摘 要 ：本文簡(jiǎn)要介紹了變頻器在露天礦山設(shè)備和地下礦山設(shè)備中的應(yīng)用情況，重點(diǎn)對(duì)礦井通風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)中應(yīng)用變頻器的實(shí)例進(jìn)行了介紹和分析。文中還對(duì)礦山如何選擇變頻器提供了參考意見。 英文摘要 ：This article simply introduces the application situation of inverter in the weather mine equipment and underground mine equipment and pays much attention to the introduction and analysis of the inverter application example in the mine fanner and air compressor. This article aslo provides the reference opinion on how to choose the inverter in the mine. 關(guān)鍵詞： 變頻器 露天礦山 地下礦山 1 概述 礦山按產(chǎn)品類型可分為煤礦、金屬礦和非金屬等;按采掘方式可分為露天開采礦山和地下開采礦山兩大類。本文主要介紹變頻調(diào)速器在金屬礦山中的應(yīng)用的現(xiàn)狀和應(yīng)用前景，對(duì)煤礦亦有參考價(jià)值，因?yàn)槁短烀旱V和露天金屬礦開采方式和生產(chǎn)設(shè)備基本相同，地下礦山除需要考慮設(shè)備的防爆問題外，大部分生產(chǎn)設(shè)備也與金屬礦大同小異。露天采礦和地下采礦所用的生產(chǎn)設(shè)備有很大不同。 露天礦山是以大型設(shè)備為主要特點(diǎn)，要求優(yōu)良的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，以保證這些大型設(shè)備的高效率運(yùn)行。露天礦山的這些大型設(shè)備包括用于穿孔的牙輪鉆機(jī)，用于裝載礦、巖石的電鏟（挖掘機(jī)），用于運(yùn)輸?shù)V、巖石的大型汽車等。它們都要求電氣傳動(dòng)系統(tǒng)具有良好的調(diào)速性能，目前這些大型設(shè)備大多采用直流調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)。 地下礦山的生產(chǎn)較露天礦山復(fù)雜。由于井下生產(chǎn)的空間窄小，使生產(chǎn)設(shè)備環(huán)境潮濕、陰暗，粉塵大、噪音大、振動(dòng)大、并有塌方的危險(xiǎn)，工作條件十分惡劣。因此，井下生產(chǎn)設(shè)備的體積受限，這些設(shè)備以小型化為主，體積小、重量輕，對(duì)電氣傳動(dòng)的要求不高。但提升、排水、通風(fēng)、壓氣等固定設(shè)備是地下礦山的要害部門，也是耗電大戶，因此，這些設(shè)備的安全運(yùn)行和節(jié)能就顯得至關(guān)重要。 根據(jù)我們多年來從事礦山電氣傳動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)及在礦山進(jìn)行變頻調(diào)速的應(yīng)用實(shí)踐，我認(rèn)為，在礦山應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)于提高礦山生產(chǎn)設(shè)備的效率，節(jié)約電能都是至關(guān)重要的。但遺憾的是在礦山應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)還很不普遍，除了因變頻器的投資問題外，與人們對(duì)變頻器的認(rèn)識(shí)不夠有關(guān)，也與不能正確了解礦山設(shè)備對(duì)變頻器的特殊要求、不能正確地應(yīng)用變頻器、因此所帶來的負(fù)面影響有很大關(guān)系。 本文主要介紹目前礦山應(yīng)用變頻器的狀況，礦山設(shè)備對(duì)電氣傳動(dòng)的特殊要求，以及如何正確地選用變頻器等。 2 變頻器在露天礦山設(shè)備中的應(yīng)用 2.1 電鏟 電鏟用于裝載礦巖，其工作條件非常惡劣，特別是在爆破不好的情況下挖根底作業(yè)，經(jīng)常出現(xiàn)過大的沖擊載荷，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，電鏟對(duì)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)就有較高的要求:要求電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械特性曲線的包絡(luò)面積大，有足夠的有用功率;要求有良好的調(diào)速性能，能四象限運(yùn)行，能快速地進(jìn)行加、減速和反轉(zhuǎn)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快;要求系統(tǒng)制動(dòng)性能好，并能回收能量;要求系統(tǒng)運(yùn)行可靠，維修方便等。