摘  要：兗州礦區在將變頻節能技術應用于各種煤礦生產設備控制系統的基礎上，又根據已有的變頻節能技術進一步在地面各種設備廣泛地進行了推廣應用，取得了良好的節能效果。

關鍵詞：煤礦；變頻；節能

Abstract：Yanzhou Coal Mining Area in the inverter technology used in a variety of coal mine production equipment control system based on it, under the existing frequency energy saving technology further wide variety of devices on the ground had been applied to obtain a good energy saving effect.

Key words：Coal mine；frequency；energy

      近幾年來，兗州礦業（集團）有限責任公司及其下屬各礦（廠）在將變頻節能技術應用于各種煤礦生產設備控制系統的基礎上，又根據已有的變頻節能技術進一步在地面各種設備廣泛地進行了推廣應用，針對運行實踐中發現的問題進行了認真分析和歸納，不斷總結運行經驗教訓，制定了改進方案并進行了實施，同時還取得了一批研究成果，取得了良好的節能效果。

1  裝煤火車鋼絲繩牽引系統的變頻調速

      兗州礦業（集團）公司濟寧三號煤礦原先采用的鋼絲繩牽引“鐵牛”變極調速存在著不能夠平滑調速，使得裝載出現偏載、集載的現象；對傳動系統造成頻繁的機械沖擊，降低了使用壽命；電氣系統的故障率高，不利于維護等缺點。為此，他們改用ABB ACS601-0120-6重型變頻器及其配套設備，實現了無級變速調速，具有缺相、短路、過載等保護功能，提高了火車裝煤的質量，在50Hz以下的時候還具有節能的效益。

      ①采用能耗制動，避免了中間回路電壓上升對變頻器的損壞。鋼絲繩牽引“鐵牛”屬于大慣性設備而且操作頻繁，如果變頻器中沒有采取消耗能量的措施，這部分能量就會導致中間回路的儲能電容器電壓上升。在減速制動過快或者緊急停車的時候，這部分能量會對變頻器造成損壞。與通用變頻器最常用的動力制動狀態和再生制動狀態處理方式不同，他們選用了能耗制動的方法。其優點是構造簡單、對電網無污染、成本低廉。缺點是運行效率低，特別是在頻繁制動的時候要消耗掉大量的能量而且制動電阻的容量將增大。

      ②“鐵牛”自動回窩控制。原有的控制是利用磁控限位開關來實現的，現在改為磁控開關與變頻器控制回路相結合。為了避免“鐵牛”回窩出現過位的事故，要在牛窩附近增加一個磁控限位開關。當“鐵牛”經過的時候，開關動作使相應的繼電器得電，常開觸點閉合使變頻器以比較低的恒速鎖定。當“鐵牛”回窩到位的時候觸動另外一個磁控限位開關，相應的繼電器得電，其常閉觸點斷開從而使變頻器停止工作。為了避免“鐵牛”出窩的時候該回窩系統動作，電源取用變頻器反轉信號。

      ③兩套變頻系統的電氣隔離。考慮到鋼絲繩牽引“鐵牛”變頻系統出現不可控的故障情況而影響生產，采用了備用變頻系統，這樣就面臨兩套變頻系統的電氣隔離問題。他們在兩套變頻器電源以及負荷側各增加一個接觸器并且相互電氣閉鎖。在單獨的“鐵牛”回窩控制箱內增加兩個相互電氣閉鎖的繼電器，當在用變頻調速系統電動機反轉的時候相應繼電器才得電并且接通回窩系統電源。

2  中高壓大功率變頻技術

      在中高壓變頻領域，目前的功率器件耐壓能力在相當長的時間內還不可能滿足高壓變頻調速的需要。為此，人們創造了一些電路拓撲，如交—交變頻、功率單元串聯多重化電壓源型高壓變頻、電流源型中高壓變頻以及IGBT直接串聯中高壓變頻。其中的IGBT直接串聯中高壓變頻新技術徹底地解決了功率器件的耐壓問題，使得直接高壓變頻成為現實。此項技術已經被兗州煤礦機械廠應用到新研制的礦用隔爆型變頻器中。

