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摘 要 在矿山应用变频调速技术对于提高矿山生产设备的效率，节约电能都是至关重要的。矿山如何正确应用频调速技术正确了解矿山设备对变频器的特殊要求、及如何选择变频调速器很重要
关键词 变频调速器 矿山设备 变频器的选择 节能
1 . 前言矿山按产品类型可分为煤矿、金属矿和非金属矿山等；按采掘方式可分为露天开采矿山和地下开采矿山两大类。本文主要介绍变频调速器在露天石灰石矿山中的应用的现状和应用前景，对煤矿亦有参考价值，因为露天煤矿和露天石灰石矿开采方式和生产设备基本相同。
露天矿山开采是以大型设备为主要特点，要求优良的电气传动系统，以保证这些大型设备的高效率运行。露天矿山所用于穿孔的牙轮钻机，用于装载矿、岩石的电铲(挖掘机)，用于运输矿、岩石的大型汽车皮带机，板式给矿机，以及用于对矿石运输过程中产生的灰尘进行除尘的除尘设备都是耗能大户，因此，这些设备的安全运行和节能也至关重要。
本文主要介绍目前镇江船山集团有限公司老系统除尘设备改造时及镇江句容船山建材有限公司建矿时采矿设备电铲应用变频器的应用状况，以及如何正确地选用变频器等。
2变频器在采矿设备中的应用2.1 电铲电铲用于装载矿岩，其工作条件非常恶劣，特别是在爆破不好的情况下挖坑底作业，经常出现过大的冲击载荷，甚至堵转。因此，电铲对电气传动系统就有较高的要求:要求电气传动系统的机械特性曲线的包络面积大，有足够的有用功率；要求有良好的调速性能，能四象限运行，能快速地进行加、减速和反转，动态响应速度快；要求系统制动性能好，并能回收能量；要求系统运行可靠，维修方便等。由于电铲对电气传动系统的这些特殊要求，所以，我国电铲目前应用的电气传动系统主要还是直流传动系统。虽然后者比前者技术先进，也解决了部分调速系统的技术问题，效率也有所提高，但这两种系统都还存在直流电机的固有的缺点，即维修工作量大、效率较低等。镇江句容建材有限公司隶属于江苏船山集团，建材公司投产采用采矿设备电铲时，结合船山集团公司采矿设备的特点，没有采购晶闸管交流系统的电铲，而是直接购买了电气系统从美国进口的变频器鼠笼电动机系统的电铲295-BⅡ型电铲，这是全交流化的电铲电气传动系统，也称交流变频调速系统。变频调速器由德国SIEMENS公司开发、提供的电压型变频器。当某工作机构处于再生制动工作时，逆变器将再生制动能量反馈到公共直流母线上，可供其它工作机构使用，使能量得到充分利用。使用不完的制动能量，可以通过制动电阻消耗掉。句容船山建材公司同时也从船山集团借用了一台295-B型的电铲，通过两只电铲每日采矿量的记录以及维修的记录，前者比后者的采矿量高出1/3多，且维修量是后者的1/3，从节能记录上看，前者比后者节能多达每正常工作日达1750 kwh。实践证明，交流变频调速电铲和前两种直流调速电铲相比，具有节约电能、调速性能好、可靠性高、维护量小、生产效率高、功率因数高(0.95以上)等优点，是公认的电铲电气传动系统的发展方向。2.2 变频调速技术在除尘设备中的应用露天矿山开采，尤其是矿石的运输过程中易产生大量的灰尘，除环境的影响非常大，同时对设备的正常运转以及岗位工的日常巡视与人身健康都带来许多不利因素。船山集团交流的除尘设备采用的是同步电机拖动，恒速运转，容量大，电机供电电压高（10kV)。船山集团老系统的生产随着采矿设备的不断更新，产量逐渐增大，作业时间增长，因此对除尘设备的开机时间也逐渐要求增大。这就带来的是除尘设备的维修量加大，尤其是当操作工调节风门时如果调节不当，导致风机抖动大，电机烧坏的频率加大，同时能耗量明显加大，生产成本明显加大。