由于電鏟對(duì)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的這些特殊要求，所以，我國電鏟目前應(yīng)用的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)主要還是直流傳動(dòng)系統(tǒng)。例如:WK-4M、WK10、WD-1200和195-B等型號(hào)的電鏟都是采用直流發(fā)電機(jī)-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱機(jī)組系統(tǒng)）;從美國Harnischfeger公司引進(jìn)制造的P&H-2300XP和P&H-2800XP型電鏟則是采用晶閘管變流器-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱晶閘管直流系統(tǒng)）。雖然后者比前者技術(shù)先進(jìn)，效率也有所提高，但這兩種系統(tǒng)都還存在直流電機(jī)的固有的缺點(diǎn)，即維修工作量大、效率較低等。 自上世紀(jì)90年代后期，我國有個(gè)別礦山從美國B-E公司引進(jìn)了變頻器-鼠籠型電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱交流變頻調(diào)速系統(tǒng)），這是全交流化的電鏟電氣傳動(dòng)系統(tǒng)。例如:385-B、295-BⅡ、290-BⅢ型電鏟就是全交流化電鏟，變頻調(diào)速由德國SIEMENS公司開發(fā)、提供的電壓型變頻器。現(xiàn)以395-B電鏟為例作一簡(jiǎn)要說明:高壓交流電由電纜經(jīng)集電環(huán)引入電鏟，由1600kVA主變壓器將6kV變?yōu)?75V，由1950A的整流器將交流變?yōu)橹绷鳎?jīng)濾波后送入公共直流母線。在直流母線上有4臺(tái)容量為750kVA的逆變器，其中2臺(tái)并聯(lián)供電給1臺(tái)容量為1066kW的提升電動(dòng)機(jī);第三臺(tái)逆變器供電兩臺(tái)容量各為243kW的回轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī);第四臺(tái)逆變器供電給容量為294kW推壓電動(dòng)機(jī)。當(dāng)某工作機(jī)構(gòu)處于再生制動(dòng)工作時(shí)，逆變器將再生制動(dòng)能量反饋到公共直流母線上，可供其它工作機(jī)構(gòu)使用，使能量得到充分利用。使用不完的制動(dòng)能量，可以通過制動(dòng)電阻消耗掉。 實(shí)踐證明，交流變頻調(diào)速電鏟和前兩種直流調(diào)速電鏟相比，具有節(jié)約電能、調(diào)速性能好、可靠性高、維護(hù)量小、生產(chǎn)效率高、功率因數(shù)高（0.95以上）等優(yōu)點(diǎn)，是公認(rèn)的電鏟電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展方向。 2.2 變頻器在牙輪鉆機(jī)中的應(yīng)用 牙輪鉆機(jī)是露天礦山、尤其是大型露天礦山的主要穿孔設(shè)備。為使牙輪鉆機(jī)在不同的巖層中都能保持較佳的鉆進(jìn)狀態(tài)，要求鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)能根據(jù)巖層的性質(zhì)進(jìn)行無級(jí)調(diào)速。鉆機(jī)的提升/行走機(jī)構(gòu)也需要無級(jí)調(diào)速。目前，牙輪鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和提升/行走機(jī)構(gòu)一般都是直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)。主要有三種調(diào)速裝置:（1）采用晶閘管直流調(diào)速裝置的牙輪鉆機(jī)有:YZ-55，YZ-35和YZ-12型;（2）采用大功率磁放大器調(diào)速裝置的有KY-250型牙輪鉆機(jī)和從美國進(jìn)口的45R型牙輪鉆機(jī);（3）采用直流發(fā)電機(jī)組調(diào)速裝置的有從美國進(jìn)口的60R型牙輪鉆機(jī)。 牙輪鉆機(jī)上應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)不僅是為了節(jié)能，更重要的是為了提高鉆機(jī)的生產(chǎn)效率，降低維修工作量?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)安裝在鉆桿的頂端，工作條件異常惡劣，以往使用的直流電動(dòng)機(jī)經(jīng)常損壞，維修工作量大，影響牙輪鉆機(jī)的正常作業(yè)和效率的提高。