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在选煤厂机电设备中变频技术的应用
摘要：新时期，我国选煤企业更加注重节约能源、绿色生产以及可持续发展。为此，一些选煤厂在机电设备运行过程中引入了变频技术，利用变频技术优势，以提升机电设备运行质量和效率，实现机电设备改造，为选煤厂创造更大的经济效益。
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在选煤厂机电设备中应用变频技术，首先要明确其基本原理，结合选煤厂机电设备的运行状况，实现变频改造，发挥变频技术的优势作用，科学调整各项机电设备运行速度，节约能源，并将改造效果和实际情况要求对比，对其加以进一步调整与优化，从而满足机电设备在各个阶段的需求。
1、变频技术原理与优势
1.1原理
根据交流电动机转速表达，如公式（1):
式（1）中：n为交流电动机转速，r/min；ƒ为电机供电频率，Hz;s为电机转差率；p为电机绕组极对数。
根据公式（1）可知，变频技术调速方式包括以下三种：第一，调整电机转差率（s）。第二，调整电源频率（ƒ）。第三，调整电机极对数（p）。这三种方式均可以调整，但也有一些特征表现为：改变转差率（s）会损坏转差、降低效率，限制调速范围；改变极对数（p）困难性较高，且会提升电机整体结构复杂性，难以进行无级调速；因此，通常是通过改变电源频率（ƒ）的形式，实现到低速、高速的高精度、宽范围、高效率调速。
1.2优势
其优势主要表现在以下两个方面：
第一，调速。机电设备在运行时是通过转子串电阻的形式来调节速度，但是调度范围有限，准确率不高，降低设备安全稳定性，使得机电设备产生不同程度的损害，减少使用寿命。而在引入变频技术后，可按照机电设备的实际使用量、使用时间等来对其进行科学调速，可按照安排好各个时间段的运行速度进行调速，操作简单，安全性能也有所提升。
第二，节能。在风机与压缩机运行时，多是通过调节气门开度来实现对流量的正确调节，虽然具备一定的效用，但是却会造成电能的浪费，减少选煤厂收益。针对该种情况，引入变频技术，科学调整流量，避免能源浪费，达到较好的节能效果，且除此之外，变频技术在缩小设备体积、增强标准化等方面也有着较大的优势[1]。
2、变频技术在选煤厂机电设备中的应用
2.1在皮带运输机中的应用
皮带运输机中应用变频技术后，可实现运输机电机的转矩平衡，在对其进行变频控制改造时，引入两套变频设备对其加以联合控制，控制系统中装置的变频设备对应的逆变器，共用一套整流/回馈设备与直流母线，让其中一台电机用作主动电机，另外一台当作联动电机使用，即以变频装置来实现对皮带传输机电机输出矩阵的检测，保证四象限变频器转矩、速度同步进行，可及时解决电机驱动皮带机形成的共振、扭震等问题。
在皮带运输机持续运行进程中，若是其中一台变频装置发生故障难以运行或者两台变频装置保持轻负荷运行，可选择另外的一台变频装置带动皮带，保持皮带正常运转。借助四象限变频装置的应用，可以在增加附属元件的基础上让一些机械设备重新反馈到电网以实现重新利用，并在反馈时变频装置不会对电机产生大的冲击，故而不会损伤电机，可保证皮带运输机的稳定运转。但若是附属元件造价高，会让部分能源节约成本回收周期再次延长，但若不顾及节能效果，可以通过变频器带动单元实现有效控制，即相应的机械设备能够借助制动电阻、制动单元完成消耗。
在对皮带运输机展开变频改造时留下工频启动柜，并调节液力耦合器至最高值，将内部装置的工频启动柜当作控制系统来实现备用，若是在变频控制过程中引发故障，可借助工频启动装置来实现对皮带运输机控制系统相应情况的应急处理。在皮带运输机系统完成变频控制改造后，进行试运行，观察运用效果，结合实际情况决定在哪一个时间段拆除液力耦合器，直接连接皮带运输机转轴与电机，完成最终改造，达到理想变频控制效果[2]。
2.2在风机中的应用
以某煤矿选煤厂风机引入变频技术为例，该风机功率为220kW，额定电压为380V、额定电流为390A、额定转速为2955r/min，频率为50Hz、级数为2级。在对其变频改造前，风机电动机一直维持在转速2955r/min、工频50Hz状态下运行。在风机适宜位置装设通用变频器之后，电动机工况频率维持在43Hz以下运行，且满足工艺标准要求。计算其改造后的具体节能情况，如下所示：
将参数代入公式（1）得出，s=0.015。若是按照输入电源最大赫兹来进行计算，得出转速n=2541r/min，对比分析额定转速间的差异：2541/2955=86%。
已知功率与转速立方成正比，如公式（2）所示：
式（2）中：Wg为变频改造之后风机电动机的最大输出功率，kW;W为风机电动机的额定功率，kW;ng为最高转速，r/min;n为风机电动机的额定转速，r/min。
根据式（2）计算可得出：Wg=140kW，进而得出节电百分比为36.4%。由此可知，理论上的节电效率为36.4%[3]。
设备变频改造之后，风机应用试验数据如表1所示，从各项数据可知实际节电效果大于理论节电效果，达到了50%左右。
2.3循环水泵中的应用
2.3.1变频节能可行性分析
水泵Q-H特性曲线如图1所示，设定循环水泵正常工作点为A，则对应的特性曲线，在将水泵水量需求作出如下调整时：Q1→Q2，传统阀门调节方式是，从R1调节为R2，即全开状态逐渐关小；工作点调节到B点，对应的输出功率是H2BQ2O圈定面积，功率并未发生大的变化，且效率会降低。
