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变频调速技术在矿山中的应用


    (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。
我们与有关单位合作研制开发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。
根据凡口矿生产的情况需要,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。
    经广州金粤节能服务站的节能测试及能量平衡测试,以及凡口矿老南风井的实际记录,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
    在成功研制开发了老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,对新南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SIMOVERT MV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    新南风井高压变频器系统框图


    新南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。
    根据凡口矿目前的生产情况,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。
3.4 关于球磨机、井下排水泵等是否可用变频调速的问题
    球磨机、井下排水泵等设备容量大,都是矿山的高耗能设备。对于这些设备是否可以采用变频调速来实现节能运行呢?我认为,在这些设备上采用变频调速是达不到节能目的的。
    我们应某金矿的委托,采用变频器对球磨机进行调速节能试验。当变频器的输出频率调整到48Hz和45Hz时,球磨机的电能消耗虽有所降低,但磨矿质量有很大降低,此时球磨机的出矿粒度由原来不调速时的300目粒度占99%,分别下降到90%和58%。可见这种工艺、设备条件下,不宜采用变频调速节能运行。
    另外,我看到有的文章说,变频器用于井下排水泵站的节能[3]。我认为,这是不现实的。因为任何矿山为排出井下的涌水,都在井底设有水仓。值班工人根据水仓水位确定开仃水泵及开仃几台水泵,因此它不需进行流量的调节。所以,它不需要采用变频器。对于地面生活供水或工业供水的泵站,由于需要根据用水量的多少来调节供水量,在这种情况下,采用变频调速以调节流量,可达到节能的目的。
在矿山中,还有一些小型设备可以采用变频调速节能,如螺旋给料机、沙泵等,在此就不一一介绍了。

4  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。
4.1 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。
4.2 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。

5  结束语
    《中华人民共和国节约能源法》第39条,已将变频调速技术列为通用节能技术加以推广。在矿山推广应用变频器节能是重要目的之一,如风机、水泵;同时也有提高生产效率、降低维修工作量、提高产品质量等目的,如电铲、牙轮钻机、矿井提升机等。在矿山应用变频器和其它工业部门有相同之处,也有不同之处,如电铲、牙轮钻机、矿井提升机等设备应用变频器有一豺特殊要求,所用的变频器还有一些技术开发工作要做。建议有关科研院所、变频器生产厂家和矿山用户共同合作,开发我国矿山设备使用的变频器。
    本文的目的在于抛砖引玉。由于作者的水平有限,资料不够,经验不足,所述内容错误之处在所难免,所论观点也属一孔之见,欢迎读者和朋友们批评指正。

参考文献
[1] 采矿手册[M]. 冶金工业出版社,1991,(6).
[2] 张永惠. 高压变频器的选择[J]. 变频器世界,1999,(6).
[3] 李虹.变频调速在矿山节能中的应用[J].变频器世界,2003,(8).

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