      在IGBT直接串聯的二電平電壓型中高壓變頻器的主電路中，系統由電網高壓6kV直接經斷路器進入變頻器，經過二極管全橋整流、電容濾波，再經逆變器逆變，加上正弦波濾波器，簡單易行地實現高壓變頻輸出，直接供給高壓電動機。

      ①自動均壓的IGBT串聯技術。利用容性母排技術1+N（只）串聯及采用2/3限壓動態均壓、鉗壓技術，克服了IGBT動態電阻及極電阻不同步引起的動態和靜態電壓不均衡的問題。不管主電路電壓有多高，但是分配給每個管子的工作電壓是在其額定電壓之內的，使單個IGBT不容易損壞，即使損壞了但是由于有冗余也不會影響到輸出波形。

      ②正弦波技術。中高壓電動機對變頻器的輸出電壓、電流波形有著嚴格的要求。直接串聯技術從優化PWM波形即SVPWM技術和研制特種濾波器兩方面著手。由于三電平的11、 13、17諧波含量特別高，處理起來特別困難，若不加濾波器則只能用供應商的專用電動機。而二電平只要波形優化得好，60次以下的諧波皆可大大降低，而且對于60次以上的諧波濾波自然容易得多。交—交變頻器、功率單元串聯多重化電壓源型高壓變頻器、電流源型中高壓變頻器都是利用變壓器協助間接解決功率開關的耐壓問題，而IGBT直接串聯中高壓變頻器徹底去掉了變壓器，真正實現了高進高出，為高壓變頻開拓了新的領域。

3  變頻器在塔式起重機起升機構的應用

      由于無級調速受到成本等方面的限制，目前的塔式起重機絕大多數都是采用有級調速。兗州礦業（集團）公司第三十七工程處針對4繩最大起重量小于或者等于6 t的中小型塔式起重機的起升機構采用了矢量變頻器實現交流變頻調速的方式，為此問題給出了完善的解決方案。他們在不增大變頻器選型與適當犧牲速度的方法，使得變頻無級調速的成本與帶渦流制動的多速繞線轉子電機變極調速差距不大，性能卻有了很大的提高。

      應用比較廣泛的中小型塔式起重機是QTZ315塔式起重機，其最大起重量為3t，起重速度為52/26/5.5m/min，起重機構采用15/15/5.5kWçš„4/8/32多極電機，減速機速比為12.5，滾筒直徑為300mm。中小型塔式起重機選用變頻調速方式，最大起重量和滾筒直徑這兩個關鍵指標不能夠有太大的變化，對于速度的要求也比較高，因此需要對相關的設備和技術指標進行適當的調整。起重機的變頻調速系統由主令控制器或者電位器作為輸入給定，通過變頻調頻調速電控設備、荷重測控儀、限位開關和制動器等配合使用，來控制起重機的起升機構等交流變頻異步電動機的起動、制動、可逆運轉與調速。設備選型參數：動滑輪2倍率，起升機構18.5kWçš„4極異步鼠籠電機，減速機速比31.5，滾筒直徑300mm。經計算，理論起升重量為5.1198t，考慮傳動效率為0.264則最大起升重量為3.28t，與要求的最大起升重量相比有1.1倍保險系數，基本符合要求；最大起升速度為21.7m/min。在變頻模式下，電機的最大起升速度降低了很多，通過縮短起動和就位時間、空鉤高于50Hz運行等多種協調方法，使得實際運行中不會明顯感覺到速度減慢。采用先進的現代交流變頻調頻技術對塔式起重機電力拖動系統進行技術改造，使起重機實現平穩操作、提高運行效率、改善超負荷作業、消除起動和制動沖擊、減少電氣維護、降低電能消耗和提高功率因數等均可以取得良好實效。

