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[摘要]随着煤矿生产能力逐年增加，矿井核定能力一般超前10至20年进行设计规划，在机电运输设备设计选型时，必须考虑满足矿井运输能力与规划同步实施，因此，在新建或系统改扩建时，均为机电运输设备选型过大等问题。随着变频调速技术的不断成熟，变频调速装置在皮带运输设备上的应用，改变并解决这问题，该技术具有调速平稳、瞬态稳定性高、节能等特性越来越被人们所重视，具有较好的推广应用价值。
[关键词]变频调速 矿井运输 节能
[中图分类号] TD52 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2014）-3-317-2
0前言
变频器是把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置。该设备工作原理是先将三相1140V变压为660V，然后将660V交流电变换为直流电（DC），最后把直流电（DC）变换为三相交流电（AC）的电气设备。通过改变输出频率与电压，同时改变了电机运行曲线，使电机运行曲线平行下移，使电机以较小的启动电流，获得较大的启动转矩的频率。
矿井运输分为地面和井下运输两部部分，井下运输分为辅助提升运输线路和主要运输线路，重点论述主要运输系统，即胶带输送机运输系统，是煤矿生产过程中必须安装使用的机电运输设备，由启动设备、机头驱动装置、中间部分、机尾装置等构成。工作原理是由变频器启动驱动电机提供动力源，通过减速机齿轮减速到规定速度后，带动胶带输送机正常转动，实现矿井煤矸运输的任务。
1概述
我矿是贵州控股（集团）公司下属分公司矿井，是西南地区煤炭生产的的基地，矿井鉴定为煤与瓦斯突出矿井，于2012年5月份，对+1400大巷进行技术改造，将原有的12T蓄电池电机车，改造为现使用的12台DTL100/50型固定胶带输送机，安装长度为2480米，供电电压等级均为1140V，该运输设备选用55KW、30KW两种规格电动机，共用20台电机，采用一拖一或二拖一方式运行。结合控股公司节能减排要求，股份公司引进新设备、新技术。通过电气专业组对所采购的矿用隔爆兼本质安全型交流变频器安全性能进行前检查，该具有“产品合格证、煤矿矿用产品安全标志”和安全性能检查，符合煤矿安全规定要求。于2013年8月，安装在我区井下+1100大巷主运输系统11号皮带机上进行试用。选用12号普通开关运行和11号安装变频运行进行对比，现场实际调速，该系统运行频率在42Hz时，满足矿井运输能力，即为最佳节能频率值。
2安装基本参数
变频器开关安装在11号胶带输送机上，作为本台设备的启动开关，并在变频器开的电源侧，安装一台三相电子式电能表作为11号胶带输送机的电度计量，同时，在12号胶带输送机启动开关的电源侧同样安装一台三相电子式电能表进行计量，安装示意图和安装参数如下：
（1）皮带机安装数据：12号皮带机（普通开关）安装长度54米，电机功率30KW；11#皮带机（变频开关）安装长度40米，电机功率30KW。
（2）矿用隔爆兼本质安全型交流变频器参数：型号为BPJ1-75/660，输入电压660V，输入电流85A，输出电压0～660V，输入电流0～85A，频率范围10～50Hz，具有1140V降压为660V供电技术，防爆标志为Exd[ib]I，具有电度计量功能，数量一台。
（3）三相电子式电能表参数：型号为DBB-200/1140（660） DBB-400/1140（660），额定电压1140（660）V，额定电流200或400A，即电流互感器容量与额定电流值相等，数量两台。
（4）+1400大巷主运输系统示意图
3运行数据统计
为便于统计数据，按倍率进行换算，则倍率=电流互感器比值×电压互感器比值。
4现场测试
选用卡流表到现场测试，通过对工频重载、空载和变频重载、空载测量，数据如下：
5电量节能分析
根据+1100运输系统大巷，11#和12#皮带机安装基本参数，则12号安装长度较11号安装长度多13米，考虑因安装数据不是相同长度，应将两台皮带安装长度换算为同一工况点，根据表1，11月30号-12月9号10天电表计量电量为：
（1）12#皮带机（普通开关）：（119.5-117.5）×912=1824度。
12#皮带机40M时，即P12实际用电量：
P12=40：53=X：1824
=1824×40÷53=1376.6
（2）11#皮带机变频器开关：P11=（15.1-12.6）×375=937.5度。
根据上述P12 、P11电量计算，得出节能率，η为：