通过与兄弟单位的技术交流以及结合采矿除尘设备的特点，船山集团老系统从长远考虑购买了同步电机直接高压变频器，高压变频器采用SIEMENS公司的SIMOVERTMV型三电平高压变频器。经过改造于2003年10月投入运行，节电效果也是十分显著的。下面简要介绍高压变频器。同步电机高压变频器主要有两类，即他控式变频调速系统和自控式变频调速系统。他控式变频调速系统所用的变频装置是独立的，其输出频率直接由速度给定信号决定，属速度开环控制。自控式变频调速系统可以使同步电机不存在失步和振荡等问题，所以一般都采用自控式运行。我们与有关单位合作研制开发的这种同步电机直接高压变频调速装置是采用交-直-交电流型变频调速系统，属自控式变频调速系统，它由变频器、同步电机、转子位置检测器以及控制系统组成。变频器主电路采用晶闸管串联组成的高压阀串作为功率元件，它是利用同步电机的反电势来关断逆变器的晶闸管，它没有强迫换流电路，因而主电路结构简单。变频器的框图如图3所示。
图1同步电机变频调速系统原理框图
图1中，硬件全套设备由高压开关切换柜(图中未表示出)、整流柜、逆变柜、励磁柜、控制柜、操作台及交流进线电抗器、直流平波电抗器、转子位置检测器、光电编码器等到部分组成。根据凡口矿生产的情况需要，本高压变频器按周期性的固定频率运行，早班(8:30~15:30)变频装置运行在40Hz，中班(16:30~24:00)运行在40Hz，夜班在24:30~7:30，变频器运行于40Hz，每班交接班时间为1小时，此时破碎设备和筛分设备停机，在这期间变频器运行在28HZ。
经节能测试及能量平衡测试，以老系统的除尘设备运行的实际记录，在正常生产期间，节电率达42%;节假日时变频器运行于28Hz，节电率达73%。年节电为64.24万kWh，在不到一年的时间内，就由节电费用收回到了高压变频器的全部投资，经济效益十分显著。
3选择变频器应注意的事项变频器，特别是高压变频器价格昂贵，如选择不当，达不到节电和提高生产效率的目的，以致造成浪费和不必要的麻烦和损失。在这里，提供一些选择变频器的意见，供參考。3.1 根据工艺要求选择变频器(1) 电机调速虽是风机、水泵节能的有效途径，但并非凡是风机、水泵都能采用调速节电。对于工艺参数基本稳定，不需要调速的风机、水泵可以采用高效节能电机和高效节能风机，以提高系统效率。通常最低转速不少于额定转速的50%，一般调速范围在100%~70%之间为宜，因为当转速低于额定转速的40%~50%时，风机、水泵本身的效率明显下降，是不经济的;调速范围确定时，应注意避开机组的机械临界共振转速，否则调速至该谐振频率时，将可能损坏机组。(2) 进行可行性分析在选择要进行的变频调速的设备对象以后，应从提高效率或提高产品质量的需要情况，从节约电能的情况进行分析、计算，并与变频器的投资进行比较，计算出变频器的投资回收期。一般来说，如能从节约的电费或从提高产品质量、提高效率等方面所得的收益中，在两年内偿还变频器的投资，都应认为是可行的。同时还应分析外部条件是否满足变频器的使用要求。(3) 变频器的可靠性变频器的可靠性如何，直接决定了变频器能否成功地应用于生产。这是选择哪种变频器的首要条件。有的矿山所购买的变频器可靠性不高，加之自身的维修技术力量不强，变频器出了故障，只好仃下，甚至弃用。造成损失，同时也为变频器的继续推广应用带来负面影响。(4) 根据生产厂家提供的技术规格和技术参数来选择变频器在按工艺要求、电源条件、场地及容量等选择了变频器方案后，再具体到选择哪个厂家的哪种高压变频器。在选择变频器时可以根据厂家提供的产品样本等技术资料及报价表来选择。变频器的制造厂家和经销商都会向准备购买变频器的用户提供样本及报价。在样本中，厂家公开说明其产品种类、特性、技术指标和特点，用户在订货前通过对产品样本资料可以对其产品有大概了解。因此对产品样本的阅读和了解是比较各厂家变频器性能的重要依据。