4  基于CAN總線的智能變頻器

      淮南礦業（集團）有限責任公司和兗州礦業（集團）有限責任公司設計并且實現了一個帶CAN總線接口的智能變頻器。

      隨著電力電子技術、計算機技術和電力電子半導體器件的進步和發展，變頻調速技術得到了很大的發展，變頻調速器以其調速精度高、響應速度快、保護功能完善、過載能力強、節能顯著、使用和維護方便等優點已經被廣泛地應用于工業控制領域。在各種現場總線中，CAN總線因其性能優越、價格便宜、通信距離遠、速率高、抗干擾能力強，非常適用于工業測控領域。基于CAN總線的智能變頻器系統的結構主要是由CAN總線接口、雙口RAM、變頻器控制電路和變頻器主電路組成的。變頻器和CAN總線接口是相互獨立的兩個部分。變頻器的核心部件為AT89C51，主要完成數據采集、數據處理及各種控制和保護功能；CAN總線接口的核心是SJA1000å’ŒAT89C51，SJA1000是CAN總線控制器，負責將CAN總線傳來的數據拆包，并將其送往AT89C51，同時將AT89C51傳來的數據打包，上傳給CAN總線。變頻器和CAN總線接口的數據交換通過雙口RAM  IDT7005S35J完成。

      基于CAN總線的變頻器研制成功以后，經過實踐檢驗表明：長遠個單片機加上雙口RAM構成的控制系統，其設計結構合理、反應速度快、操作簡單、成本低、故障率小、維護量少，適用于交流電動機的全數字化控制，同時亦可以作為多種調速方案的試驗平臺；雙口EAM的使用，解決了雙機之間數據的大量快速雙向傳送，而且可靠性高，占用PCB板面積小，具有很好的性能價比；特別是在該變頻器與其它控制系統或者網絡相連的時候，更加顯示出其優越性。

5  電廠鍋爐引風機變頻調速的研究與應用

      鍋爐引風機是發電廠的主要廠用負荷，屬于耗電大戶，素有“電老虎”之稱。在煤礦自備發電廠中，僅引風機的耗電量就占到全廠用電量的25%左右。而且，為了維護鍋爐爐膛的負壓以及正常燃燒，人們通常采用傳統的手動調節引風機風門擋板的方式進行風量調節，這樣就會給生產造成很多問題，從而危及鍋爐的安全穩定運行。為此，兗州礦業（集團）公司南屯煤礦矸石熱電廠與山東科技大學合作，在鍋爐引風機上應用變頻調速技術以后，使上述這個困擾多年的問題終于得到了解決。

      此項成果具有以下功能：①負壓變送器采集爐膛負壓，該系統在CPU監控下可以實時跟蹤爐膛負壓的變化，變頻調節引風機的轉速，自動維持爐膛負壓的恒定，不再需要調節風門。②通過觸摸鍵來設定爐膛負壓及其上下限、電動機上下限頻率和加減速時間、通信速率等參數，其中的“設定爐膛負壓”可以在引風機運行中隨時改變給定值，從而增加了引風機運行的靈活性。爐膛負壓實值、電動機頻率、電動機功率、電動機電流、電動機轉數、變頻時間、電量計數等工作參數可以實時進行顯示，其中的“爐膛負壓”實值還可以用趨勢圖形來顯示，便于監盤和調整。③設有自動、手動兩種運行方式，除了能夠實時跟蹤爐膛負壓、自動維持爐膛負壓恒定的調節方式以外，還可以切換自動跟蹤爐膛負壓系統，手動操作觸摸鍵來變頻控制引風機的運行，為啟停爐等特殊工況提供了更加靈活的控制方法。④引風機采用變頻軟啟動，啟動電流從0逐漸上升到額定電流值，不會對電網造成沖擊。⑤具有電動機過載、過流、過壓、欠壓、堵轉、通信故障等11種故障類型顯示，并且有蜂鳴報警，按照故障提示可以迅速檢查出故障的原因。⑥設有聯鎖輸出接口，在事故的情況下，當引風機的頻率低于設定的下限頻率以后可以輸出一個聯鎖信號，自動停止送風機和給煤機的運行。