式中： P12为12#胶带输送机电量；P11为11#胶带输送机电量；η为节能率。
（3）根据表2，得出节能率，重载时，节能率ηZ为：
则节能率，重载时为21.4%。
（4）现场实际调速，该系统电机功率因数为0.833，最佳运行频率为42Hz时，即为最佳节能频率值，满足矿井运输能力。即无功功率占16.7%。使用变频器后功率因数按0.97计算，即无功功率占3%。按此方法节能，如果我们使用变频器，通过变频器改变输出无功功率，相当于把原来的16.7%的无功功率降低到3%，所以此处节能η1=13.7%。通过改变皮带机的运行速度来实现节能的效果，根据功率公式
P=F×V （1）
式中：P是功率，F是力，V是速度。
单位时间内运输的煤量是一样的，亦即单位时间内出的力F是一样的。例如单位时间内都拉400t煤，那么出的力都是克服这400t煤的摩擦力。由上面的公式可知：当力一定时，功率与速度成正比，当速度减小时功率会减小。所以，改变皮带机的速度，亦即改变电机转速。电机的转速可由下式计算：
式中：n为电机转速，f为频率，p为电机极对数，s为电机转差率。
对于一台电机而言，极对数p和转差率s是固定不变的，要改变电机转速n就需要改变频率f，这就是变频器的基本功能——改变电源频率。由式（1）和（2）可知：功率P正比于频率f。
未使用变频器皮带的电源频率为50Hz，当使用变频器且频率为42Hz（经现场试验42Hz为满足现场工艺要求前提下的最佳频率）时。所以节能率：
所以总体节能率为：
η=η1+η2=13.7%+16%=29.7%
综合上述结论，以42Hz、30KW电机为例，即购买一台矿用隔爆兼本质安全型交流变频器投入13万元，每年节约资金为：运行18小时/天×365天×30×32%×0.7度/元=4.43万元，3年不到收回成本。
6结论
（1）通过理论计算、安装电度表计量和现场测定，节能在21.4～32%之间。
（2）优化供电设计，实现不同电压等级的变频供电技术，解决矿井供电电压等级过多，设备安装繁琐等管理问题。
（3）解决矿井设计初期，大马拉小车的不经济运行方式。
（4）启动实现软启动，具有调速平稳、瞬态稳定性高，提高电气设备的使用寿命延长，减少维修劳动强度等优点。
参考文献
[1]《计划用电》，用电管理培训教材，水利电力出版社，1983年7月第一版.
[2]《矿山电工学》高等学校教学用书（采掘工程专业），煤炭工业出版社，1984年12月第一版.
[3]《煤矿电工手册》煤炭工业出版出版社，1987年11月第一版.
[4]《煤矿安全规程》中国法制出版出版社，2011年11月第一版，书号ISBN 978-7-5093-2627-5.
[关键词]变频调速 矿井运输 节能
[中图分类号] TD52 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2014）-3-317-2
0前言
变频器是把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置。该设备工作原理是先将三相1140V变压为660V，然后将660V交流电变换为直流电（DC），最后把直流电（DC）变换为三相交流电（AC）的电气设备。通过改变输出频率与电压，同时改变了电机运行曲线，使电机运行曲线平行下移，使电机以较小的启动电流，获得较大的启动转矩的频率。
矿井运输分为地面和井下运输两部部分，井下运输分为辅助提升运输线路和主要运输线路，重点论述主要运输系统，即胶带输送机运输系统，是煤矿生产过程中必须安装使用的机电运输设备，由启动设备、机头驱动装置、中间部分、机尾装置等构成。工作原理是由变频器启动驱动电机提供动力源，通过减速机齿轮减速到规定速度后，带动胶带输送机正常转动，实现矿井煤矸运输的任务。
1概述
我矿是贵州控股（集团）公司下属分公司矿井，是西南地区煤炭生产的的基地，矿井鉴定为煤与瓦斯突出矿井，于2012年5月份，对+1400大巷进行技术改造，将原有的12T蓄电池电机车，改造为现使用的12台DTL100/50型固定胶带输送机，安装长度为2480米，供电电压等级均为1140V，该运输设备选用55KW、30KW两种规格电动机，共用20台电机，采用一拖一或二拖一方式运行。结合控股公司节能减排要求，股份公司引进新设备、新技术。通过电气专业组对所采购的矿用隔爆兼本质安全型交流变频器安全性能进行前检查，该具有“产品合格证、煤矿矿用产品安全标志”和安全性能检查，符合煤矿安全规定要求。于2013年8月，安装在我区井下+1100大巷主运输系统11号皮带机上进行试用。选用12号普通开关运行和11号安装变频运行进行对比，现场实际调速，该系统运行频率在42Hz时，满足矿井运输能力，即为最佳节能频率值。
