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摘要：随着行业竞争的日趋激烈，煤矿的增产、降耗、提效被提到了重要地位，设备节能改造势在必行，迫切需要利用变频技术进行节能降耗。因此，对现有电机设备进行变频节能改造，是解决煤矿高消耗、低效益问题，以低能耗实现现代化的新路。
关键词：煤矿节能，变频改造，应用分析
X752
一、现状分析
我国是世界上的产煤大国，也是吨煤电耗比较高的国家。矿井的电能消耗中 ,电机消耗的电能占总能耗2/3以上。電机是感性负载 ,功率因数低 ,负载变化大 ,节能的空间很大。节能的关键在于先进节能设备的使用或对现有设备的技术改造。随着行业竞争的日趋激烈，煤矿的增产、降耗、提效被提到了重要地位，设备节能改造势在必行，迫切需要利 用变频技术进行节能降耗。因此，对现有电机设备进行变频节能改造，是解决煤矿高消耗、低效益问题，以低能耗实现现代化的新路。
二、矿井设备变频节能改造的应用分析
1、变频调速技术在矿井提升机的应用
矿井的提升机担负着输送物料和人员的重要任务，是矿井生产四大运转部件中特别重要的设备。其传统的调速控制方法是采用在电动机转子电路内接入金属电阻，用鼓形控制器或接触器切除电阻来达到调速的目的。这些控制装置的缺点是：电阻能耗大、散热难以解决；电阻调速属于有级调速，开环控制，调速范围小、精度低、安全性能差；在减速段和下放时需投切动力制动直流电源或低频电源，易造成设备损坏，且浪费了大量的电能。另外，原有的控制系统保护不够齐全，安全可靠性差，原系统已严重地制约了矿山的安全生产和经济运行，对矿井提升机驱动系统进行变频技术改造旨在从根本上解决原有电阻调速控系统存在的各种弊病，达到如下主要目的:(1) 实现无级平稳加减速, 提高提升系统的安全水平；
(2) 节约电能；
(3) 用PLC编程软件替代继电器实现提升速度控制, 减少设备维修工作量。
使矿山提升驱动系统迈上了一个新的台阶。图一为中国平煤神马集团某矿变频改造后的数字矿井提升机工作原理框图。
该矿井提升机变频调速控制系统由主轴装置、动力站、变频柜、控制台和在线检测监控计算机组成。主轴装置由主轴、筒壳、支轮、制动轮、轴承座等部件组成，完成人、物、料的运输任务。动力站是由主电机、制动器、减速器和底座等组成，主电机通过减速器向提升机提供牵引所需的动力；失效安全型制动器为提升机提供工件制动力，以保证系统安全可靠地工作。变频柜是动力站的能量供给单元，通过它可将输入工频电能转换成频率可调的电能提供给交流电动机，以达到控制交流电动机转速的目的。控制台是整个矿井提升机运输系统的控制核心，通过它可以设定系统的工件方式和控制方式，可以发布系统的各种控制命令，可以接收变频柜和动力站的各种回馈信号，以实现对提升机启动、加速、平稳运行、减速、停车以及紧急制动等各种控制功能。监控计算机是操作人员和控制系统及运输系统之间的桥梁，它可以在线监测打印提升机运输系统的各种工作参数、工作状态、故障参数和故障状态。
利用变频改造后的提升机，由于变频器具有完善的保护功能，其可靠性很高，减少了故障率。通常变频器都采用磁通矢量控制，使得交流电机的调速性能控制精度非常高。稳定的变频技术应用使提升机基本无维护工作量，减低了维护人员的工作强度。使用矢量控制系统能够使调速范围宽广，属于无级调速，低速时稳定性好。实现软停和软起，消除了电动机硬起动过程中对电网的冲击，而且使能源消耗大大降低，节能效果显著，据实测可达到20%以上。采用变频器控制提升机后，降低了运行噪声、发热量，改善了现场环境，电控系统自动化程度高，操作简单，降低司机劳动强度和操作难度。
2、变频调速技术在皮带机的应用
与提升机的用途基本同理，皮带机也是从井下运送煤到地面。区别在于皮带机的功率更大，它的启动和运行方式为绕线电机经转子绕组降压启动后工频运行，经液力耦合器切换至皮带机。图二是皮带机现场示意图。
