奔牛煤矿装备变频技术的发展及成果

1煤矿装备变频技术的发展及成果一、刮板运输机变频技术的应用变频调速技术是一种以改变交流电动机的供电频率来达到交流电动机调速目的的技术。变频调速技术涉及到电力、电子、电工、信息与控制等多个学科领域。随着电力电子技术、计算机技术和自动控制技术的发展，以变频调速为代表的近代交流调速技术有了飞速的发展。并且很好地解决了交流电机调速性能先天不足的问题。交流变频调速技术以其卓越的调速性能、显著的节电效果以及在各个领域的广泛适用性，被公认为是一种最有前途的交流调速方式，代表了电气传动发展的主流方向。在矿山装备中，最早煤矿井下应用的液压牵引采煤机已经完全被变频调速的电牵引驱动所取代，皮带运输机、乳化液泵站都采用了变频技术，而且交流调速技术为节能降耗、改善控制性能、提高产品的产量和质量提供了至关重要的手段。对于刮板运输机来讲，由于其负载波动比较大，经常需要重载启动，且电缆传输距离比较长，成为应用变频技术的瓶颈。现在随着变频技术的发展和成熟，变频器用于煤矿井下刮板运输机上，实现变频软启动和调速性能，将成为刮板运输机驱动的发展趋势。二、变频器变频调速的优异特性（一）调速时平滑性好、效率高。低速时，特性静差率高、相对稳定性好；（二）调速范围较大、精度高；（三）起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显；2（四）变频器体积小，便于安装、调试、维修简便；（五）易于实现过程自动化；（六）必须配用专用的变频电源，目前造价较高；（七）在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。三、液力耦合器调速和变频器变频调速的比较对象性能调速液力耦合器变频器变频调速调速范围调速范围窄调速范围宽调速精度只能定性调速，精度低，转速波动大，难以保持稳定运行。可以达到0.01Hz，调速精度高；效率靠转差损耗的调速，设计额定转速时，效率近90%。低速情况下，效率和速度成正比。如在50%速度时，效率不足50%效率高，通常在95%以上；额定转差率存在固化转差率约为3%，使得设备无法达到额定速度，仅能到额定速度的97%左右。变频器无转差率问题启动性能为直接挂网启动，启动电流为额定电机电流的4-7倍；真正意义上的软启动。启动转矩大，电流小，对电网冲击小；可靠性液力耦合的结构非常复杂，有复杂的液力传感机构。磨损和故障随着使用时间越来越多；随着电子技术的发展。变频器的可靠性越来越高。平均无故障时间往往能超过1万小时；且变频器可以非常容易的实现电气上的冗余设计，提高了可靠性；故障运行由于传动机构位于电机和设备之间，一但故障无法运行；变频器可以实现故障低速，低载运行；通过冗余设计，旁路设计，实现故障后仍然能够正常工作；功率因数功率因数较低，一般为85%左右；功率因数在二极管整流时可以达到95%左右，在使用可回馈整理是，功率因数可接近1。安装灵活性必须要安装在电机和设备之间，对设备的要求高；变频器可以安装在输出电缆长度允许的任何位置，降低了对安装空间的要求；技术先进性在电力电子技术未成熟时，是一个比较经济的传动方案；但当变频技术的发展，逐渐体现了很多固有的弊端；技术相对落后；变频器调速是真正意义上的调速方式，能够节能减排。随着电力电子技术的发展，设备的稳定性也不断提高。属于先进的传动手段；3目前在交流电机调速领域应用比较多的液力耦合器调速和变频调速，现对两种调速方式作一下比较，从中可以看出各自的优缺点。液力耦合器是液力传动元件，是利用液体的动能来传递功率的一种动力式液压传动机构，相当于离心泵和涡轮泵的组合。将它安装在异步电机和负载之间来传递转矩，可以在电动机恒速运转的情况下，无级调节负载的转速。液力耦合器是一种转差损耗的低效调速设备。