2安装基本参数
变频器开关安装在11号胶带输送机上，作为本台设备的启动开关，并在变频器开的电源侧，安装一台三相电子式电能表作为11号胶带输送机的电度计量，同时，在12号胶带输送机启动开关的电源侧同样安装一台三相电子式电能表进行计量，安装示意图和安装参数如下：
（1）皮带机安装数据：12号皮带机（普通开关）安装长度54米，电机功率30KW；11#皮带机（变频开关）安装长度40米，电机功率30KW。
（2）矿用隔爆兼本质安全型交流变频器参数：型号为BPJ1-75/660，输入电压660V，输入电流85A，输出电压0～660V，输入电流0～85A，频率范围10～50Hz，具有1140V降压为660V供电技术，防爆标志为Exd[ib]I，具有电度计量功能，数量一台。
（3）三相电子式电能表参数：型号为DBB-200/1140（660） DBB-400/1140（660），额定电压1140（660）V，额定电流200或400A，即电流互感器容量与额定电流值相等，数量两台。
（4）+1400大巷主运输系统示意图
3运行数据统计
为便于统计数据，按倍率进行换算，则倍率=电流互感器比值×电压互感器比值。
4现场测试
选用卡流表到现场测试，通过对工频重载、空载和变频重载、空载测量，数据如下：
5电量节能分析
根据+1100运输系统大巷，11#和12#皮带机安装基本参数，则12号安装长度较11号安装长度多13米，考虑因安装数据不是相同长度，应将两台皮带安装长度换算为同一工况点，根据表1，11月30号-12月9号10天电表计量电量为：
（1）12#皮带机（普通开关）：（119.5-117.5）×912=1824度。
12#皮带机40M时，即P12实际用电量：
P12=40：53=X：1824
=1824×40÷53=1376.6
（2）11#皮带机变频器开关：P11=（15.1-12.6）×375=937.5度。
根据上述P12 、P11电量计算，得出节能率，η为：
式中： P12为12#胶带输送机电量；P11为11#胶带输送机电量；η为节能率。
（3）根据表2，得出节能率，重载时，节能率ηZ为：
则节能率，重载时为21.4%。
（4）现场实际调速，该系统电机功率因数为0.833，最佳运行频率为42Hz时，即为最佳节能频率值，满足矿井运输能力。即无功功率占16.7%。使用变频器后功率因数按0.97计算，即无功功率占3%。按此方法节能，如果我们使用变频器，通过变频器改变输出无功功率，相当于把原来的16.7%的无功功率降低到3%，所以此处节能η1=13.7%。通过改变皮带机的运行速度来实现节能的效果，根据功率公式
P=F×V （1）
式中：P是功率，F是力，V是速度。
单位时间内运输的煤量是一样的，亦即单位时间内出的力F是一样的。例如单位时间内都拉400t煤，那么出的力都是克服这400t煤的摩擦力。由上面的公式可知：当力一定时，功率与速度成正比，当速度减小时功率会减小。所以，改变皮带机的速度，亦即改变电机转速。电机的转速可由下式计算：
式中：n为电机转速，f为频率，p为电机极对数，s为电机转差率。
对于一台电机而言，极对数p和转差率s是固定不变的，要改变电机转速n就需要改变频率f，这就是变频器的基本功能——改变电源频率。由式（1）和（2）可知：功率P正比于频率f。
未使用变频器皮带的电源频率为50Hz，当使用变频器且频率为42Hz（经现场试验42Hz为满足现场工艺要求前提下的最佳频率）时。所以节能率：
所以总体节能率为：
η=η1+η2=13.7%+16%=29.7%
综合上述结论，以42Hz、30KW电机为例，即购买一台矿用隔爆兼本质安全型交流变频器投入13万元，每年节约资金为：运行18小时/天×365天×30×32%×0.7度/元=4.43万元，3年不到收回成本。
6结论
（1）通过理论计算、安装电度表计量和现场测定，节能在21.4～32%之间。
（2）优化供电设计，实现不同电压等级的变频供电技术，解决矿井供电电压等级过多，设备安装繁琐等管理问题。
（3）解决矿井设计初期，大马拉小车的不经济运行方式。
（4）启动实现软启动，具有调速平稳、瞬态稳定性高，提高电气设备的使用寿命延长，减少维修劳动强度等优点。
参考文献
[1]《计划用电》，用电管理培训教材，水利电力出版社，1983年7月第一版.
[2]《矿山电工学》高等学校教学用书（采掘工程专业），煤炭工业出版社，1984年12月第一版.
[3]《煤矿电工手册》煤炭工业出版出版社，1987年11月第一版.
[4]《煤矿安全规程》中国法制出版出版社，2011年11月第一版，书号ISBN 978-7-5093-2627-5.