皮带机的工作原理是皮带机通过驱动轮毂，靠摩擦力牵引皮带运动，皮带通过张力变形和摩擦力带动物体在支撑辊轮上运动。皮带是弹性储能材料，在皮带机停止和运行时都储存有大量势能，这就决定了皮带机启动时应该采用软启动的方式。国内大多数煤矿采用液力耦合器来实现皮带机的软启动，在启动时调整液力耦合器的机械效率为零，使电机空载启动。虽然采用了转子串接电阻改善启动转矩和降压空载启动等方法，但电机的启动电流仍然很大，不仅会引起电网电压的剧烈波动，还会造成电机内部机械冲击和发热等现象。同时采用液力耦合器软起皮带时，由于启动时间短、加载力大容易引起皮带断裂和老化，要求皮带的强度高。加之液力耦合器长时间工作会引起其内部油温升高、金属部件磨损、泄漏及效率波动等情况发生，不仅会加大维护难度和成本、污染了环境，还会使多机驱动同一皮带时难以解决功率平均和同步问题。
经过变频技术改造后皮带机彻底实现了皮带输送机的软起、软停运行方式，使皮带机在工作中更加性能稳定。系统的功率因数在整个过程中达0.9以上，大大节省了无功功率。采用变频器驱动后，使系统总的传递效率要比液力偶合器驱动的效率高5%～10%系统效率。改造后系统可以根据负载变化情况自动调整输出频率和输出力矩，改变了以前电机工频恒速运行的模式，在很大程度上节约了电力能源消耗。而且四象限中高压变频器的使用实现了皮带机能量回馈功能，进一步使得皮带机的能耗降低，液力耦合器的退出更大地节约了设备的维护和维修费用。在节能环保方面更加的完善。
3、变频调速技术在煤矿主通风机的应用
煤矿主通风机是煤矿的四大主要设备之一，主扇风机在煤矿生产中有着重要的地位，作为矿井主通风，它每天24h不停地运转，是整个矿井的“呼吸”系统。随着开采和掘进的不断延伸，巷道延长，尽管风量基本不变，但井下所需的风压要求却不断增加，风机需用功率也随之增加。矿井一般按开采各阶段中通风最困难时期选择风机型号。一般矿山选型时，按实际通风参数配备电机功率，计算方法如下：
N-所需电机功率，系指I，II级电机的总功率（kW）；Pst－矿井最困难时期总阻力（Pa） ；Q－矿井最困难时期总风量（m3/s）；ηst－按Pst、Q参数查本样本的实际运行工况效率； K－功率贮备系数，一般取K＝1.1～1.15。
常规煤矿通风机有“电老虎”之称，导致电能浪费严重。启动困难，机械损伤严重。主扇风机采用直接启动，启动电流大，对电动机的绝缘有着较大的威胁，严重时甚至烧毁电动机。而高压电动机在启动过程中所产生的单轴转矩现象使风机产生较大的机械振动应力，严重影响到电动机、风机及其它机械的使用寿命。自动化程度低。主扇风机依靠人工调节档板，更不具备风量的自动实时调节功能，自动化程度低。在故障状态下，如风流短路，将对矿井正常生产造成严重影响。
矿用通风机采用变频调速后，节约了电能，而且可根据巷道的风量需求方便的进行调速，避免浪费，应用效果是十分理想的。而且变频节能运行，节约了大量能源。由于变频改造后不再使风机一直处于满负荷工作状态。
由于变频器改造后风机可以实现变频软起动，避免了起动电流的冲击，不仅对电网没有任何冲击，而且还可以随时起动或停止。进行变频改造后，风机的大部分工作时间都在较低的速度下运行，因而大大降低了风机工作的机械强度和电气冲击，将会大大延长风机的使用寿命，降低维修强度。
需要注意的是煤矿对旋风机变频调速后，一般情况下要求两台电机的运行频率尽量一致，从而保证电机转速一致。避免一台转速高，一台转速低，形成风阻，影响风机的正常运行。
三、变频调速技术在中国平煤神马集团的应用及前景展望
作为全国特大型能源化工企业，中国平煤神马集团以建设节约型企业为目标，近年来在集团下属各厂、矿积极进行变频节能技术改造应用，目前多对主力矿井的提升机、皮带运输机等设备均实现变频调速运行，尼龙帘子布公司、焦化公司、矸石电厂、各洗煤厂、飞行化工集团等地面企业变频调速节能技术的应用更是相当普遍。目前，集团又制定了“电机节能系统改造项目”并获备案，此项目将依托现有矿井生产中提升、压风、通风、排水、运输、供电等系统，采用国内成熟的变频调速、无功补偿技术及电子自动化控制系统，对矿井20套提升机、10套主通风机、166套电机车进行变频调速改造，对相应电力控制系统和辅助设施进行配套改造。相信，通过变频节能技术的改造应用，中国平煤神马集团将在节能、降耗、提效上取得丰硕的成效。为企业的可持续发展，提高企业的竞争力，打下坚实的基础。为行业的安全生产和节能工作提供可借鉴的宝贵经验，保持行业的领头军地位。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：煤矿节能，变频改造，应用分析