因此采用堅(jiān)固耐用的交流鼠籠型電動(dòng)機(jī)代替直流電動(dòng)機(jī)，用變頻調(diào)速裝置代替直流調(diào)速裝置，就成為人們公認(rèn)的牙輪鉆機(jī)電氣傳動(dòng)的發(fā)展方向。在牙輪鉆機(jī)上應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)的難點(diǎn)在于:鉆機(jī)的轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等對(duì)調(diào)速裝的性能要求高，因?yàn)橛捎趲r層地質(zhì)條件的不同，鉆機(jī)在鉆進(jìn)工作時(shí)有可能被卡鉆，使回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)堵轉(zhuǎn)，這就要求調(diào)速裝置的機(jī)械特性曲線具有挖土機(jī)特性，并具有立即反轉(zhuǎn)和立即重新起動(dòng)、鉆進(jìn)功能;牙輪鉆機(jī)振動(dòng)大，對(duì)調(diào)速設(shè)備的防振要求高。變頻調(diào)速在牙輪鉆機(jī)中的應(yīng)用首先是由美國B-E公司在55R型牙輪鉆機(jī)上應(yīng)用。我國礦山的牙輪鉆機(jī)的變頻調(diào)速還在開發(fā)試驗(yàn)之中，尚未在推廣應(yīng)用。 2.3 電動(dòng)輪汽車的電氣傳動(dòng) 目前，大型露天礦山的運(yùn)輸主要是采用無軌運(yùn)輸，而主要運(yùn)輸設(shè)備是大型汽車，特別是電動(dòng)輪汽車成為了大型露天礦山的主要運(yùn)輸設(shè)備。這是因?yàn)殡姎鈧鲃?dòng)比機(jī)械傳動(dòng)有更多的優(yōu)點(diǎn)。如調(diào)速性能好，響應(yīng)速度快，調(diào)速平滑無沖擊;可實(shí)現(xiàn)恒功率調(diào)節(jié)，能充分利用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，耗油少;制動(dòng)安全，牽引特性好等。目前，世界各國大型露天礦，包括我國的大型露天礦都普遍采用電動(dòng)輪汽車。我國自1975年以來，引進(jìn)了不少電動(dòng)輪汽車，并成功研制開發(fā)了SF3102型100t和LN-3100型108t電動(dòng)輪汽車，與美國Unit Rig公司合作制造了MARK-36型154t電動(dòng)輪汽車。 電動(dòng)輪汽車的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)主要有柴油發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的直流發(fā)電機(jī)-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的交流發(fā)電機(jī)-交流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，它通過控制發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁來控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，人們也在探討將變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于電動(dòng)輪汽車電氣傳動(dòng)的可能性。但目前尚未見到成功的先例。不過，作為大型露天礦山的主要運(yùn)輸設(shè)備的電動(dòng)輪汽車，人們會(huì)繼續(xù)努力，研究將變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于電動(dòng)輪汽車，以進(jìn)一步改善其調(diào)速性能，提高其運(yùn)輸能力。 3 變頻器在地下礦山中的應(yīng)用 3.1 變頻調(diào)速技術(shù)在礦井提升機(jī)中的應(yīng)用 礦井提升機(jī)是地下礦山運(yùn)輸?shù)闹饕O(shè)備。它是用一定的裝備沿井筒運(yùn)出礦石、廢石、升降人員及材料、設(shè)備等運(yùn)輸環(huán)節(jié)。礦井提升設(shè)備按井筒傾角可分為豎井提升設(shè)備和斜井提升設(shè)備;按提升容器可分為罐籠提升機(jī)和箕斗提升機(jī)等;按提用途可分為主提升機(jī)（專們或主性提升礦石，一般稱為主井提升機(jī)），副井提升機(jī)（提升廢石、升降人員、運(yùn)送材料和設(shè)備等，一般稱為副井提升機(jī)）和輔助提升機(jī)（如天井電梯、檢修提升等）。 礦井提升是地下礦山生產(chǎn)的咽喉，所以，無論哪種提升機(jī)，對(duì)電氣傳動(dòng)的要求都很高，因?yàn)殡姎鈧鲃?dòng)系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，可靠性的高低，都直接關(guān)系到礦山生產(chǎn)的效率和礦山生產(chǎn)的正常進(jìn)行。