現代電力電子技術(shù)在煤礦電氣的應用
現代電力電子技術(shù)在煤礦電氣的應用
【摘 要】煤炭行業(yè)的電力消耗量約占總能耗的67%。
現國有統配煤礦基本實(shí)現了機械化，但電氣化仍較落后。
從電氣傳動(dòng)技術(shù)及其裝備水平看，工業(yè)技術(shù)先進(jìn)國家的電力拖動(dòng)系統中，采用變頻調速技術(shù)已達到70%～80%，而我國不足10%，煤礦的應用水平則更低。
而礦井的電能消耗中，電機消耗的電能占了近90%。
該文介紹電力電子技術(shù)的發(fā)展和應用前景，通過(guò)在煤炭企業(yè)的應用實(shí)例，論述了煤炭企業(yè)電力電子技術(shù)的推廣應用可以節約一定的電能。
【關(guān)鍵詞】電力電子;技術(shù)煤礦;節能
1.現代電力電子技術(shù)在煤礦電氣的應用
傳動(dòng)系統中的應用國際上，技術(shù)先進(jìn)的產(chǎn)煤國家，井下使用現代電力電子技術(shù)和裝備已相當廣泛。
如調速變頻電牽引采煤機，風(fēng)機、水泵、提升機等礦用設備調速系統;原不調速系統實(shí)現變頻調速;原直流調速系統正被交流變頻調速系統逐步代替。
1.1提高生產(chǎn)工藝流程自動(dòng)化控制系統智能化水平
電氣傳動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)是以生產(chǎn)機械的驅動(dòng)裝置—電動(dòng)機為自動(dòng)控制對象、以微電子器件(包括微計算機系統)為核心、以電力電子裝置為執行機構，在自動(dòng)控制理論指導下，按給定的規律控制電動(dòng)機的轉速進(jìn)行自動(dòng)調節，以滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝的最佳要求，達到提高效率、降低能耗、提高產(chǎn)品(或系統運行)質(zhì)量、減少系統環(huán)節、降低勞動(dòng)強度的優(yōu)化效果。
現代變頻裝置的智能化程度比較高，自身具有很強的保護功能，對于被驅動(dòng)負載來(lái)說(shuō)，它既是一個(gè)功能很強的控制環(huán)節，又是很準確的電動(dòng)執行機構。
作為電氣傳動(dòng)自動(dòng)化系統，可稱(chēng)得上是控制和執行器的機電一體化環(huán)節。
采用此項技術(shù)和設備，不但可容易地實(shí)現較高性能的單機自動(dòng)化，而且實(shí)現礦井的順槽自動(dòng)化控制要簡(jiǎn)單和容易得多。
1.2提高電氣傳動(dòng)系統的機電一體化水平，減小驅動(dòng)設備占用空間
電氣傳動(dòng)系統的機電一體化是現代礦井采、掘、運、提等大型生產(chǎn)裝備機電一體化的最重要組成部分，這不但可有效地提高生產(chǎn)工藝流程自動(dòng)化控制系統智能化水平，而且可有效地減小設備占用空間。
由于井下空間有限，限制了裝備的體積及使用范圍：縮小裝備的體積可以有效地減少恫室開(kāi)挖量，節約投資。
隨著(zhù)現代電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，發(fā)展無(wú)機械齒輪機，技術(shù)已日臻成熟，并且已進(jìn)入實(shí)用階段。
如：交流主軸驅動(dòng)系統、滾筒內裝電動(dòng)機式提升絞車(chē)等已投入使用，既減少了機械傳動(dòng)環(huán)節系統體積，又有效地提高了整體的傳動(dòng)效率，為礦井電氣傳動(dòng)系統改造提供了誘人的新技術(shù)前景。
2.現代電力電子技術(shù)在電機調速及拖動(dòng)中的應用
礦井中電機是耗能大戶(hù)，并且集中在提升機電機通風(fēng)機電機、主排水泵電機、壓縮機電機以及采煤機電機等幾個(gè)大型電機上，耗能比較集中，因此為實(shí)現電力電子技術(shù)改造提供了方便。
以TKD和JKMK系列提升機電控系統為主的交流提升電控系統在我國使用最為普遍，這些控制系統都是采用轉子附加電阻來(lái)調速的。
由于交流提升機在減速段機械特性軟調速性能較差，后來(lái)又出現直流調速提升機，由于在開(kāi)始發(fā)展直流控制系統時(shí)電力電子技術(shù)特別是大功率電力電子元件及控制模塊還不是很成熟，因此這種直流調速方案主要采用F—D系統(直流發(fā)電機拖動(dòng)直流電動(dòng)機)。
這種系統中拖動(dòng)發(fā)電機的電動(dòng)機除了檢修以外，一般停機，因此電能浪費嚴重，以某礦副井提升機為例：該礦副井提升機采用的是直流F—D直流拖動(dòng)系統，提升電機的功率是1250kw，為其提供直流電源的是功率為1450kw的直流發(fā)電機，拖動(dòng)發(fā)電機的是功率為1600kw的交流同步電動(dòng)機，在提升機進(jìn)行電力電子技術(shù)改造前每個(gè)月的耗電量在40—45萬(wàn)kw·h之間。
除此之外，整個(gè)控制系統仍然采用傳統的繼電器控制，所有參數也是模擬量，因此控制復雜、故障率高、參數易變、維護量大，每年的維修費用15萬(wàn)元左右，維修時(shí)間超過(guò)500h。