X752
一、现状分析
我国是世界上的产煤大国，也是吨煤电耗比较高的国家。矿井的电能消耗中 ,电机消耗的电能占总能耗2/3以上。電机是感性负载 ,功率因数低 ,负载变化大 ,节能的空间很大。节能的关键在于先进节能设备的使用或对现有设备的技术改造。随着行业竞争的日趋激烈，煤矿的增产、降耗、提效被提到了重要地位，设备节能改造势在必行，迫切需要利 用变频技术进行节能降耗。因此，对现有电机设备进行变频节能改造，是解决煤矿高消耗、低效益问题，以低能耗实现现代化的新路。
二、矿井设备变频节能改造的应用分析
1、变频调速技术在矿井提升机的应用
矿井的提升机担负着输送物料和人员的重要任务，是矿井生产四大运转部件中特别重要的设备。其传统的调速控制方法是采用在电动机转子电路内接入金属电阻，用鼓形控制器或接触器切除电阻来达到调速的目的。这些控制装置的缺点是：电阻能耗大、散热难以解决；电阻调速属于有级调速，开环控制，调速范围小、精度低、安全性能差；在减速段和下放时需投切动力制动直流电源或低频电源，易造成设备损坏，且浪费了大量的电能。另外，原有的控制系统保护不够齐全，安全可靠性差，原系统已严重地制约了矿山的安全生产和经济运行，对矿井提升机驱动系统进行变频技术改造旨在从根本上解决原有电阻调速控系统存在的各种弊病，达到如下主要目的:(1) 实现无级平稳加减速, 提高提升系统的安全水平；
(2) 节约电能；
(3) 用PLC编程软件替代继电器实现提升速度控制, 减少设备维修工作量。
使矿山提升驱动系统迈上了一个新的台阶。图一为中国平煤神马集团某矿变频改造后的数字矿井提升机工作原理框图。
该矿井提升机变频调速控制系统由主轴装置、动力站、变频柜、控制台和在线检测监控计算机组成。主轴装置由主轴、筒壳、支轮、制动轮、轴承座等部件组成，完成人、物、料的运输任务。动力站是由主电机、制动器、减速器和底座等组成，主电机通过减速器向提升机提供牵引所需的动力；失效安全型制动器为提升机提供工件制动力，以保证系统安全可靠地工作。变频柜是动力站的能量供给单元，通过它可将输入工频电能转换成频率可调的电能提供给交流电动机，以达到控制交流电动机转速的目的。控制台是整个矿井提升机运输系统的控制核心，通过它可以设定系统的工件方式和控制方式，可以发布系统的各种控制命令，可以接收变频柜和动力站的各种回馈信号，以实现对提升机启动、加速、平稳运行、减速、停车以及紧急制动等各种控制功能。监控计算机是操作人员和控制系统及运输系统之间的桥梁，它可以在线监测打印提升机运输系统的各种工作参数、工作状态、故障参数和故障状态。
利用变频改造后的提升机，由于变频器具有完善的保护功能，其可靠性很高，减少了故障率。通常变频器都采用磁通矢量控制，使得交流电机的调速性能控制精度非常高。稳定的变频技术应用使提升机基本无维护工作量，减低了维护人员的工作强度。使用矢量控制系统能够使调速范围宽广，属于无级调速，低速时稳定性好。实现软停和软起，消除了电动机硬起动过程中对电网的冲击，而且使能源消耗大大降低，节能效果显著，据实测可达到20%以上。采用变频器控制提升机后，降低了运行噪声、发热量，改善了现场环境，电控系统自动化程度高，操作简单，降低司机劳动强度和操作难度。
2、变频调速技术在皮带机的应用
与提升机的用途基本同理，皮带机也是从井下运送煤到地面。区别在于皮带机的功率更大，它的启动和运行方式为绕线电机经转子绕组降压启动后工频运行，经液力耦合器切换至皮带机。图二是皮带机现场示意图。
皮带机的工作原理是皮带机通过驱动轮毂，靠摩擦力牵引皮带运动，皮带通过张力变形和摩擦力带动物体在支撑辊轮上运动。皮带是弹性储能材料，在皮带机停止和运行时都储存有大量势能，这就决定了皮带机启动时应该采用软启动的方式。国内大多数煤矿采用液力耦合器来实现皮带机的软启动，在启动时调整液力耦合器的机械效率为零，使电机空载启动。虽然采用了转子串接电阻改善启动转矩和降压空载启动等方法，但电机的启动电流仍然很大，不仅会引起电网电压的剧烈波动，还会造成电机内部机械冲击和发热等现象。同时采用液力耦合器软起皮带时，由于启动时间短、加载力大容易引起皮带断裂和老化，要求皮带的强度高。加之液力耦合器长时间工作会引起其内部油温升高、金属部件磨损、泄漏及效率波动等情况发生，不仅会加大维护难度和成本、污染了环境，还会使多机驱动同一皮带时难以解决功率平均和同步问题。