3.2 主要应考虑的技术规格和技术参数(1) 型号各厂家生产的变频器的型号多是系列号和容量的组合，通过对型号和规格得了解，可以确认该厂家生产的品种，对用户来说，不一定会使用到全系列的变频器，但可以从型号、规格、所采用的功率元件、控制技术等方面判断厂家的实力和生产态势，甚至可以从一个方面判断其产品质量。产品品种齐全，容量覆盖范围大，功率元件及控制技术先进的厂家，一般来说其实力强，生产态势好，产品质量一般来说也会有较好的保障。(2) 效率变频器效率的高低，直接关系到变频器调速节能的多少，因为在变频器运行时，变频器本体也要消耗一部分电能。一般来说直接高压变频器的效率都可达到0.97~0.98,而高-低-高式高压变频器由于多一个变压器的损耗，使其系统效率有所降低。(3) 功率因数在整个调速范围内，功率因数的变化是一项重要指标。最好是在整个调速范围内功率因数都保持在0.95以上，以使其符合国家标准GB3485-83的标准，这只有电压型变频器和IGBT单相变频器串联的高压变频器能够满足此项规定。而电流型变频器较难满足这项要求。(4) 谐波国家对电网谐波有严格要求。限制用户非线性谐波设备注入电网的谐波电流，是限制电网电压正弦波畸变的关键。所用的高压变频器的谐波(即装置对电网产生的谐波)必须符合国标GB/T14549-93“电能质量、公用电网谐波”的规定，在国际上要符合IEEE-519标准的规定。对于电流型变频器如采用六脉冲整流，则5次、7次谐波都超过了这个标准，应采用12脉冲整流或附加谐波补偿措施。(5) 输出容量和额定输出电流变频器输出容量以kVA或kW表示，它代表可以供给电动机的输出功率。用kW表示时，一般以四极标准电机为基础考虑;用kVA表示，需进行核算。额定输出电流是在额定电压下变频器能够连续输出的电流值。在以输出容量为标准选择了变频器以后，还应对额定输出电流进行核算，以使电动机的额定电流不要超过变频器的额定输出电流。(6) 率范围由最低使用频率和最高频率定义调速范围。最低使用频率的意思与起动频率不同。起动频率很小时，并不一定能使电机从该频率起动。变频器要对最高频率设定，对风机、水泵的最高频率应设定(即箝位)在50Hz，所有的变频器都可满足这个要求，在选择变频器时可不作考虑，但使用中需注意此点。(7) 电源容量和允许电压变化范围供给变频器的电源容量应足够大，电源电压变化范围应在变频器允许的范围。用户在选择变频器时应根据自己电网容量及电网电压的变化情况，对变频器进行选择。曾有一个矿山因电压波动范围超过了变频器的允许范围，而使变频器不能正常应用。(8) 保护功能变频器样本中一般表明其保护功能，这是为了检测出变频器的异常情况和防止外部原因及内部异常对变频器造成损害，保护变频器正常运行和变频器安全可靠。因此保护种类是否齐全、完善，从一个方面反映变频器质量和运行的安全可靠性。(9) 价格变频器价格是用户最关心的问题之一，用户应了解厂家或经销商所报出的价格的具体含义和具体内容，及服务内容，以及任选件价格等。还应与其它厂家的变频器进行综合比较。
4 结束语《中华人民共和国节约能源法》第39条，已将变频调速技术列为通用节能技术加以推广。在矿山应用变频器和其它工业部门有相同之处，也有不同之处，如电铲、牙轮钻机、矿井提升机等设备应用变频器有一种特殊要求，所用的变频器还有一些技术开发工作要做。建议有关科研院所、变频器生产厂家和矿山用户共同合作，开发我国矿山设备使用的变频器。本文的目的在于抛砖引玉。由于作者的水平有限，资料不够，经验不足，所述内容错误之处在所难免，所论观点也属一孔之见，欢迎读者和朋友们批评指正。
参考文献[1] 采矿手册[M]. 冶金工业出版社,1991,(6).[2] 张永惠. 高压变频器的选择[J]. 变频器世界，1999,(6).[3] 李虹.变频调速在矿山节能中的应用[J].变频器世界,2003,(8).
