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【摘 要】煤炭企业现有设备利用变频调速技术的技术改造，对于节省电能以及提高效率具有重要意义。本文阐述了煤矿大负荷设备传统控制使用性能，并对变频器改造可行性及变频调速技术的原理进行了探讨。
【关键词】变频调速技术；节能分析
1.煤矿大负荷设备传统控制使用性能分析
①在煤矿企业中，由于生产设备一般满足服务年限长的特点，选型较大造成大马拉小车的现象，电能浪费严重，设备运行效率往往都比较低。对于煤矿生产企业来说，电耗所占比例相当大，而其中的压气、提升、通风、排水等设备电能消耗为总能耗的1/3左右，占煤矿用电量的30%左右。这样，如果采用挡板、阀门来进行调节往往造成比较大的浪费，而采用电动机变频调速来调节流量，这样可以节省20％～50％左右，自然可能产生巨大的社会和经济效应；②对于大负荷电机来说，往往启动时间长，电流大，这样使得设备绝缘强度收到严重影响，容易烧毁大功率电动机，电网運行的可靠性得到一定考验；启动时存在困难，往往造成较为严重的机械损伤。所以说，这样不仅仅增加了设备维修成本，而且对于电网安全造成很大冲击；③控制工艺单一，同时实时性较差，自动化程度低。同时，对于转矩极限控制、可逆运行控制、速度控制、启动停止方式、加减速功能和机械传动部件使用寿命等方面存在明显缺陷，不能满足大规模自动化控制要求。
2.变频器改造可行性分析
①对于设备起动时大电流对电网的浪涌冲击和机械冲击来说，可以通过软启动来进行减弱；②宽电网电压：范围主要包括±20％电网电压，在电网状况的多重情况进行从容应对；③保护功能主要包括过载保护、瞬时过流、电动机过载保护以及自动转矩补偿保护、电流限幅保护等等，这样，供电、配电设备和电机就能被保护而安全运行；④输入谐波小，高功率因数；⑤调速范围大、精度高、无级调速；效率高，无附加转差损耗；⑥相对简单的改造工艺。在保留原有电动机的基础上，可以对旧设备进行技术改造，这样不仅仅简单可靠，维护方便，另外节电效果也较为明显；⑦故障率低，这样节省设备检修、维护费用。
3.变频调速技术的原理
交流变频调速技术是微机技术、电力电子技术和电机传动技术的综合应用，基本原理是通过整流桥将工频交流电压变为直流电压，再由逆变器转换为频率、电压可调的交流电压作为交流电机的驱动电源，使电动机获得无级调速所需的电压和电流，是一种无附加转差损耗的高效调速方式之一。其工作原理就是工频电源在电力半导体器件的通断作用下，通过整流桥将工频交流电压变为直流电压，然后将频率、电压可调的交流电压通过逆变器进行相关转换成为交流电机的驱动电源。综合强弱电混合、机电一体的基础上，对于电力电子技术、微机技术和电机传动技术进行综合应用，这就是交流变频调速技术。这样就能作为无附加转差损耗的高效调速方式，同时，使得电动机获得无级调速所需的电压和电流。在能源危机中发展的变频调速技术，可以有效大幅度提高工作效率，是因为它能按照电机负载而进行自动的平滑的增速、减速工作。理论分析，可以得到电机的转速N与供电频率f的关系：
n=2×60f/q
式中，n为转速，n/min；q为电机级数；f为频率，Hz。
通过上述公式分析，可得转速n与频率f的关系成正比。当只改变频率f的同时，不改变电动机的极数，这样变电动机的转速就可以改变。当频率在0～50Hz变化时，调节范围对于电动机转速调节来说就较为宽泛。这样，通过电动机的供电电源频率的改变，作为一种高效率、高性能的调速手段变频调速技术能够实现有效调节。
4.变频调速技术的使用案例
这里对象为某煤矿所用的FBCDZ-8-N020B型对旋轴流式风机（2×10kW），在使用ACS510-110kW/380V型变频调速器以后进行前后对比分析。其中，对于ABB变频器来说，主回路功率器件为西门子IGBT，全数字化控制由微处理器实现，这样实际运行中的各种特殊要求就能得以满足，并且可以通过不同参数设置来满足不同工况需要。