對(duì)礦井提升機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的要求是:有良好的調(diào)速性能，調(diào)速精度高，四象限運(yùn)行，能快速進(jìn)行正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，有準(zhǔn)確的制動(dòng)和定位功能，可靠性要求高等。 目前，我國地下礦山礦井提升機(jī)的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)主要有:對(duì)于大型礦井提升機(jī)，主要采用直流傳動(dòng)系統(tǒng)，有采用直流電動(dòng)機(jī)-直流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和晶閘管變流器-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng);這兩種系統(tǒng)都存在著直流電動(dòng)機(jī)固有的缺點(diǎn)，如效率不高，維修工作量較大等。對(duì)于中、小型提升機(jī)，則多采用交流電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，如采用交流繞線式電動(dòng)機(jī)，使用電機(jī)轉(zhuǎn)子切換電阻調(diào)速，這種電氣傳動(dòng)系統(tǒng)雖然設(shè)備簡(jiǎn)單，但它是有級(jí)調(diào)速，調(diào)速性能差，效率低，大量的電能消耗在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻上，而且可靠性也差。 將變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于礦井提升機(jī)是礦井提升機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展方向。我國已有幾臺(tái)大型礦井提升機(jī)采用交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)，取得了很好的效果，但其缺點(diǎn)是功率因數(shù)不高，諧波大，需加諧波和功率因數(shù)補(bǔ)償裝置。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，交-直-交電壓型變頻調(diào)速技術(shù)已開始在礦井提升機(jī)中應(yīng)用。例如國外已有礦山將有源前端三電平變頻器應(yīng)用于礦井提升機(jī)上，據(jù)介紹，采用這種變頻調(diào)速的交流提升機(jī)可以克服直流調(diào)速系統(tǒng)和交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)的缺點(diǎn)，是提升機(jī)電氣傳動(dòng)的發(fā)展方向。對(duì)于小型交流提升機(jī)已有成功應(yīng)用變頻器的實(shí)例，如山東風(fēng)光電子有限公司和東營市東萃科技有限公司合作開發(fā)的變頻器，成功地應(yīng)用于山東寧陽縣華寧煤礦的380V,180kw 的交流提升機(jī)上。 3.2 變頻調(diào)速技術(shù)在空壓機(jī)中的應(yīng)用 空氣壓縮機(jī)是地下礦山生產(chǎn)的重要設(shè)備之一，它生產(chǎn)壓縮空氣，用以帶動(dòng)風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)、風(fēng)動(dòng)裝巖機(jī)等設(shè)備以及其它風(fēng)動(dòng)工具，其耗電量在礦山總耗電量中占有相當(dāng)大的比重。深入分析空氣壓縮機(jī)的電能消耗情況，找出節(jié)能潛力，實(shí)現(xiàn)空氣壓縮機(jī)的節(jié)能運(yùn)行，將會(huì)降低礦山生產(chǎn)成本，提高其經(jīng)濟(jì)效益?，F(xiàn)以凡口鉛鋅礦為例說明: 凡口鉛鋅礦坑口空壓機(jī)站共有6臺(tái)空氣壓縮機(jī)，其中4臺(tái)為日本日立空氣壓縮機(jī)。４臺(tái)日立壓縮機(jī)型號(hào):BTD2，排氣壓力7kg/cm2，排氣量103m3/min屬兩級(jí)壓縮活塞式壓縮機(jī)，其拖動(dòng)電機(jī)型號(hào)EFOU，額定功率450kW，額定電壓380V，額定電流892A，采用Y/Δ降壓起動(dòng)方式;2臺(tái)國產(chǎn)空氣壓縮機(jī)（活塞式空氣壓縮機(jī)），其拖動(dòng)電機(jī)為高壓（6kV）同步電動(dòng)機(jī)。6臺(tái)空氣壓縮機(jī)采用并聯(lián)運(yùn)行方式。一般情況下，只運(yùn)行2～3臺(tái)（其中一臺(tái)國產(chǎn)空氣壓縮機(jī)）其余的空氣壓縮機(jī)作為備用?？