表1风机变频改造试验数据
图1水泵Q-H特性曲线示意图
在引入变频调速后，可按需进行电机转速升降，调整水泵性能曲线，调节电机转速n1至n2，即从额定转速缓缓下降；调整工作点到C点，各项参数达到工艺标准，水泵此时的输出功率为H2BQ2O圈定面积，水泵效率代表的曲线同步平移，工作范围仍旧在高效区域内，而阴影部分面积代表的即是通过变频技术节约的能耗[4]。
2.3.2循环水泵变频调速
选煤厂在各个阶段均面临着比较沉重的选洗加工任务，生产用水要求循环供应，而循环泵多是按照“一用一备”的形式来供水，但是为每台水泵配备对应的变频装置会增加改造成本，故而结合循环水泵的工作形式，设计“一拖二变频”调速装置，具体构造如图2所示。通过真空开关QF2输入对应的指令，借助变频设备进线刀闸QS2到变频设备，在变频设备输出经出线刀闸QS3将指令传达至电动机[5]。
在此次变频改造时留下了控制柜本身的软启动装置，并与变频设备同步控制电机，工频旁路备份设备则以软起动方式使用。在变频设备检修时，人工完成刀闸操作，此时操作人员可根据实际情况来完成系列操作，人身安全得到极大保障；而变频设备在使用时出现故障，可进行人工操作道闸，如此能够隔离变频装置，使其保持正常负载运行。
图2循环水泵一拖二电气原理图
2.3.3水泵调速现场试验
现场试验，手动操作阀门，使其开度保持最大，设定变频装置频率为38Hz，以此来保证水泵即使处于最小扬程，可实现选洗水供应系统稳定运行，满足功率标准。为保证水泵持续供水效果，在正常供水时关闭回流阀，引入水位闭环控制，选择在主厂房循环水箱池内壁适宜位置装设液位传感器，通过变频设备内部装置的PID调节装置来实现合理调节，在水位到达限值后，变频设备频率逐步下降，保持水泵低速运转，且水位越低，转速越高。
将各个时间段的水位信号直接传递至控制柜，方便操作人员直接观察到水泵液位情况。如此能够对其进行持续的操作，使得循环水泵内部水总量一直保持不变，衡量动态平衡管理效果明显[6]。
2.4空压机上的应用
空压机是选煤厂常用的设备，其在应用时多是以直接启动的方式，虽然具备一定的效用，但是会浪费电流，影响整体使用效率，故而引入变频技术，控制启动电流在一定范围内，保证空压机在较小的范围内启动，降低电流损失，延长设备使用寿命。
以某螺杆压缩机为例，它包括三台设备，两台使用一台备用，变频技术的具体应用方式如下：利用一台变压器来实现对三台空压机的变频控制，具体功能主要依靠主电路控制柜、可编程控制器PLC实现，为确保恒压供风所需，系统不但可设定好工频、变频运行模式，还可按需切换运行模式。主电路选择接触器KM为控制元件，可控制系统本身的紧急停车等功能，而压缩机的变频、工频切换、各台压缩机切换均可由接触器1-6KM控制，所有接触器都是通过PLC控制。
系统运行过程中，1号空压机首先启动，吸合1KM，按照变频启动1号空压机，系统压力、电动机转速在频率升高时随之升高，在1号空压机运行频率逐渐接近50Hz工频时，系统压力若是不能满足工作压力标准，吸合2KM,1LM断开，1号空压机直接进入工频运行模式，按照该种方式来对变频器PID综合调节，确保实现恒压送风，该种变频改造方式能够最大限度地降低能源浪费，确保按照低电流方式启动与运行，并保证运行质量。
3、结束语
综上所述，变频技术在选煤厂机电设备中的应用具有一定的重要性与必要性，选煤厂技术人员应结合机电设备应用现状，明确其在运行过程中的突出问题，引入变频技术，在解决相关问题的基础上，实现机电设备稳定运行。
参考文献:
[1]郭威.变频技术在选煤厂机电设备中的应用标准[J].中国石油和化工标准与质量,2021,41(17):177-178.
[2]毛雯俊,朱涛,魏宏.变频技术在煤矿机电设备更新改造中的应用探索[J].内蒙古煤炭经济,2020(15):203-204.
[3]石磊,王贯玉,武慧彪.目前煤矿机电工程中的变频技术应用问题探析[J].建筑工程技术与设计,2018(19):4718.
[4]周学友,姚文虎,钱坤.VZH088､117､170C系列直流变频涡旋压缩机技术简述[J].制冷与空调,2020,20(3):92-96.
[5]罗金龙.350MW超临界供热湿冷机组一次风机变频技术节能效果研究[J].东北电力技术,2020,41(12):24-26.
[6]张春花,黄凯,徐晓明.永磁调速与变频调速技术在选煤厂循环水泵的应用[J].能源与环保,2018,40(2):144-149.
文章来源:徐光泽.变频技术在选煤厂机电设备中的应用[J].矿业装备, 2023, (12): 4-6.
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2024-02-20我要评论
期刊名称：中国矿业
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主管单位：中国矿业联合会
主办单位：中国矿业联合会
出版地方：北京
专业分类：煤矿
国际刊号：1004-4051
国内刊号：11-3033/TD
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创刊时间：1992年
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2023-12-07
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