关键词 变频调速器 矿山设备 变频器的选择 节能
1 . 前言矿山按产品类型可分为煤矿、金属矿和非金属矿山等；按采掘方式可分为露天开采矿山和地下开采矿山两大类。本文主要介绍变频调速器在露天石灰石矿山中的应用的现状和应用前景，对煤矿亦有参考价值，因为露天煤矿和露天石灰石矿开采方式和生产设备基本相同。
露天矿山开采是以大型设备为主要特点，要求优良的电气传动系统，以保证这些大型设备的高效率运行。露天矿山所用于穿孔的牙轮钻机，用于装载矿、岩石的电铲(挖掘机)，用于运输矿、岩石的大型汽车皮带机，板式给矿机，以及用于对矿石运输过程中产生的灰尘进行除尘的除尘设备都是耗能大户，因此，这些设备的安全运行和节能也至关重要。
本文主要介绍目前镇江船山集团有限公司老系统除尘设备改造时及镇江句容船山建材有限公司建矿时采矿设备电铲应用变频器的应用状况，以及如何正确地选用变频器等。
2变频器在采矿设备中的应用2.1 电铲电铲用于装载矿岩，其工作条件非常恶劣，特别是在爆破不好的情况下挖坑底作业，经常出现过大的冲击载荷，甚至堵转。因此，电铲对电气传动系统就有较高的要求:要求电气传动系统的机械特性曲线的包络面积大，有足够的有用功率；要求有良好的调速性能，能四象限运行，能快速地进行加、减速和反转，动态响应速度快；要求系统制动性能好，并能回收能量；要求系统运行可靠，维修方便等。由于电铲对电气传动系统的这些特殊要求，所以，我国电铲目前应用的电气传动系统主要还是直流传动系统。虽然后者比前者技术先进，也解决了部分调速系统的技术问题，效率也有所提高，但这两种系统都还存在直流电机的固有的缺点，即维修工作量大、效率较低等。镇江句容建材有限公司隶属于江苏船山集团，建材公司投产采用采矿设备电铲时，结合船山集团公司采矿设备的特点，没有采购晶闸管交流系统的电铲，而是直接购买了电气系统从美国进口的变频器鼠笼电动机系统的电铲295-BⅡ型电铲，这是全交流化的电铲电气传动系统，也称交流变频调速系统。变频调速器由德国SIEMENS公司开发、提供的电压型变频器。当某工作机构处于再生制动工作时，逆变器将再生制动能量反馈到公共直流母线上，可供其它工作机构使用，使能量得到充分利用。使用不完的制动能量，可以通过制动电阻消耗掉。句容船山建材公司同时也从船山集团借用了一台295-B型的电铲，通过两只电铲每日采矿量的记录以及维修的记录，前者比后者的采矿量高出1/3多，且维修量是后者的1/3，从节能记录上看，前者比后者节能多达每正常工作日达1750 kwh。实践证明，交流变频调速电铲和前两种直流调速电铲相比，具有节约电能、调速性能好、可靠性高、维护量小、生产效率高、功率因数高(0.95以上)等优点，是公认的电铲电气传动系统的发展方向。2.2 变频调速技术在除尘设备中的应用露天矿山开采，尤其是矿石的运输过程中易产生大量的灰尘，除环境的影响非常大，同时对设备的正常运转以及岗位工的日常巡视与人身健康都带来许多不利因素。船山集团交流的除尘设备采用的是同步电机拖动，恒速运转，容量大，电机供电电压高（10kV)。船山集团老系统的生产随着采矿设备的不断更新，产量逐渐增大，作业时间增长，因此对除尘设备的开机时间也逐渐要求增大。这就带来的是除尘设备的维修量加大，尤其是当操作工调节风门时如果调节不当，导致风机抖动大，电机烧坏的频率加大，同时能耗量明显加大，生产成本明显加大。