諝鈮嚎s機(jī)站的容量是按最大排氣量并考慮備用來確定的，然而在實(shí)際的使用過程中，用氣設(shè)備的耗氣量是經(jīng)常變化的，當(dāng)耗氣量小于壓縮空氣站的排氣量時(shí)，便需對(duì)空氣壓縮機(jī)進(jìn)行控制，以減少排氣量使之適應(yīng)耗氣量的變化，否則空氣壓縮機(jī)排氣系統(tǒng)的壓力會(huì)升至不能允許的數(shù)值，使空氣壓縮機(jī)和用氣設(shè)備的零部件負(fù)載過大，并有發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)。凡口鉛鋅礦4臺(tái)日本日立空壓機(jī)采用的是多級(jí)壓力節(jié)流進(jìn)氣控制方式:即當(dāng)壓力低于6.2Mpa時(shí),打開全部進(jìn)氣閥,壓縮機(jī)組以100%負(fù)荷率狀態(tài)運(yùn)行;當(dāng)壓力達(dá)到6.2～6.5Mpa時(shí)關(guān)閉隙閥，壓縮機(jī)組以75%負(fù)荷率運(yùn)行;當(dāng)壓力達(dá)到6.8～7Mpa時(shí),關(guān)閉一個(gè)進(jìn)氣閥,壓縮機(jī)組以50%負(fù)荷率運(yùn)行,當(dāng)壓力達(dá)到7Mpa時(shí)關(guān)閉所有進(jìn)氣閥,壓縮機(jī)組進(jìn)入空載運(yùn)行狀態(tài).由于活塞式空氣壓縮機(jī)的起、停有著嚴(yán)格而復(fù)雜的規(guī)程，不允許頻繁起停。為了滿足井下用氣量的變化，一般由調(diào)度人員根據(jù)井下用氣量的時(shí)間變化特點(diǎn),把一天分為幾個(gè)時(shí)段，每一個(gè)時(shí)段需要開的空壓機(jī)臺(tái)數(shù)由該時(shí)段內(nèi)最大用氣量決定。在該時(shí)段內(nèi)，空壓機(jī)不允許增開或停開（特殊情況除外）。地下礦金屬礦山的空壓機(jī)站多采用這種方式，但這種控制方式很顯然存在一些比較大的缺點(diǎn): （1） 據(jù)統(tǒng)計(jì)，壓縮機(jī)組75%負(fù)荷運(yùn)行率為41%，50%負(fù)荷運(yùn)行率為14%。無論空氣壓縮機(jī)是處于75%、50%還是空載運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，管網(wǎng)壓力較正常供氣壓力要高，井下用氣量很顯然要小于供氣量，而這時(shí)各臺(tái)空氣壓縮機(jī)仍然全速生產(chǎn)壓縮空氣，帶來了不必要的電能浪費(fèi)。 （2） 節(jié)精度低，在某一進(jìn)風(fēng)量工作狀態(tài)下壓力波動(dòng)大，特別在生產(chǎn)用風(fēng)量變化頻繁時(shí)期內(nèi)（用風(fēng)量大且變化頻繁），不能穩(wěn)定風(fēng)壓; （3） 閥門動(dòng)作值在一次整定后經(jīng)常會(huì)變，有時(shí)會(huì)使整個(gè)壓風(fēng)系統(tǒng)工作壓力偏高，增大了單位壓風(fēng)量的功耗; （4） 當(dāng)空壓機(jī)運(yùn)行在75%、50%進(jìn)氣量的工作狀態(tài)下，進(jìn)氣流速增大，造成進(jìn)氣過程壓風(fēng)量的損失，降低了壓風(fēng)機(jī)的效率。 因此有必要對(duì)現(xiàn)有的調(diào)節(jié)方式進(jìn)行改進(jìn)，以節(jié)約電能，提高空壓機(jī)的運(yùn)行效率。我院和凡口鉛鋅礦合作，用變頻調(diào)速對(duì)其空壓機(jī)站進(jìn)行技術(shù)改造。 空壓機(jī)恒壓自動(dòng)控制變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示: 空壓機(jī)恒壓自動(dòng)控制變頻調(diào)速系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)5#空壓機(jī)和6#空壓機(jī)的輪換控制。5#空壓機(jī)和6#空壓機(jī)均可由新老兩套系統(tǒng)拖動(dòng)，這樣做有兩個(gè)目的:伒5#空壓機(jī)出現(xiàn)故障需要檢修時(shí)，新系統(tǒng)可迅速切換到6#機(jī)，以提高恒壓控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的利用率;當(dāng)新系統(tǒng)出現(xiàn)故障需要停車檢修時(shí)，能夠很快地投入老系統(tǒng)運(yùn)行，不致于影響正常生產(chǎn);當(dāng)管網(wǎng)壓力超出恒壓調(diào)節(jié)范圍時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出增開或者減開一臺(tái)空壓機(jī)。 系統(tǒng)于1999年4月2日在凡口鉛鋅礦通過了驗(yàn)收，正式移交生產(chǎn)使用，系統(tǒng)運(yùn)行十分正常，滿足了生產(chǎn)的需要，達(dá)到了預(yù)期的目的。