经过变频技术改造后皮带机彻底实现了皮带输送机的软起、软停运行方式，使皮带机在工作中更加性能稳定。系统的功率因数在整个过程中达0.9以上，大大节省了无功功率。采用变频器驱动后，使系统总的传递效率要比液力偶合器驱动的效率高5%～10%系统效率。改造后系统可以根据负载变化情况自动调整输出频率和输出力矩，改变了以前电机工频恒速运行的模式，在很大程度上节约了电力能源消耗。而且四象限中高压变频器的使用实现了皮带机能量回馈功能，进一步使得皮带机的能耗降低，液力耦合器的退出更大地节约了设备的维护和维修费用。在节能环保方面更加的完善。
3、变频调速技术在煤矿主通风机的应用
煤矿主通风机是煤矿的四大主要设备之一，主扇风机在煤矿生产中有着重要的地位，作为矿井主通风，它每天24h不停地运转，是整个矿井的“呼吸”系统。随着开采和掘进的不断延伸，巷道延长，尽管风量基本不变，但井下所需的风压要求却不断增加，风机需用功率也随之增加。矿井一般按开采各阶段中通风最困难时期选择风机型号。一般矿山选型时，按实际通风参数配备电机功率，计算方法如下：
N-所需电机功率，系指I，II级电机的总功率（kW）；Pst－矿井最困难时期总阻力（Pa） ；Q－矿井最困难时期总风量（m3/s）；ηst－按Pst、Q参数查本样本的实际运行工况效率； K－功率贮备系数，一般取K＝1.1～1.15。
常规煤矿通风机有“电老虎”之称，导致电能浪费严重。启动困难，机械损伤严重。主扇风机采用直接启动，启动电流大，对电动机的绝缘有着较大的威胁，严重时甚至烧毁电动机。而高压电动机在启动过程中所产生的单轴转矩现象使风机产生较大的机械振动应力，严重影响到电动机、风机及其它机械的使用寿命。自动化程度低。主扇风机依靠人工调节档板，更不具备风量的自动实时调节功能，自动化程度低。在故障状态下，如风流短路，将对矿井正常生产造成严重影响。
矿用通风机采用变频调速后，节约了电能，而且可根据巷道的风量需求方便的进行调速，避免浪费，应用效果是十分理想的。而且变频节能运行，节约了大量能源。由于变频改造后不再使风机一直处于满负荷工作状态。
由于变频器改造后风机可以实现变频软起动，避免了起动电流的冲击，不仅对电网没有任何冲击，而且还可以随时起动或停止。进行变频改造后，风机的大部分工作时间都在较低的速度下运行，因而大大降低了风机工作的机械强度和电气冲击，将会大大延长风机的使用寿命，降低维修强度。
需要注意的是煤矿对旋风机变频调速后，一般情况下要求两台电机的运行频率尽量一致，从而保证电机转速一致。避免一台转速高，一台转速低，形成风阻，影响风机的正常运行。
三、变频调速技术在中国平煤神马集团的应用及前景展望
作为全国特大型能源化工企业，中国平煤神马集团以建设节约型企业为目标，近年来在集团下属各厂、矿积极进行变频节能技术改造应用，目前多对主力矿井的提升机、皮带运输机等设备均实现变频调速运行，尼龙帘子布公司、焦化公司、矸石电厂、各洗煤厂、飞行化工集团等地面企业变频调速节能技术的应用更是相当普遍。目前，集团又制定了“电机节能系统改造项目”并获备案，此项目将依托现有矿井生产中提升、压风、通风、排水、运输、供电等系统，采用国内成熟的变频调速、无功补偿技术及电子自动化控制系统，对矿井20套提升机、10套主通风机、166套电机车进行变频调速改造，对相应电力控制系统和辅助设施进行配套改造。相信，通过变频节能技术的改造应用，中国平煤神马集团将在节能、降耗、提效上取得丰硕的成效。为企业的可持续发展，提高企业的竞争力，打下坚实的基础。为行业的安全生产和节能工作提供可借鉴的宝贵经验，保持行业的领头军地位。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。