历伟

【摘 要】介绍了变频技术在矿井绞车和水泵等大型设备中的应用，对节能降耗和保护设备的作用作了说明，并简要分析了变频调速技术在应用中应该注意的问题。

【关键词】变频器；电机；调速；节能；保护

1.变频技术在绞车的应用

大多数矿井绞车轨道坡度变化较大，由于电机转速一定，在坡度较缓时，负荷减轻，电机拖动产生的能量无法被负载吸引，势必会寻找能量消耗渠道，导致电机进入再生发电状态，将多余的能量反馈到电网，引起主回路母线电压的升降，这样会对整个电网产生冲击，导致电网供电质量下降，功率因数降低，频繁的高压冲击会损坏电机，对电机没有可靠的保护功能，一旦电机损坏，造成生产效率降低、维护量加大，极不利于绞车的节能降耗，给企业造成较大的经济损失。另一方面，煤矿开采的特殊地质环境决定了绞车运行特点，在开采前期，轨道质量较好，绞车可采用工频运行，保证正常提升；在后期，由于地质作用，轨道质量变差，绞车运行环境恶化，电机若仍工频运行，势必造成不必要的损耗，这时须考虑实际工作情况，适当调节电机转速。

为了解决上述问题，可将变频技术引入到绞车控制中去。根据电机理论可知，其转速公式为：

n=60f（1-s）/p

式中p—电动机的极对数；

s—转差率；

f—供电电源频率；

n—电动机的实际转速。

从式可以看出，电机转速与频率近似成正比，改变频率即可以平滑地调节电机转速，从而可以连续地改变绞车的速度。根据电动机工作电流的大小确定电动机的工作频率，这样可以根据负载的变化，方便的调节电机的输出功率，达到节能和提高电网功率因数的目的。同时变频调速器具有低速软启动，转速可以平滑的大范围调节，对电动机保护功能齐全，如短路、过载、过压、欠压及失速等，可有效地保护电机及机械设备，保证设备在安全的电压下工作，具有运行乎稳、可靠、提高功率因数等诸多优点，是绞车改造的理想方案。

2.绞车的变频器改造原则

（1）以提高电网质量，减小对电网影响为目标的变频改造。这主要集中在供电企业对电网质量要求较高的场合，为了避免电网质量的下降，需引入变频控制，其主要目的就是减小绞车工作过程对电网的影响。

（2）以节能为目标的变频改造。绞车为了克服大的起动转矩，采用的电动机远远大于实际所需功率，工作时电动机的利用率一般在20%-30%之间，最高不会超过50%，电动机常常处于轻载状态，造成了电动机资源的浪费。为了节能，提高电动机的工作效率，需进行变频改造。

（3）以提高电网质量和节能为目标的变频改造。这种情况综合了上面两种改造的优点，是应用中的一个重要发展方向。

在实际的应用过程中却出现了许多问题，这些问题主要集中在绞车电机的发电状态产生的能量的处理上。对于第一种情况，采用普通变频器加能耗制动单元可比较方便的实现，这是以多耗电能为代价的，这主要是因为发电能量不能回馈电网造成的。在未采用变频器时，电动机处于电动状态，电动机从电网吸收电能（电表正转）；电动机处于发电状态时，电动机释放能量（电表反转），电能直接回馈电网，并没有在本地设备上耗费掉。综合表现为绞车的供电系统的功率因数较低，对电网质量影响较大。但是在使用普通变频器时，情况发生了变化。普通变频器的输入是二极管整流，能量不可反方向流动。上述这部分电能没有流回电网的通路，必须用电阻来就地消耗，这就是必须使用能耗制动单元的原因。对于第二种情况和第三种情况，必须妥善的处理电动机发电状态产生的电能，必须将其反馈到电网，否则造成变频运行时反而耗能。为了解决这个问题，有必要对普通变频器进行改造，在结构上引入双PWM结构的变频器，保证发电状态产生的电能回馈电网；在控制方法引入自适应控制以适应绞车多变的工作环境。

3.变频技术在水泵控制中的应用

3.1变频技术应用于水泵控制

矿井中应用较多的另一种设备是多级离心泵。电能输送给水泵电机后，电机带动多级离心泵旋转，将电能转换为机械能，把井下的水举排到地面。由于水泵是在井底工作，工作环境非常恶劣，传统的供电方式—全压、工频使它故障频繁，运行成本大增。一方面，水泵在工频启动时，启动电流大，电机电缆的压降较大，使得电机电缆在启动过程中的反压较高，使绝缘性能降低，每次开机都会使水泵寿命降低，大大影响了水泵的使用寿命。另一方面，水泵在正常工作时，普遍存在着电机负载率较低的情况，水泵的功率因数较低，耗电量多，“大马拉小车”现象严重。泵、电机匹配难以达到在泵的最佳工况点运行，管网效率低，电能损失高达50%以上。正是从恒压排水和节能的两个方面考虑，在排水系统中引入变频控制。

通过流体力学的基本定律可知：泵类设备均属平方转矩负载，其转速n与流量Q，压力H以及轴功率户具有如下关系：Q∝n，H∝n2，P∝n3；即流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。通过上述分析可以知道，通过改变电动机转速可方便地改变水的流量，保证水压恒定；通过改变电动机转速，在降低水流量的同时，可有效降低系统的电能损耗。

3.2变频改造的排水系统具有的优点

（1）实现了电机软起动、自由停车。电机均通过变频器或软起动从0-50Hz作缓慢加速起动，可减少机泵因突然高速起动所带来的影响，减少了直接起动时起动电流对电网的冲击。

（2）提高了功率因数，改善了电机电源质量，电机的功率与实际负荷相匹配，系统达到节能运行的目的。

（3）消除了泵的喘振现象，使泵运行处于最佳工况状态。

（4）实现了压力自动控制，被调节量得到更平稳的调节，增强了系统的稳定性和可靠性。

目前变频调速技术应用在排水系统中，对水泵电机转速进行调节，达到稳压、稳流排水。同时软起软停的功能代替了减压启动，使电机起停平稳，减少了对电网和机械设备的冲击，不会造成管网压力、流量、流速的剧烈变化，不需要阀门截流，因此对防止汽蚀、水击、喘振极为有利，可以延长管网、泵、阀门的维修周期和使用寿命。

4.结束语

变频技术因其节能、利于提高工艺水平、方便构成自控系统的优势，在各个行业得到越来越广泛的应用。应用变频调速是煤矿提高工艺水平、节能挖潜、增加效益的重要途径，今后必将得到更广泛的应用，为企业创造巨大的效益。