本系統(tǒng)的目的是為了節(jié)能，根據(jù)廣州金粵節(jié)能服務(wù)站對(duì)本系統(tǒng)做的節(jié)能測(cè)試:采用本空氣壓縮機(jī)恒壓控制變頻調(diào)速系統(tǒng)平均每天節(jié)電量2226kWh。按照年工作日330天計(jì)，則采用恒壓控制變頻調(diào)速系統(tǒng)每年可節(jié)電734629kWh，按照凡口鉛鋅礦現(xiàn)行電價(jià)0.7元/kWh計(jì)，每年可節(jié)約電費(fèi)51.42萬元。本系統(tǒng)總共投資98萬元，兩年內(nèi)即可收回全部投資。本系統(tǒng)應(yīng)用的成功為活塞式空氣壓縮機(jī)的節(jié)能運(yùn)行提供了重要的新手段，對(duì)于企業(yè)節(jié)能降耗，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益有重要意義，有廣闊的推廣應(yīng)用前景。 3.3 變頻調(diào)速技術(shù)在礦井通風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用 礦井通風(fēng)機(jī)是地下礦山生產(chǎn)的主要用電設(shè)備之一，其節(jié)能運(yùn)行在礦山節(jié)電中占有重要的地位。礦井通風(fēng)機(jī)一般采用異步電機(jī)或同步電機(jī)拖動(dòng)，恒速運(yùn)轉(zhuǎn)，一般容量大，電機(jī)供電電壓高（6kV或10kV）。 礦山建設(shè)的特點(diǎn)是:巷道逐年加深，產(chǎn)量逐年增加，所需的通風(fēng)量逐年上升。但礦井通風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)選型時(shí)，往往是按最大開采量時(shí)所需的風(fēng)量為依據(jù)的，一般都留有余量，因此礦井在投產(chǎn)后幾年甚至十幾年內(nèi)，礦井通風(fēng)機(jī)都是處在低負(fù)載下運(yùn)行。此外，通常礦山井下作業(yè)不均衡，一般夜班工作人員少，所需風(fēng)量也小，在節(jié)假日時(shí)，可能只有泵房等固定的井下場(chǎng)所的值班人員工作。盡管井下人員少，但也得照常向井下送風(fēng)，礦井通風(fēng)機(jī)一般不調(diào)節(jié)風(fēng)量，若要調(diào)節(jié)風(fēng)量時(shí)，傳統(tǒng)的方法是調(diào)節(jié)檔板。這種辦法雖然簡(jiǎn)單，但從節(jié)能的觀點(diǎn)看，是很不經(jīng)濟(jì)的。圖2所示為幾種調(diào)節(jié)風(fēng)量的方法節(jié)電比較。 圖2中:1—擋板法;2—前導(dǎo)器法;3—液力耦合器;4—繞線電動(dòng)機(jī)切換轉(zhuǎn)子電阻調(diào)速法;5—變頻調(diào)速法。 由圖2可見，變頻調(diào)速法在各種風(fēng)量調(diào)節(jié)方法中是最理想、最有效、最節(jié)能的調(diào)節(jié)方法。有關(guān)變頻調(diào)速技術(shù)在礦井通風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用，仍以凡口鉛鋅礦為例說明。 該礦的礦井通風(fēng)機(jī)都采用高壓電機(jī)傳動(dòng)，有高壓同步電機(jī)和高壓異步電機(jī)兩大類。由于礦井通風(fēng)機(jī)是礦山的耗電大戶，節(jié)電潛力很大，但它又是高壓電機(jī)傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速有一定困難。于是，長(zhǎng)沙礦山研究院與凡口鉛鋅礦、冶金自動(dòng)化研究院等單位合作，以老南風(fēng)井的6kV，800kW同步電機(jī)傳動(dòng)的礦井通風(fēng)機(jī)為對(duì)象，研制開發(fā)了同步電機(jī)直接高壓變頻器。1997年8月投入運(yùn)行，并于1998年4月28日通過了中國有色金屬工業(yè)總公司的技術(shù)鑒定，獲得了部級(jí)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。這是國內(nèi)第一臺(tái)同步電機(jī)直接高壓變頻器，節(jié)電效果十分顯著。新南風(fēng)井的礦井通風(fēng)機(jī)采用6kV,880KW高壓異步電機(jī)傳動(dòng)，高壓變頻器采用SIEMENS公司的SIMOVERT MV型三電平高壓變頻器。于2002年9月投入運(yùn)行，節(jié)電效果也是十分顯著的。下面分別簡(jiǎn)要介紹這兩種高壓變頻器。 （1） 同步電機(jī)直接高壓變頻器 同步電機(jī)高壓變頻器主要有兩類，即他控式變頻調(diào)速系統(tǒng)和自控式變頻調(diào)速系統(tǒng)。他控式變頻調(diào)速系統(tǒng)所用的變頻裝置是獨(dú)立的，其輸出頻率直接由速度給定信號(hào)決定，屬速度開環(huán)控制。