現代電力電子技術在煤礦電氣的應用
現代電力電子技術在煤礦電氣的應用
【摘 要】煤炭行業的電力消耗量約占總能耗的67%。
現國有統配煤礦基本實現了機械化，但電氣化仍較落后。
從電氣傳動技術及其裝備水平看，工業技術先進國家的電力拖動系統中，采用變頻調速技術已達到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的發展和應用前景，通過在煤炭企業的應用實例，論述了煤炭企業電力電子技術的推廣應用可以節約一定的電能。
【關鍵詞】電力電子;技術煤礦;節能
1.現代電力電子技術在煤礦電氣的應用
傳動系統中的應用國際上，技術先進的產煤國家，井下使用現代電力電子技術和裝備已相當廣泛。
如調速變頻電牽引采煤機，風機、水泵、提升機等礦用設備調速系統;原不調速系統實現變頻調速;原直流調速系統正被交流變頻調速系統逐步代替。
1.1提高生產工藝流程自動化控制系統智能化水平
電氣傳動自動化技術是以生產機械的驅動裝置—電動機為自動控制對象、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，在自動控制理論指導下，按給定的規律控制電動機的轉速進行自動調節，以滿足生產工藝的最佳要求，達到提高效率、降低能耗、提高產品(或系統運行)質量、減少系統環節、降低勞動強度的優化效果。
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，對于被驅動負載來說，它既是一個功能很強的控制環節，又是很準確的電動執行機構。
作為電氣傳動自動化系統，可稱得上是控制和執行器的機電一體化環節。
采用此項技術和設備，不但可容易地實現較高性能的單機自動化，而且實現礦井的順槽自動化控制要簡單和容易得多。
1.2提高電氣傳動系統的機電一體化水平，減小驅動設備占用空間
電氣傳動系統的機電一體化是現代礦井采、掘、運、提等大型生產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工藝流程自動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挖量，節約投資。
隨著現代電力電子技術的不斷發展和進步，發展無機械齒輪機，技術已日臻成熟，并且已進入實用階段。
如：交流主軸驅動系統、滾筒內裝電動機式提升絞車等已投入使用，既減少了機械傳動環節系統體積，又有效地提高了整體的傳動效率，為礦井電氣傳動系統改造提供了誘人的新技術前景。
2.現代電力電子技術在電機調速及拖動中的應用
礦井中電機是耗能大戶，并且集中在提升機電機通風機電機、主排水泵電機、壓縮機電機以及采煤機電機等幾個大型電機上，耗能比較集中，因此為實現電力電子技術改造提供了方便。
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，后來又出現直流調速提升機，由于在開始發展直流控制系統時電力電子技術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(直流發電機拖動直流電動機)。
這種系統中拖動發電機的電動機除了檢修以外，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的直流發電機，拖動發電機的是功率為1600kw的交流同步電動機，在提升機進行電力電子技術改造前每個月的耗電量在40—45萬kw·h之間。
除此之外，整個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15萬元左右，維修時間超過500h。
該礦于2004年5月對電控系統進行改造，改造成電力電子整流直流調速系統，整套系統采用進口整流控制柜和PLC控制系統。
改造后，每月電量消耗在20萬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2萬元以下，年維修時間200h左右。
節能效果良好，經濟和社會效益明顯。
相對于直流調速系統，交流電機費用低、結構簡單、維護方便，因此受到用戶的青睞，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相對直流電機采用直流調速性能基本相似，但是變頻技術相對直流調速方案總體經濟效益較好，這一點在電梯調速方面的成功應用可以得到驗證。
煤炭企業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有一個成功應用的例子。
隨著變頻技術的進步，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的重要設備之一，這些設備啟動頻繁，負荷變化大，目前使用的啟動設備大多數采用普通磁力啟動器配液壓聯軸器，啟動效果不很理想，同時也無法達到節能效果。
隨著隔爆型變頻器技術的成熟，礦用運輸設備采用變頻器是完全可行的，而且可以同時達到節能和軟啟動的目的。
但是隔爆型變頻器造價高，推廣起來有一定的難度，不過現在國內有的企業通過和國外技術合作、引進或自制研制成功了隔爆型節能軟啟動開關，這種開關造價比變頻器低，還可以通過調整輸出電壓來達到節能的目的，在目前條件下，這種開關還是值得推廣的。
3.現代電力電子技術的其它應用
煤炭企業一般距離市區較遠，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供水制，只在規定的時間內供水，供水的時候，就是用水的高峰期，每個用戶還要用容器存一部分水備用，實際上并不一定能用完，長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。
全自動無塔變頻供水裝置這項技術在全國推廣使用已經好幾年了，這項技術投資少，自動化程度高，同時還可以達到節水節能的目的，但是在煤炭企業應用還不是太廣泛，還沒有認識到其優勢。
某礦工人原來使用的也是定時供水制，自從改造成全動無塔變頻供水以后，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，經濟和社會都很好。
我國于1996年正式啟動綠色照明計劃，綠色照明計劃的關鍵就是利用電力電子技術開發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重要意義。
以百萬噸礦井生產照明用電容量為50kw計算時，推行節能技術可以節約電量15%，全國年產原煤12億t，年節約電量近80GW時，細算起來是一個不小的數字。
但是，我國在開發成本低、電磁污染低、可靠性高的性能先進的電子整流器方面，特別是能適應煤礦井下惡劣條件的先進節能燈具技術還不是很成熟。
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。
節能的關鍵在于先進的節能設備的使用或對現有設備的技術改造。
電機類負荷的節能方法主要是電力電子器件，而我國煤炭企業在電力電子技術的應用不僅無法和國外先進水平相比，即使和國內其他行業相比也落后很多。
因此，煤炭企業電力電子技術的改造應用具有廣闊的前景和良好的經濟效益。
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