該礦于2004年5月對電控系統進(jìn)行改造，改造成電力電子整流直流調速系統，整套系統采用進(jìn)口整流控制柜和PLC控制系統。
改造后，每月電量消耗在20萬(wàn)kw·h左右，節能非常明顯，兩年內節約的電費就收回了項目投資。
同時(shí)控制系統數字化、模塊化，結構緊湊、集成度高、故障率低、維護方便，年維修費用2萬(wàn)元以下，年維修時(shí)間200h左右。
節能效果良好，經(jīng)濟和社會(huì )效益明顯。
相對于直流調速系統，交流電機費用低、結構簡(jiǎn)單、維護方便，因此受到用戶(hù)的青睞，特別是交流電機的變頻調速性能和直流調速基本相似，因此變頻調速的發(fā)展速度很快，并且有逐步取代直流調速的趨勢。
交流電機采用變頻技術(shù)相對直流電機采用直流調速性能基本相似，但是變頻技術(shù)相對直流調速方案總體經(jīng)濟效益較好，這一點(diǎn)在電梯調速方面的成功應用可以得到驗證。
煤炭企業(yè)大功率電機直接使用變頻調速的難度在于電機的額定電壓以6kv為主，應用高壓交流電機和高壓變頻調速的方案目前還沒(méi)有一個(gè)成功應用的例子。
隨著(zhù)變頻技術(shù)的進(jìn)步，具有內置式PID以及張力卷取軟件、速度級鏈速度跟隨以及電流平衡等功能的大功率高壓變頻器技術(shù)的成熟。
目前的礦用提升機交流電控系統除了調速性能不理想外其轉子串接的加速電阻也消耗部分電能，而且維修量大。
礦用刮板輸送機和帶式輸送機是煤礦生產(chǎn)的重要設備之一，這些設備啟動(dòng)頻繁，負荷變化大，目前使用的啟動(dòng)設備大多數采用普通磁力啟動(dòng)器配液壓聯(lián)軸器，啟動(dòng)效果不很理想，同時(shí)也無(wú)法達到節能效果。
隨著(zhù)隔爆型變頻器技術(shù)的成熟，礦用運輸設備采用變頻器是完全可行的，而且可以同時(shí)達到節能和軟啟動(dòng)的目的。
但是隔爆型變頻器造價(jià)高，推廣起來(lái)有一定的難度，不過(guò)現在國內有的企業(yè)通過(guò)和國外技術(shù)合作、引進(jìn)或自制研制成功了隔爆型節能軟啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，這種開(kāi)關(guān)造價(jià)比變頻器低，還可以通過(guò)調整輸出電壓來(lái)達到節能的目的，在目前條件下，這種開(kāi)關(guān)還是值得推廣的。
3.現代電力電子技術(shù)的其它應用
煤炭企業(yè)一般距離市區較遠，因此煤礦的工人村都有相對對立的物業(yè)管理體系，例如必須具備對立的供水系統。
現在大多數礦山工人采用的都是定時(shí)供水制，只在規定的時(shí)間內供水，供水的時(shí)候，就是用水的高峰期，每個(gè)用戶(hù)還要用容器存一部分水備用，實(shí)際上并不一定能用完，長(cháng)流水的地方也比較多，因此造成水資源和電能的浪費。
另外，由于用水集中，為了保證有足夠的水壓，供水的水泵和電機都比較大，因此也造成了設備資源的浪費。
全自動(dòng)無(wú)塔變頻供水裝置這項技術(shù)在全國推廣使用已經(jīng)好幾年了，這項技術(shù)投資少，自動(dòng)化程度高，同時(shí)還可以達到節水節能的目的，但是在煤炭企業(yè)應用還不是太廣泛，還沒(méi)有認識到其優(yōu)勢。
某礦工人原來(lái)使用的也是定時(shí)供水制，自從改造成全動(dòng)無(wú)塔變頻供水以后，節約水資源10%以上，節約電能15%以上，而且還可以保證全天候供水，方便了居民生活，經(jīng)濟和社會(huì )都很好。
我國于1996年正式啟動(dòng)綠色照明計劃，綠色照明計劃的關(guān)鍵就是利用電力電子技術(shù)開(kāi)發(fā)節能光源和節能燈具。
煤礦井下大量使用照明，目前礦井使用的照明設備以普通熒光燈白熾，因此大規模推廣使用節能燈具有著(zhù)重要意義。
以百萬(wàn)噸礦井生產(chǎn)照明用電容量為50kw計算時(shí)，推行節能技術(shù)可以節約電量15%，全國年產(chǎn)原煤12億t，年節約電量近80GW時(shí)，細算起來(lái)是一個(gè)不小的數字。
但是，我國在開(kāi)發(fā)成本低、電磁污染低、可靠性高的性能先進(jìn)的電子整流器方面，特別是能適應煤礦井下惡劣條件的先進(jìn)節能燈具技術(shù)還不是很成熟。
4.結論
電機是感性負載，功率因數低，負載變化大，節能的空間很大。
節能的關(guān)鍵在于先進(jìn)的節能設備的使用或對現有設備的技術(shù)改造。
電機類(lèi)負荷的節能方法主要是電力電子器件，而我國煤炭企業(yè)在電力電子技術(shù)的應用不僅無(wú)法和國外先進(jìn)水平相比，即使和國內其他行業(yè)相比也落后很多。
因此，煤炭企業(yè)電力電子技術(shù)的改造應用具有廣闊的前景和良好的經(jīng)濟效益。
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