERTMV三电平高压变频器。

该变频器的原理图如图4所示。

图4   三电平变频器主电路原理图

   但SIEMENS公司实际提供的这种三电平高压变频器的系统如图5的框图所示。

由图5可见，6kV高压电源经三绕组降压变压器降压，2组二次侧绕组（接法△、Y），电压各为1.2kV，经各自的6脉冲整流桥整流成直流，直流电压为3240V（正负电压各为1620V）经三电平逆变器变频变压，可输出频率可变的0~2300V的三相交流电压;经滤波器滤波后，再经升压变压器升压至6kV，供给6kV高压电动机调速。

图5   新风井高压变频器系统框图

   新风井高压变频器原订为直接高压变频器，但由图5可见，这实质上是一台高低高式高压变频器，因为它不仅有降压变压器，而且也有升压变压器。

不过经我们对其进行了计算机仿真，其结果表明，尽管它是高-低-高式高压变频器，但并不影响它在生产中的应用。

   根据洪村煤矿矿目前的生产情况，高压变频器的运行情况是:

白班和中班，高压变频器运行于40Hz，在晚班，由于井作业人员很少，高压变频器则运行于30Hz，在节假日，则运行于更低的频率。

据此，计算出节电效果，年平均节电为56%，年节电357.9万kWh，节电效果显著达到了原计划的节电目标。

3 选择变频器应注意的事项

   变频器，特别是高压变频器价格昂贵，如选择不当，达不到节电和提高生产效率的目的，以致造成浪费和不必要的麻烦和损失。

在这里，提供一些选择变频器的意见，供参考。

3.1根据工艺要求选择变频器

（1）电机调速虽是风机、水泵节能的有效途径，但并非凡是风机、水泵都能采用调速节电。

对于工艺参数基本稳定，不需要调速的风机、水泵可以采用高效节能电机和高效节能风机，以提高系统效率。

对于已建成而配置不合理的风机可以通过采用更换电机，调节叶片角度等方法达到节电的目的。

选择调速节能时应注意:

风机、水泵的转速变化范围不宜太大，通常最低转速不少于额定转速的50%，一般调速范围在100%~70%之间为宜，因为当转速低于额定转速的40%~50%时，风机、水泵本身的效率明显下降，是不经济的;调速范围确定时，应注意避开机组的机械临界共振转速，否则调速至该谐振频率时，将可能损坏机组。

（2）进行可行性分析

   在选择要进行的变频调速的设备对象以后，应从提高效率或提高产品质量的需要情况，从节约电能的情况进行分析、计算，并与变频器的投资进行比较，计算出变频器的投资回收期。

一般来说，如能从节约的电费或从提高产品质量、提高效率等方面所得的收益中，在两年内偿还变频器的投资，都应认为是可行的。

同时还应分析外部条件是否满足变频器的使用要求。

   （3）变频器的可靠性

变频器的可靠性如何，直接决定了变频器能否成功地应用于生产。

这是选择哪种变频器的首要条件。

有的矿山所购买的变频器可靠性不高，加之自身的维修技术力量不强，变频器出了故障，只好仃下，甚至弃用。

造成损失，同时也为变频器的继续推广应用带来负面影响。

   （4）根据生产厂家提供的技术规格和技术参数来选择变频器在按工艺要求、电源条件、场地及容量等选择了变频器方案后，再具体到选择哪个厂家的哪种高压变频器。

在选择变频器时可以根据厂家提供的产品样本等技术资料及报价表来选择。

   变频器的制造厂家和经销商都会向准备购买变频器的用户提供样本及报价。

在样本中，厂家公开说明其产品种类、特性、技术指标和特点，用户在订货前通过对产品样本资料可以对其产品有大概了解。

因此对产品样本的阅读和了解是比较各厂家变频器性能的重要依据。

3.2主要应考虑的技术规格和技术参数

（1）型号

   各厂家生产的变频器的型号多是系列号和容量的组合，通过对型号和规格得了解，

可以确认该厂家生产的品种，对用户来说，不一定会使用到全系列的变频器，但可以从型号、规格、所采用的功率元件、控制技术等方面判断厂家的实力和生产态势，甚至可以从一个方面判断其产品质量。

产品品种齐全，容量覆盖范围大，功率元件及控制技术先进的厂家，一般来说其实力强，生产态势好，产品质量一般来说也会有较好的保障。

（2）效率

   变频器效率的高低，直接关系到变频器调速节能的多少，因为在变频器运行时，变频

器本体也要消耗一部分电能。

一般来说直接高压变频器的效率都可达到0.97~0.98,而高-低-高式高压变频器由于多一个变压器的损耗，使其系统效率有所降低。

   （3）功率因数

   在整个调速范围内，功率因数的变化是一项重要指标。

最好是在整个调速范围内功率因数都保持在0.95以上，以使其符合国家标准GB3485-83的标准，这只有电压型变频器和IGBT单相变频器串联的高压变频器能够满足此项规定。