在高压变频技术尚未成熟，尚未在工业中投入应用之前，液力耦合器在风机水泵等调速节能方面曾有过较多的应用，发挥过其应有的作用。随着高压变频调速技术的成熟和应用推广，液力耦合器将逐步退出市场。虽然液力耦合器存在一些固有的缺点，但依然以其价格的优势与高压变频器争夺市场。现对高压变频器和液力耦合器的主要技术经济指标作一比较。从中我们可以看出各自的优劣。（一）调速范围高压变频器的调速范围宽，液力耦合器的调速范围窄。（二）调速精度高压变频器的调速精度达到0.1HZ（Zinvert可达到0.01HZ）而且稳定性高，这是一个重要的技术指标。调速精度高，稳定性好意味着所传动的风机水泵的压力和流量（风量）稳定，这对于稳定生产工艺过程是非常重要的。比如火力发电厂的辅机（引风机，送风机，给水泵等）都需要保持压力的恒定。高压变频器就可以满足这个要求。而液力耦合器的调速精度是比较差的，转速波动大，使水泵的压力波4动大，给发电机生产带来了不利的影响，难以保证稳定运行。（三）效率高压变频器效率高，无转差损耗，其效率达到0.95以上，而且不随调速的范围而变化。液力耦合器调速效率低，其效率与调速成正比关系，负载的转速越低，其效率越低。电动机本身功率损耗除外，无论是变频调速还是液力偶合器调速，均存在额外的功率损耗，液力偶合器从电动机输出轴取得机械能，通过液力变速后送入负载，其效率不可能为1；变频器从电网取的电能，通过逆变后送入电动机电枢，其效率也不可能是1。而且在全转速范围内，两种方式的效率曲线也不一样。图2－2两种调速方式效率曲线为典型的液力偶合器和变频器的效率－转速曲线，随着输出转速的降低，液力偶合器的效率基本上正比降低（例如：额定转速时效率0.95，75%转速时效率约0.72，20%转速时效率约0.19），而变频器在输出转速下降时效率仍然较高（例如：额定转速时效率0.97，75%以上转速时效率大于0.95，20%以上转速时效率大于0.9）。从曲线数据看，当输出转速降低时，液力偶合器的效率比变频调速的效率下降快得多，因此变频调速的低速特性比液力耦合器要好。当然，有一点我们应该看到，就是用于风机、泵类负载时，由于其轴功率与转速的三次方成正比，当转速下降时，虽然液力偶合器效率正比下降，但电动机综合轴功率还是随着转速的下降成二次方比例下降，因此也能起到节能作用。5输出转速比效率变频调速效率液力偶合器效率图2－2我们还应注意到，液力耦合器属于转差损耗型调速，是低效调速型设备，在调速的过程中，转差功率以热能的形式消耗在油中，这不仅消耗了能量，而且使液力耦合器油温升高，为此必须采取妥善的冷却方式，特别是在环境温度较高的场合应用，对冷却的要求更高。某些发电厂给水泵的液力耦合器在夏季不得不采取冲水冷却等措施，即使如此有时还是会因为温度过高而影响到安全运行，因而不得不停机。(四)额定转差率高压变频器没有转差率问题，负载与电动机同轴，负载转速和电机转速一致。电机达到额定转速，则负载可达到额定压力和流量（风量）在电机结构允许的条件下还可以超过额定转速运行。液力耦合器由于是柔性连接，存在固定的转差率，液力耦合器的转差率≥3％，所以负载的转速不可能达到额定转速，最高只能达到电机转速的697％，压力最高只能达到额定压力的94％，而风量（流量）最高只能达到额定值的91％左右。(五)启动性能高压变频器具有真正意义上的软启动功能，它可以使启动直流值保持在额定电流以内，不会对电网造成冲击，也不会对所传动的风机，泵类负载带来冲击，是最理想的软启动设备。液力耦合器属于直接启动类型，电动机的启动电流约为额定电流的4－7倍，对电网造成冲击，特别是电网容量受限而电动机容量较大时，这种直接启动对电网容量造成的冲击有时是不允许的。(六)可靠性可靠性是用户最为关心的，也是最主要的指标之一。液力偶合器机械结构和管路系统复杂，长期运行经常出现漏油和打坏齿轮的现象，因此系统维护工作量增大，如果出现故障，必须停机检修。