自控式變頻調(diào)速系統(tǒng)可以使同步電機(jī)不存在失步和振蕩等問題，所以一般都采用自控式運(yùn)行。 我們與有關(guān)單位合作研制開發(fā)的這種同步電機(jī)直接高壓變頻調(diào)速裝置是采用交-直-交電流型變頻調(diào)速系統(tǒng)，屬自控式變頻調(diào)速系統(tǒng)，它由變頻器、同步電機(jī)、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器以及控制系統(tǒng)組成。變頻器主電路采用晶閘管串聯(lián)組成的高壓閥串作為功率元件，它是利用同步電機(jī)的反電勢(shì)來關(guān)斷逆變器的晶閘管，它沒有強(qiáng)迫換流電路，因而主電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。變頻器的框圖如圖3所示。 圖3中，硬件全套設(shè)備由高壓開關(guān)切換柜（圖中未表示出）、整流柜、逆變柜、勵(lì)磁柜、控制柜、操作臺(tái)及交流進(jìn)線電抗器、直流平波電抗器、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器、光電編碼器等到部分組成。 根據(jù)凡口礦生產(chǎn)的情況需要，本高壓變頻器按周期性的固定頻率運(yùn)行，早班（7:00～16:00）變頻裝置運(yùn)行在40Hz，中班（16:00～19:00）運(yùn)行在35Hz，在19:00～20:00期間為放炮時(shí)間，變頻器運(yùn)行于40Hz，20:00～23:00運(yùn)行在35Hz，23:00～24:00期間為放炮時(shí)間，變頻器運(yùn)行于40Hz，0:00～3:00井下作業(yè)人員很少運(yùn)行于28Hz，3:00～4:00期間為放炮時(shí)間，變頻器運(yùn)行于40Hz，4:00～7:00運(yùn)行于28Hz。 經(jīng)廣州金粵節(jié)能服務(wù)站的節(jié)能測(cè)試及能量平衡測(cè)試，以及凡口礦老南風(fēng)井的實(shí)際記錄，在正常生產(chǎn)期間，節(jié)電率達(dá)42%;節(jié)假日時(shí)變頻器運(yùn)行于28Hz，節(jié)電率達(dá)73%。年節(jié)電為192.3萬kWh，在不到一年的時(shí)間內(nèi)，就由節(jié)電費(fèi)用收回到了高壓變頻器的全部投資，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。 （2） 異步電機(jī)三電平高壓變頻器 在成功研制開發(fā)了老南風(fēng)井同步電機(jī)直接高壓變頻器的基礎(chǔ)上，根據(jù)深部開采的需要，對(duì)新南風(fēng)井的礦井通風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造，我院和有關(guān)單位合作，經(jīng)過論證，最終決定采用引進(jìn)WOODS軸流式風(fēng)機(jī)和Siemens公司的SIMOVERT MV三電平高壓變頻器。該變頻器的原理圖如圖4所示。 但SIEMENS公司實(shí)際提供的這種三電平高壓變頻器的系統(tǒng)如圖5的框圖所示。 由圖5可見，6kV高壓電源經(jīng)三繞組降壓變壓器降壓，2組二次側(cè)繞組（接法△、Y），電壓各為1.2kV，經(jīng)各自的6脈沖整流橋整流成直流，直流電壓為3240V（正負(fù)電壓各為1620V）經(jīng)三電平逆變器變頻變壓，可輸出頻率可變的0～2300V的三相交流電壓;經(jīng)濾波器濾波后，再經(jīng)升壓變壓器升壓至6kV，供給6kV高壓電動(dòng)機(jī)調(diào)速。 新南風(fēng)井高壓變頻器原訂為直接高壓變頻器，但由圖5可見，這實(shí)質(zhì)上是一臺(tái)高低高式高壓變頻器，因?yàn)樗粌H有降壓變壓器，而且也有升壓變壓器。不過經(jīng)我們對(duì)其進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真，其結(jié)果表明，盡管它是高-低-高式高壓變頻器，但并不影響它在生產(chǎn)中的應(yīng)用。 根據(jù)凡口礦目前的生產(chǎn)情況，高壓變頻器的運(yùn)行情況是:白班和中班，高壓變頻器運(yùn)行于40Hz，在晚班，由于井作業(yè)人員很少，高壓變頻器則運(yùn)行于30Hz，在節(jié)假日，則運(yùn)行于更低的頻率。據(jù)此，計(jì)算出節(jié)電效果，年平均節(jié)電為56%，年節(jié)電357.9萬kWh，節(jié)電效果顯著達(dá)到了原計(jì)劃的節(jié)電目標(biāo)。 3.4 關(guān)于球磨機(jī)、井下排水泵等是否可用變頻調(diào)速的問題 球磨機(jī)、井下排水泵等設(shè)備容量大，都是礦山的高耗能設(shè)備。對(duì)于這些設(shè)備是否可以采用變頻調(diào)速來實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行呢？