而电流型变频器较难满足这项要求。

   （4）谐波

   国家对电网谐波有严格要求。

限制用户非线性谐波设备注入电网的谐波电流，是限制电网电压正弦波畸变的关键。

所用的高压变频器的谐波（即装置对电网产生的谐波）必须符合国标GB/T14549-93“电能质量、公用电网谐波”的规定，在国际上要符合IEEE-519标准的规定。

对于电流型变频器如采用六脉冲整流，则5次、7次谐波都超过了这个标准，应采用12脉冲整流或附加谐波补偿措施。

   （5）输出容量和额定输出电流

   变频器输出容量以kVA或kW表示，它代表可以供给电动机的输出功率。

用kW表示时，一般以四极标准电机为基础考虑;用kVA表示，需进行核算。

额定输出电流是在额定电压下变频器能够连续输出的电流值。

在以输出容量为标准选择了变频器以后，还应对额定输出电流进行核算，以使电动机的额定电流不要超过变频器的额定输出电流。

   （6）率范围

   由最低使用频率和最高频率定义调速范围。

最低使用频率的意思与起动频率不同。

起动频率很小时，并不一定能使电机从该频率起动。

变频器要对最高频率设定，对风机、水泵的最高频率应设定（即箝位）在50Hz，所有的变频器都可满足这个要求，在选择变频器时可不作考虑，但使用中需注意此点。

   （7）电源容量和允许电压变化范围

   供给变频器的电源容量应足够大，电源电压变化范围应在变频器允许的范围。

用户在选择变频器时应根据自己电网容量及电网电压的变化情况，对变频器进行选择。

曾有一个矿山因电压波动范围超过了变频器的允许范围，而使变频器不能正常应用。

   （8）保护功能

   变频器样本中一般表明其保护功能，这是为了检测出变频器的异常情况和防止外部原因及内部异常对变频器造成损害，保护变频器正常运行和变频器安全可靠。

因此保护种类是否齐全、完善，从一个方面反映变频器质量和运行的安全可靠性。

   （9）价格

   变频器价格是用户最关心的问题之一，用户应了解厂家或经销商所报出的价格的具体含义和具体内容，及服务内容，以及任选件价格等。

还应与其它厂家的变频器进行综合比较。

然后根据自己所能接受的报价选取最合适的变频器。

4未来高压变频器调速技术的发展

变频器在交流变频调速技术是强弱电混合的形式，而且是机电一体的综合技术，从这方面就可以更好的来处理巨大的电能转换的形式，而且在这方面又要处理信息的收集情况，变换和传输是有一定的效果，因此它必定会分成功率和控制两大部分的形式，按照这样的比较的话，那么出现的效果也有了很大的转动的，从技术方面的问题来考虑这样的情况。

　　前者要解决与高压大电流有关的技术问题，后者要解决的软硬件控制问题。

因此，未来高压变频调速技术也将在这两方面得到发展，其主要表现为：

　　1、高压变频器将朝着大功率，小型化，轻型化的方向发展。

　　2、高压变频器将向着直接器件高压和多重叠加（器件串联和单元串联）两个方向发展。

　　3、更高电压、更大电流的新型电力半导体器件将应用在高压变频器中。

　　4、现阶段，IGBT、IGCT、SGCT仍将扮演着主要的角色，SCR、GTO将会退出变频器市场。

　　5、无速度传感器的矢量控制、磁通控制和直接转矩控制等技术的应用将趋于成熟。

　　6、全数字化、自动化：

参数自设定技术；过程自优化技术；故障自诊断技术。

　　7、应用32位MCU、DSP及ASIC等器件，实现变频器的高精度，多功能。

8、相关配套行业正朝着专业化，规模化发展，社会分工将更加明显。

随着电力电子技术、计算机技术以及自动控制技术的发展，电气传动技术正面临一场新革命。

在电气传动领域，变频调速系统因效率高、性能好而成为主流。

受益于节能减排、节能改造以及变频节能等绿色环保战略的拉动，作为变频调速的重要设备，变频器产业成为未来几年市场潜力非常巨大的产业之一。

信息技术的发展带动了变频技术的发展，变频调速因具有调速精度高、启动能耗低、占地少、工艺先进、功能丰富、操作简便、通用性强以及易形成闭环控制等特点，被认为是最理想的调速方案。

高压大功率变频器因其在电磁兼容、电磁辐射和串联技术等方面存在很大的技术开发难度，因此也成为世界各大电气公司竞争的热点。

目前国内诸多变频器生产厂家都在高压变频器领域投入大量的人力与物力，力求在目前矢量变频器技术方面占领制高点。

尽管如此，变频器的核心器件始终依赖进口，成为制约国产变频器发展的瓶颈。

为应对来自不同领域的挑战，矢量变频器也在不断更新换代，产品越来越多样化。

总的来说，新一代的变频器具有以下特点：

全数字化、功能齐全，能够补偿负载变化，特别是分布式的具有通信、联网功能并具有可编程功能。

简单或行业专用的矢量变频器以及实现了机电一体化、小型化。

网络化和系统化，通过网络连接减少生产成本，通过现场总线模块，将不同型号的变频器以同一种编程语言和通信协议进行组态。

此外，伴随新型高压电力电子器件的问世，高压和中压变频器也有长足的发展。

在今后的几年内，矩阵式变频器、绿色变频器等新型变频器将会面世。

5结束语

   中国大部分用户对于应用变频器首先是通过国外变频器来获得认识的，因此中国变频器产业的发展与生俱来便是处于与狼共舞的状态。

据统计，我国仅待调速技能的风机就有4000万台，耗电约1500亿kwh，节能潜力达450kwh/年；我国电网总容量为3.5亿kw，电机年耗用量约为86724亿kwh，其中高压电机占50%~60%，这是一个庞大的市场。

据统计我国1993年变频器总销售额为4亿元，1995年为7亿元，1999年为20亿元，可见调速变频器尤其是高压变频器市场还处于初期开发阶段，但其20%~30%的高速增长速度吸引了众多的厂家