高压变频装置电子线路比较复杂，但目前技术已趋成熟，尤其是单元串联多电平方式的高压变频装置具有单元自动切换和冗余运行特性，在单元故障时可不停机连续运行，可靠性得以保证，而且检修维护相当容易，只需定期更换进风滤网即可。(七)故障情况下对生产的影响在调速设备发生故障的情况下对生产有什么影响，也是用户比较关心的一个问题。当变频器发生故障的时候，可以通过与工频旁路的切换使负载接工频运行，保证生产的连续性。而液力耦合器是接在负载和电机之间，一旦发生故障，生产就得停顿。(八)设备的利用率7高压变频器可以一机多用，可以通过开关切换设备用一台变频器控制多台高压电机的运行。而液力耦合器只能供给一台负载使用。(九)功率因数问题高压变频器由于采用二极管整流，可以保证电网侧的功率因数在95％以上。而液力耦合器其电网侧的功率因数是比较低的，因为风机和电机的裕量都比较大，输入电流中的无功分量也比较大，使得其在低功率因数情况下运行。(十)价格与占地面积高压变频器的价格比较贵，而液力耦合器的价格比较便宜，这也是液力耦合器与高压变频器相比不多的优势之一。高压变频器的占地面积比较大，它包括变频器本身和与其配套的一些设备；液力耦合器的占地面积比较小，但必须安装在电动机和负载之间，必须同轴，还应作基础固定。四、变频技术应用于井下刮板输送机的业绩序号用户名称产品名称规格型号供货数量配置方案供货年份电机功率1兖州煤业股份有限公司矿用隔爆兼本安高压变频器BPJV1-1400/3.31济三煤矿，一拖二方式使用2012年5月2×700KW2神华能源股份有限公司宁东分公司矿用隔爆兼本安高压变频器BPJV1-1400/3.33红柳煤矿，一拖一方式。2014年4月3×855KW3神华能源股份有限公司宁东分公司矿用隔爆兼本安高压变频器BPJV1-1400/3.32金凤煤矿一拖一方式。调试中2×1000KW4山西潞安环能股份有限公司矿用隔爆兼本安高压变频器BPJV1-2000/3.32常村煤矿前后溜一拖二方式2014年4月2×1000KW85兖州煤业股份有限公司矿用隔爆兼本安高压变频器BPJV1-1400/3.32兴隆庄煤矿，一拖二方式使用2012年10月2×700KW6陕煤集团矿用隔爆兼本安高压变频器BPJV1-1400/3.34红柳林煤矿，一拖一方式使用2014年3月3×1000KW7神华能源股份有限公司神东分公司矿用隔爆兼本安高压变频器BPJV1-2000/3.33大柳塔煤矿，一拖一方式使用2013年7月3×1600KW8兖州煤业股份有限公司矿用隔爆兼本安高压变频器BPJV-3×855/3.31济三煤矿，一拖二方式使用2014年1月2×855KW9兖州煤业股份有限公司矿用隔爆兼本安高压变频器BPJV-3×525/3.32兴隆庄煤矿，一拖三方式使用2014年2月3×525KW10淮南矿业集团矿用隔爆兼本安高压变频器BPJA-1600/3.3K1潘一煤矿，一拖二方式2013年9月2×700KW11山西西山晋兴能源有限责任公司矿用隔爆兼本安高压变频器BPJV-1600/3.32斜沟煤矿，一拖一方式2013年11月2×855KW12山西阳泉煤业集团有限公司矿用隔爆兼本安高压变频器BPJV-1600/3.32阳煤一井，一拖一方式2013年11月2×855KW以上只是选择的列举了具有代表性矿用隔爆兼本安高压变频器厂家的产品应用，反映出从最初的小功率开始，逐渐向大功率、多品种发展的趋势，尤其在去年底到今年初，煤矿运营商对矿用隔爆兼本安高压变频器表现出极大的兴趣，助推了矿用隔爆兼本安高压变频器的发展，这是一件有益的事情，我们不再依赖于国外的液力耦合器、变频一体机、CST。就能够实现煤矿井下大功率刮板运输机的软启动、调速。随着电力电子技术的不断发展，性能可靠、匹配完善、价格便宜的变频器会不断出现，这一技术会得到更为广泛、普遍的应用。