通过与兄弟单位的技术交流以及结合采矿除尘设备的特点，船山集团老系统从长远考虑购买了同步电机直接高压变频器，高压变频器采用SIEMENS公司的SIMOVERTMV型三电平高压变频器。经过改造于2003年10月投入运行，节电效果也是十分显著的。下面简要介绍高压变频器。同步电机高压变频器主要有两类，即他控式变频调速系统和自控式变频调速系统。他控式变频调速系统所用的变频装置是独立的，其输出频率直接由速度给定信号决定，属速度开环控制。自控式变频调速系统可以使同步电机不存在失步和振荡等问题，所以一般都采用自控式运行。我们与有关单位合作研制开发的这种同步电机直接高压变频调速装置是采用交-直-交电流型变频调速系统，属自控式变频调速系统，它由变频器、同步电机、转子位置检测器以及控制系统组成。变频器主电路采用晶闸管串联组成的高压阀串作为功率元件，它是利用同步电机的反电势来关断逆变器的晶闸管，它没有强迫换流电路，因而主电路结构简单。变频器的框图如图3所示。
图1同步电机变频调速系统原理框图
图1中，硬件全套设备由高压开关切换柜(图中未表示出)、整流柜、逆变柜、励磁柜、控制柜、操作台及交流进线电抗器、直流平波电抗器、转子位置检测器、光电编码器等到部分组成。根据凡口矿生产的情况需要，本高压变频器按周期性的固定频率运行，早班(8:30~15:30)变频装置运行在40Hz，中班(16:30~24:00)运行在40Hz，夜班在24:30~7:30，变频器运行于40Hz，每班交接班时间为1小时，此时破碎设备和筛分设备停机，在这期间变频器运行在28HZ。
经节能测试及能量平衡测试，以老系统的除尘设备运行的实际记录，在正常生产期间，节电率达42%;节假日时变频器运行于28Hz，节电率达73%。年节电为64.24万kWh，在不到一年的时间内，就由节电费用收回到了高压变频器的全部投资，经济效益十分显著。
3选择变频器应注意的事项变频器，特别是高压变频器价格昂贵，如选择不当，达不到节电和提高生产效率的目的，以致造成浪费和不必要的麻烦和损失。在这里，提供一些选择变频器的意见，供參考。3.1 根据工艺要求选择变频器(1) 电机调速虽是风机、水泵节能的有效途径，但并非凡是风机、水泵都能采用调速节电。对于工艺参数基本稳定，不需要调速的风机、水泵可以采用高效节能电机和高效节能风机，以提高系统效率。通常最低转速不少于额定转速的50%，一般调速范围在100%~70%之间为宜，因为当转速低于额定转速的40%~50%时，风机、水泵本身的效率明显下降，是不经济的;调速范围确定时，应注意避开机组的机械临界共振转速，否则调速至该谐振频率时，将可能损坏机组。(2) 进行可行性分析在选择要进行的变频调速的设备对象以后，应从提高效率或提高产品质量的需要情况，从节约电能的情况进行分析、计算，并与变频器的投资进行比较，计算出变频器的投资回收期。一般来说，如能从节约的电费或从提高产品质量、提高效率等方面所得的收益中，在两年内偿还变频器的投资，都应认为是可行的。同时还应分析外部条件是否满足变频器的使用要求。(3) 变频器的可靠性变频器的可靠性如何，直接决定了变频器能否成功地应用于生产。这是选择哪种变频器的首要条件。有的矿山所购买的变频器可靠性不高，加之自身的维修技术力量不强，变频器出了故障，只好仃下，甚至弃用。造成损失，同时也为变频器的继续推广应用带来负面影响。(4) 根据生产厂家提供的技术规格和技术参数来选择变频器在按工艺要求、电源条件、场地及容量等选择了变频器方案后，再具体到选择哪个厂家的哪种高压变频器。在选择变频器时可以根据厂家提供的产品样本等技术资料及报价表来选择。变频器的制造厂家和经销商都会向准备购买变频器的用户提供样本及报价。在样本中，厂家公开说明其产品种类、特性、技术指标和特点，用户在订货前通过对产品样本资料可以对其产品有大概了解。因此对产品样本的阅读和了解是比较各厂家变频器性能的重要依据。