经过对于变频调速器替换了原来的自耦降压起动，在按照一定规律的改变脉冲列的脉冲宽度，即正弦波PWM来调节出量和波形。这样可以在在0.1-50Hz的频率范围内控制电动机的加、减速及运转、启动，这样能更好使得起动、运行更加平稳，真正实现了无极调速，供电网络的影响也最小。分析改造后通风系统如下：首先，不需放风，而且增加了调节精度，改变风机电机转速通过任意调节供电频率，同时使得调节精度有所提高。比如，现阶段矿井需要风量为2564 m3/min，而风机额定风量为3680m3/min，这样就能有效降低风机的供电电压频率，设定风机工作频率为35Hz，使得减小风量成为可能。其次，电能得以节省，与去年同样情况相比，电能节省了大约66%左右。表1为电机转速n及电机功率P、节电率N与风机的风量Q的关系。
电动机的功率随着风机转速下降而迅速下降，当风量下降到80%左右时，转速也相应下降到80%左右，对于轴功率则能节省51％左右；当考虑风量下降到50％后，轴功率则下降到额定值的12.5％，这样就表现出巨大的节能潜力，其中，对于节省的主扇风机月电耗计算如下：
节省电能K=电动机额定输入功率×省电率×24×30（kWh）=110×2×66%×24×30=104544kW?h可以看出，上述公式可以节约工业用电大约4万元，再加上投入10万元的ABB-ACS510变频调速器，基本上可收回资本的时间为3个月，所以此项技术在矿井企业的通风系统中值得推广。
5.煤矿对变频技术的使用要求
目前，煤矿井下交流变频调速技术应用尚在起步阶段，但在煤矿企业技术改造和产品更新换代中，已取得了明显的节能效果。同时煤矿也对变频技术提出了新的要求。
①矿山中大小机电设备种类繁多，要求解决好变频器与这些设备匹配问题，才能得到更广泛的推广；②矿山有很多特殊工作环境，如井下工作等，对变频器的散热，防爆、防潮提出了新的要求，需要具有特殊功能的专业变频器配置这些装备；③网络技术日新月异，矿山改造过程中对变频器的使用和控制也会呈现多功能的趋势，对变频器的控制也要求成为矿山网络化管理中的一个重要环节；④随着变频技术的推广，需用更多的技术人员掌握变频器的原理与构造，这就要求加强技术人员变频技术方面的培训。
6.结 语
变频调速技术的设备在煤矿企业应用很多，比如水泵、通风机、提升绞车、牵引电机车等等，煤炭企业现有设备利用变频调速技术的技术改造，对于节省电能以及提高效率具有重要意义。交流电动机变频调速技术随着科学技术的不断进步，正在日趋完善。对于煤矿企业技术改造和产品更新换代及在节能方面，还有生产自动化方面都具有明显的效果。
【关键词】变频调速技术；节能分析
1.煤矿大负荷设备传统控制使用性能分析
①在煤矿企业中，由于生产设备一般满足服务年限长的特点，选型较大造成大马拉小车的现象，电能浪费严重，设备运行效率往往都比较低。对于煤矿生产企业来说，电耗所占比例相当大，而其中的压气、提升、通风、排水等设备电能消耗为总能耗的1/3左右，占煤矿用电量的30%左右。这样，如果采用挡板、阀门来进行调节往往造成比较大的浪费，而采用电动机变频调速来调节流量，这样可以节省20％～50％左右，自然可能产生巨大的社会和经济效应；②对于大负荷电机来说，往往启动时间长，电流大，这样使得设备绝缘强度收到严重影响，容易烧毁大功率电动机，电网運行的可靠性得到一定考验；启动时存在困难，往往造成较为严重的机械损伤。所以说，这样不仅仅增加了设备维修成本，而且对于电网安全造成很大冲击；③控制工艺单一，同时实时性较差，自动化程度低。同时，对于转矩极限控制、可逆运行控制、速度控制、启动停止方式、加减速功能和机械传动部件使用寿命等方面存在明显缺陷，不能满足大规模自动化控制要求。
2.变频器改造可行性分析
①对于设备起动时大电流对电网的浪涌冲击和机械冲击来说，可以通过软启动来进行减弱；②宽电网电压：范围主要包括±20％电网电压，在电网状况的多重情况进行从容应对；③保护功能主要包括过载保护、瞬时过流、电动机过载保护以及自动转矩补偿保护、电流限幅保护等等，这样，供电、配电设备和电机就能被保护而安全运行；④输入谐波小，高功率因数；⑤调速范围大、精度高、无级调速；效率高，无附加转差损耗；⑥相对简单的改造工艺。在保留原有电动机的基础上，可以对旧设备进行技术改造，这样不仅仅简单可靠，维护方便，另外节电效果也较为明显；⑦故障率低，这样节省设备检修、维护费用。
3.变频调速技术的原理