      南屯煤礦矸石熱電廠于1998å¹´5月對1#爐的引風機安裝了變頻調速控制系統，由于不再需要調節風門，故將風門的擋板拆除，不但完全消除了節流損失，節約了大量的電能，而且大大降低了引風機的故障率，減少了壓火停爐的次數，維持了鍋爐運行的穩定。在正常情況下，變頻器運行在“自動”工作方式，實時跟蹤爐膛的負壓，自動調節電機的轉速，保持爐膛負壓穩定在設定值上，減輕了運行人員的勞動強度。實踐表明：控制器操作簡便，運行方式靈活，運行參數變化一目了然。引風機啟動時，由于頻率能夠手動或自動調整，因此不僅不會對供電電網造成沖擊，同時還能夠使開關設備的故障率大為減少，延長了開關電器的使用壽命，減少了設備的維護工作量。為了將爐膛的負壓設定值穩定地維持在-20Pa（正常范圍為0～-50Pa），將電動機運行頻率調整到較佳的36～38Hz，此時電動機的輸出功率在80kW左右，一年就可以節約電能為50萬kWh，年節約效益達到20萬元，變頻器的全部投資費用可在1～2年內完全回收。

6  煤礦變頻恒壓供水工程實踐

      兗州礦業（集團）公司濟寧三號煤礦的生產、消防及生活等用水均由地面聯合泵房供給。原先的供水系統是通過人工調整水泵臺數來調控供水壓力和流量，由于各臺水泵本身的運行工況難以調整，造成系統壓力與流量脈動大、工作不穩定、電耗高。為了消除以上弊端，他們和山東科技大學聯合研制了恒壓變頻自動供水裝置。經過一年的運行，泵站工作穩定，節電效果明顯。

      該礦原先設計的生產與消防供水為同一個泵站，水源為由礦井水處理站供水的工業水池，由4臺水泵組成，揚程分為2種規格，分別用于生產供水和消防供水。新研制的這種變頻恒壓供水系統主要是由變頻器、壓力傳感器、高低水位計、控制柜、水泵等環節組成的。

      他們根據離心式水泵的流量與轉速成正比、揚程與轉速的平方成正比的運行理論，通過改變電動機定子繞組電源頻率來調節電動機轉速，達到壓力與流量按需要進行相應改變的目的。工作時，只要將供水管網的水壓通過壓力變送器轉變成電信號，再經集成電路放大后送至壓力調節器與給定壓力進行比較，其差值經比例、積分、微分運算后控制變頻器的輸出頻率，并最終控制水泵的電動機轉速。當管網用水量增加時，管網壓力降低，與給定壓力比較后變頻輸出頻率增高，供水量增大；而當系統的用水量減少時，管網壓力會變大，變頻器就會得到減小輸出頻率的指令，供水量就會減少，使系統保持恒壓供水。高低水位計選用浮球式控制開關，當水位降低到最低水平的時候，水泵控制停機。此外，變頻器本身保護也很完備，對電動機缺相、堵轉、過流、過熱、欠壓等保護靈敏可靠。

7  變頻調速器在恒壓供水系統的應用

      兗州礦業（集團）公司唐村煤礦的非煤產業規模不斷壯大，造成生活、生產用水量大增，供水壓力波動大。如用手動控制供水，壓力很難控制在工藝范圍之內。每天數次開泵停泵，各泵始終處于工頻—停止—工頻運行狀態，不僅啟動頻繁，而且能耗大，夜間低峰時壓力更難控制。因此，他們設計采用了恒壓供水系統，較好地解決了這個問題。

      整個系統是由壓力傳感器、變頻器、電控設備、電動機和泵等組成的。啟動設備以后，PC機控制變頻器從輸出端輸出逐漸上升的頻率和電壓，對1#泵進行軟啟動。當頻率上升達到電動機的額定轉速而壓力仍然不能滿足要求的時候，則PC機控制1#泵脫開變頻器轉入工頻運行；此時，PC機控制2#泵進行軟啟動，并根據管網的壓力調速運行來控制管網的壓力，壓力過高時PC機發出指令，1#泵停止工作；當壓力再次降低時（低于設定值），2#泵變頻升速到電動機的額定轉速，直至轉入工頻運行，1#泵變頻軟啟動。

      供水管網的供水量和供水壓力是隨用戶的用水要求全日瞬時變化的，水泵機組如果按照額定流量和額定壓力工頻運行，則能耗大，壓力隨流量的變化而波動。通過出口壓力傳感器將實際運行中的壓力信號變換成標準電信號，輸入給PC機，經過運算放大處理后，再根據偏差的大小來自動地整定P、I、D控制參數，控制變頻器和水泵機組，按照實際的用水量和壓力要求來變頻運行，以達到高效節能和改善供水品質的目的。