3.2 主要应考虑的技术规格和技术参数(1) 型号各厂家生产的变频器的型号多是系列号和容量的组合，通过对型号和规格得了解，可以确认该厂家生产的品种，对用户来说，不一定会使用到全系列的变频器，但可以从型号、规格、所采用的功率元件、控制技术等方面判断厂家的实力和生产态势，甚至可以从一个方面判断其产品质量。产品品种齐全，容量覆盖范围大，功率元件及控制技术先进的厂家，一般来说其实力强，生产态势好，产品质量一般来说也会有较好的保障。(2) 效率变频器效率的高低，直接关系到变频器调速节能的多少，因为在变频器运行时，变频器本体也要消耗一部分电能。一般来说直接高压变频器的效率都可达到0.97~0.98,而高-低-高式高压变频器由于多一个变压器的损耗，使其系统效率有所降低。(3) 功率因数在整个调速范围内，功率因数的变化是一项重要指标。最好是在整个调速范围内功率因数都保持在0.95以上，以使其符合国家标准GB3485-83的标准，这只有电压型变频器和IGBT单相变频器串联的高压变频器能够满足此项规定。而电流型变频器较难满足这项要求。(4) 谐波国家对电网谐波有严格要求。限制用户非线性谐波设备注入电网的谐波电流，是限制电网电压正弦波畸变的关键。所用的高压变频器的谐波(即装置对电网产生的谐波)必须符合国标GB/T14549-93“电能质量、公用电网谐波”的规定，在国际上要符合IEEE-519标准的规定。对于电流型变频器如采用六脉冲整流，则5次、7次谐波都超过了这个标准，应采用12脉冲整流或附加谐波补偿措施。(5) 输出容量和额定输出电流变频器输出容量以kVA或kW表示，它代表可以供给电动机的输出功率。用kW表示时，一般以四极标准电机为基础考虑;用kVA表示，需进行核算。额定输出电流是在额定电压下变频器能够连续输出的电流值。在以输出容量为标准选择了变频器以后，还应对额定输出电流进行核算，以使电动机的额定电流不要超过变频器的额定输出电流。(6) 率范围由最低使用频率和最高频率定义调速范围。最低使用频率的意思与起动频率不同。起动频率很小时，并不一定能使电机从该频率起动。变频器要对最高频率设定，对风机、水泵的最高频率应设定(即箝位)在50Hz，所有的变频器都可满足这个要求，在选择变频器时可不作考虑，但使用中需注意此点。(7) 电源容量和允许电压变化范围供给变频器的电源容量应足够大，电源电压变化范围应在变频器允许的范围。用户在选择变频器时应根据自己电网容量及电网电压的变化情况，对变频器进行选择。曾有一个矿山因电压波动范围超过了变频器的允许范围，而使变频器不能正常应用。(8) 保护功能变频器样本中一般表明其保护功能，这是为了检测出变频器的异常情况和防止外部原因及内部异常对变频器造成损害，保护变频器正常运行和变频器安全可靠。因此保护种类是否齐全、完善，从一个方面反映变频器质量和运行的安全可靠性。(9) 价格变频器价格是用户最关心的问题之一，用户应了解厂家或经销商所报出的价格的具体含义和具体内容，及服务内容，以及任选件价格等。还应与其它厂家的变频器进行综合比较。
4 结束语《中华人民共和国节约能源法》第39条，已将变频调速技术列为通用节能技术加以推广。在矿山应用变频器和其它工业部门有相同之处，也有不同之处，如电铲、牙轮钻机、矿井提升机等设备应用变频器有一种特殊要求，所用的变频器还有一些技术开发工作要做。建议有关科研院所、变频器生产厂家和矿山用户共同合作，开发我国矿山设备使用的变频器。本文的目的在于抛砖引玉。由于作者的水平有限，资料不够，经验不足，所述内容错误之处在所难免，所论观点也属一孔之见，欢迎读者和朋友们批评指正。
参考文献[1] 采矿手册[M]. 冶金工业出版社,1991,(6).[2] 张永惠. 高压变频器的选择[J]. 变频器世界，1999,(6).[3] 李虹.变频调速在矿山节能中的应用[J].变频器世界,2003,(8).