交流变频调速技术是微机技术、电力电子技术和电机传动技术的综合应用，基本原理是通过整流桥将工频交流电压变为直流电压，再由逆变器转换为频率、电压可调的交流电压作为交流电机的驱动电源，使电动机获得无级调速所需的电压和电流，是一种无附加转差损耗的高效调速方式之一。其工作原理就是工频电源在电力半导体器件的通断作用下，通过整流桥将工频交流电压变为直流电压，然后将频率、电压可调的交流电压通过逆变器进行相关转换成为交流电机的驱动电源。综合强弱电混合、机电一体的基础上，对于电力电子技术、微机技术和电机传动技术进行综合应用，这就是交流变频调速技术。这样就能作为无附加转差损耗的高效调速方式，同时，使得电动机获得无级调速所需的电压和电流。在能源危机中发展的变频调速技术，可以有效大幅度提高工作效率，是因为它能按照电机负载而进行自动的平滑的增速、减速工作。理论分析，可以得到电机的转速N与供电频率f的关系：
n=2×60f/q
式中，n为转速，n/min；q为电机级数；f为频率，Hz。
通过上述公式分析，可得转速n与频率f的关系成正比。当只改变频率f的同时，不改变电动机的极数，这样变电动机的转速就可以改变。当频率在0～50Hz变化时，调节范围对于电动机转速调节来说就较为宽泛。这样，通过电动机的供电电源频率的改变，作为一种高效率、高性能的调速手段变频调速技术能够实现有效调节。
4.变频调速技术的使用案例
这里对象为某煤矿所用的FBCDZ-8-N020B型对旋轴流式风机（2×10kW），在使用ACS510-110kW/380V型变频调速器以后进行前后对比分析。其中，对于ABB变频器来说，主回路功率器件为西门子IGBT，全数字化控制由微处理器实现，这样实际运行中的各种特殊要求就能得以满足，并且可以通过不同参数设置来满足不同工况需要。
经过对于变频调速器替换了原来的自耦降压起动，在按照一定规律的改变脉冲列的脉冲宽度，即正弦波PWM来调节出量和波形。这样可以在在0.1-50Hz的频率范围内控制电动机的加、减速及运转、启动，这样能更好使得起动、运行更加平稳，真正实现了无极调速，供电网络的影响也最小。分析改造后通风系统如下：首先，不需放风，而且增加了调节精度，改变风机电机转速通过任意调节供电频率，同时使得调节精度有所提高。比如，现阶段矿井需要风量为2564 m3/min，而风机额定风量为3680m3/min，这样就能有效降低风机的供电电压频率，设定风机工作频率为35Hz，使得减小风量成为可能。其次，电能得以节省，与去年同样情况相比，电能节省了大约66%左右。表1为电机转速n及电机功率P、节电率N与风机的风量Q的关系。
电动机的功率随着风机转速下降而迅速下降，当风量下降到80%左右时，转速也相应下降到80%左右，对于轴功率则能节省51％左右；当考虑风量下降到50％后，轴功率则下降到额定值的12.5％，这样就表现出巨大的节能潜力，其中，对于节省的主扇风机月电耗计算如下：
节省电能K=电动机额定输入功率×省电率×24×30（kWh）=110×2×66%×24×30=104544kW?h可以看出，上述公式可以节约工业用电大约4万元，再加上投入10万元的ABB-ACS510变频调速器，基本上可收回资本的时间为3个月，所以此项技术在矿井企业的通风系统中值得推广。
5.煤矿对变频技术的使用要求
目前，煤矿井下交流变频调速技术应用尚在起步阶段，但在煤矿企业技术改造和产品更新换代中，已取得了明显的节能效果。同时煤矿也对变频技术提出了新的要求。
①矿山中大小机电设备种类繁多，要求解决好变频器与这些设备匹配问题，才能得到更广泛的推广；②矿山有很多特殊工作环境，如井下工作等，对变频器的散热，防爆、防潮提出了新的要求，需要具有特殊功能的专业变频器配置这些装备；③网络技术日新月异，矿山改造过程中对变频器的使用和控制也会呈现多功能的趋势，对变频器的控制也要求成为矿山网络化管理中的一个重要环节；④随着变频技术的推广，需用更多的技术人员掌握变频器的原理与构造，这就要求加强技术人员变频技术方面的培训。
6.结 语
变频调速技术的设备在煤矿企业应用很多，比如水泵、通风机、提升绞车、牵引电机车等等，煤炭企业现有设备利用变频调速技术的技术改造，对于节省电能以及提高效率具有重要意义。交流电动机变频调速技术随着科学技术的不断进步，正在日趋完善。对于煤矿企业技术改造和产品更新换代及在节能方面，还有生产自动化方面都具有明显的效果。