      運行實踐證明，該系統節能效果在25%以上，管網壓力平穩，避免了在控制壓力臨界點電動機的頻繁啟停，延長了電動機的使用壽命，具有顯著的優點。

8  羅茨風機的經濟運行

      山東省煤炭科學研究所對兗州礦業（集團）公司焦化廠冷鼓系統煤氣輸送環節上的ML83WDåž‹132kW羅茨風機實行變頻調速及自動控制改造以后，有效地改善了原有的落后運行方式，使風機的轉速可以隨著煤氣量的變化而變化，節約了大量的能源，保證了煤氣收集系統的安全和穩定運行，提高了供氣質量的可靠性。

      這個廠改造以后的新系統具有以下功能：①MT-140E-132kW變頻器內置PI控制功能非常適用于對流量或者壓力的自動控制，是專門為適應風機、泵類等平方力矩特性負載設計的變頻器，可以在極低的變頻下啟動電機，能夠避免過大的啟動電流。②通過安裝在羅茨風機之前的煤氣管道上的壓力傳感器測得的壓力信號，控制變頻器的輸出頻率，使得電動機的轉速隨著集氣管壓力的變化而變化。因為軸功率與轉速的立方成正比，而有功功率的輸出呈立方下降，所以極大地降低了電動機的能耗，而且提高了煤氣輸送環節的自動化程度。③變頻器具有過流、過載、過熱、過頻等十幾種故障自動保護功能。④變頻器可以在自動（即通過壓力信號來調節輸出頻率）和手動（由人工來設定工作頻率）兩種狀態下工作，并且具有自耦減壓啟動與變頻器啟動的互相切換功能，當其中的一種工作方式處于檢修或者發生故障的時候，能夠由人工切換到另外一種工作方式上去，而不會影響到正常的生產。⑤自耦減壓啟動柜與變頻調速控制系統的啟停及二者的功能切換均可以就地操作。

      這個廠的運行實踐表明：利用限定變頻器頻率的方法來降低電動機的轉速，可以使風量正好符合工藝的需要，實現風機的經濟運行。

9  變頻技術在煤氣輸送中的應用

      兗州礦業（集團）公司焦化廠在煤氣鼓風機控制系統采用了變頻技術，提高了煤氣收集質量，保證了冷鼓、硫銨、粗笨等生產系統的正常工作，消除了因煤氣純度帶來的潛在危險，使自動化管理水平得到提高，節省了電費開支，同時還延長了風機、元件及控制設備的使用壽命，效果十分顯著。

      該廠132kW煤氣風機用變頻控制系統的主控制參數是焦爐集氣管的煤氣壓力，當集氣管壓力變化的時候保證機前吸力在小于4.413kPa的范圍內變化。該裝置首先將檢測到的集氣管實際壓力與設定的壓力值進行比較，如果實際壓力值低于設定壓力，則進行PI數據處理，使變頻器降低電源頻率，從而降低風機轉速以減小機前吸力。反之，如果檢測到的實際值比設定值大，變頻器就升頻來增加風機轉速，增大機前吸力，使煤氣的收集根據焦爐生產量的大小來自動調節，保證煤氣收集質量。通過變頻器調速，羅茨鼓風機的轉速隨著系統壓力的變化而變化，使系統在最優方式下經濟運行。

      由于羅茨風機在工頻狀態運行時，原始啟動方式為自耦降壓啟動，啟動電流大，設備及控制開關、元器件使用壽命短，生產成本高，同時羅茨鼓風機的排氣、壓力條件全靠旁通管打回流來實現，旁通閥的開度一般在20%左右，這就意味著要有20%左右的流量回流才能調節機前吸力。

      采用變頻調速以后便不存在回流調節的問題，從而節約了49%的電能，年節約電費20萬元以上。專家們指出：雖然變頻調速裝置的主機價格較高，但其性能好、可靠性強，使用壽命長，一般可用15年左右，而2年的節能費用就可收回設備的投資，經濟效益是十分可觀的。

10  中密度纖維板壓力機變頻節能

     兗州礦業（集團）公司楊村煤礦針對木材廠生產纖維板的壓力機多臺高壓油泵在每個壓板周期內有較長時間處于卸荷空轉狀態的情況，采用變頻器對電動機進行拖動控制，達到節能降耗的目的。

      該壓力機含有15層5100mm×1750mm的壓板，用來同時壓制15層鋪好的板坯。因在壓制過程中需要較高的壓力，壓力機底部有8只Φ400mm行程3810mm的柱塞油缸，需要的系統壓力最高達28Mpa。壓力機液壓系統由兩個8.5m³çš„低壓蓄能器、三臺A7V500LV5.1RPFHO斜軸式軸向變量柱塞泵、四組葉片泵及各自的閥組組成。每組葉片泵包括一臺兩端輸出的電動機和T6D-035å’ŒT6E-066兩臺葉片泵。因為電動機采用星形—三角形啟動，壓力機整個運行周期內有多臺泵處于較長時間的空轉狀態，白白浪費了較多的電能。如僅用PLC控制接觸器使電動機啟停，又會使電動機因為頻繁啟動而造成電流過大跳閘，更會對電動機及電氣元件造成較大的損害。

      為了不對電氣設備造成損害又能起到節能的效果，他們對兩臺柱塞泵電動機和四臺葉片泵電動機進行變頻改造。所使用的變頻器為施耐德Altivar71型，根據電動機的功率選用。通過設定加速段的斜坡時間為25s，使電動機緩慢加速到工頻50Hz，壓力機上升及第一階段全速運轉。第二階段為升壓階段，根據原設備壓力傳感器4～20mA信號，依據板坯厚度及工藝需要設定邏輯信號處理程序，使泵按照需要的速度運轉，提供合適壓力并使壓力平穩上升。自從第二階段保壓開始，電動機按照設定減速斜坡時間25s緩慢停止。待到壓力機下降的時候此泵緩慢加速，準備下一個工作循環。

      由于避免了多臺泵空轉時間，減少了液壓油循環量，有效降低了液壓油溫度，較好減少了因油溫過高、控制閥芯動作不可靠導致的設備故障。按照平均每小時生產10車板計算，每天可以節約電能634kW·h，全年至少節約電能19萬kW·h，約為10萬元。

11  恒水位變頻技術在生活污水泵房的應用

      兗州礦業（集團）公司濟寧三號煤礦將恒水位變頻技術和PLC自動監控裝置應用在生活污水處理系統中，對污水處理過程實現了自動化、智能化控制。

      這個煤礦的生活污水由污水池經2臺防腐污水泵排放。其中一號泵為15kW、60m³/h的離心式耐酸陶瓷泵，二號泵為30kW、400m³/h的離心式污水泵，2臺泵共用1條Φ200mm排水干管。原先由值班人員根據液位高度變化人工掌握開啟一號或二號泵。由于生活污水是晝夜不停排放且流量不斷變化的，值班人員對水位很難控制，兩臺泵難以及時切換。另外，二號泵由于流量較大，又無節能調速措施，能源浪費嚴重。為此，他們對生活污水排放進行了技術改造：對二號泵增加變頻調速裝置，以節能降耗，減少運行費用；實現有水位控制的污水泵站自動化，達到無人值守的目的。離心式水泵的流量與轉速成正比，通過改變電源頻率、調節電機轉速，達到按需要改變流量的目的。此系統主要由變頻器、液位傳感器、控制柜、水泵等組成。

      工作的時候，只要將污水池的水位與給定的水位進行比較，其差值經過運算以后控制變頻器的輸出頻率，并且最終控制水泵的電動機轉速。擋水池水位增高的時候，與給定的水位比較以后變頻輸出頻率增高，排水量增大；反之亦然，使得系統保持恒水位排水。高低水位計選用浮球式控制開關，擋水位降低到最低水平時，水泵停機。此外，變頻器本身保護也很完備，對電動機缺相、堵轉、過流、過熱、欠壓等保護靈敏可靠。該自動化控制系統還可與螺旋泵房等設施配合使用，通過超聲波濁度儀對水質進行監測，用螺旋泵房等配套設施將不達標的生活污水排入處理站重新進行處理，直至達標外排。