我認(rèn)為，在這些設(shè)備上采用變頻調(diào)速是達(dá)不到節(jié)能目的的。 我們應(yīng)某金礦的委托，采用變頻器對(duì)球磨機(jī)進(jìn)行調(diào)速節(jié)能試驗(yàn)。當(dāng)變頻器的輸出頻率調(diào)整到48Hz和45Hz時(shí)，球磨機(jī)的電能消耗雖有所降低，但磨礦質(zhì)量有很大降低，此時(shí)球磨機(jī)的出礦粒度由原來不調(diào)速時(shí)的300目粒度占99%，分別下降到90%和58%?？梢娺@種工藝、設(shè)備條件下，不宜采用變頻調(diào)速節(jié)能運(yùn)行。 另外，我看到有的文章說，變頻器用于井下排水泵站的節(jié)能[3]。我認(rèn)為，這是不現(xiàn)實(shí)的。因?yàn)槿魏蔚V山為排出井下的涌水，都在井底設(shè)有水倉。值班工人根據(jù)水倉水位確定開仃水泵及開仃幾臺(tái)水泵，因此它不需進(jìn)行流量的調(diào)節(jié)。所以，它不需要采用變頻器。對(duì)于地面生活供水或工業(yè)供水的泵站，由于需要根據(jù)用水量的多少來調(diào)節(jié)供水量，在這種情況下，采用變頻調(diào)速以調(diào)節(jié)流量，可達(dá)到節(jié)能的目的。 在礦山中，還有一些小型設(shè)備可以采用變頻調(diào)速節(jié)能，如螺旋給料機(jī)、沙泵等，在此就不一一介紹了。 4 選擇變頻器應(yīng)注意的事項(xiàng) 變頻器，特別是高壓變頻器價(jià)格昂貴，如選擇不當(dāng)，達(dá)不到節(jié)電和提高生產(chǎn)效率的目的，以致造成浪費(fèi)和不必要的麻煩和損失。在這里，提供一些選擇變頻器的意見，供參考。 4.1 根據(jù)工藝要求選擇變頻器 （1） 電機(jī)調(diào)速雖是風(fēng)機(jī)、水泵節(jié)能的有效途徑，但并非凡是風(fēng)機(jī)、水泵都能采用調(diào)速節(jié)電。對(duì)于工藝參數(shù)基本穩(wěn)定，不需要調(diào)速的風(fēng)機(jī)、水泵可以采用高效節(jié)能電機(jī)和高效節(jié)能風(fēng)機(jī)，以提高系統(tǒng)效率。對(duì)于已建成而配置不合理的風(fēng)機(jī)可以通過采用更換電機(jī)，調(diào)節(jié)葉片角度等方法達(dá)到節(jié)電的目的。選擇調(diào)速節(jié)能時(shí)應(yīng)注意:風(fēng)機(jī)、水泵的轉(zhuǎn)速變化范圍不宜太大，通常最低轉(zhuǎn)速不少于額定轉(zhuǎn)速的50%，一般調(diào)速范圍在100%～70%之間為宜，因?yàn)楫?dāng)轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速的40%～50%時(shí)，風(fēng)機(jī)、水泵本身的效率明顯下降，是不經(jīng)濟(jì)的;調(diào)速范圍確定時(shí)，應(yīng)注意避開機(jī)組的機(jī)械臨界共振轉(zhuǎn)速，否則調(diào)速至該諧振頻率時(shí)，將可能損壞機(jī)組。 （2） 進(jìn)行可行性分析 在選擇要進(jìn)行的變頻調(diào)速的設(shè)備對(duì)象以后，應(yīng)從提高效率或提高產(chǎn)品質(zhì)量的需要情況，從節(jié)約電能的情況進(jìn)行分析、計(jì)算，并與變頻器的投資進(jìn)行比較，計(jì)算出變頻器的投資回收期。一般來說，如能從節(jié)約的電費(fèi)或從提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高效率等方面所得的收益中，在兩年內(nèi)償還變頻器的投資，都應(yīng)認(rèn)為是可行的。同時(shí)還應(yīng)分析外部條件是否滿足變頻器的使用要求。 （3） 變頻器的可靠性 變頻器的可靠性如何，直接決定了變頻器能否成功地應(yīng)用于生產(chǎn)。這是選擇哪種變頻器的首要條件。有的礦山所購買的變頻器可靠性不高，加之自身的維修技術(shù)力量不強(qiáng)，變頻器出了故障，只好仃下，甚至棄用。造成損失，同時(shí)也為變頻器的繼續(xù)推廣應(yīng)用帶來負(fù)面影響。 （4） 根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的技術(shù)規(guī)格和技術(shù)參數(shù)來選擇變頻器在按工藝要求、電源條件、場(chǎng)地及容量等選擇了變頻器方案后，再具體到選擇哪個(gè)廠家的哪種高壓變頻器。在選擇變頻器時(shí)可以根據(jù)廠家提供的產(chǎn)品樣本等技術(shù)資料及報(bào)價(jià)表來選擇。 變頻器的制造廠家和經(jīng)銷商都會(huì)向準(zhǔn)備購買變頻器的用戶提供樣本及報(bào)價(jià)。在樣本中，廠家公開說明其產(chǎn)品種類、特性、技術(shù)指標(biāo)和特點(diǎn)，用戶在訂貨前通過對(duì)產(chǎn)品樣本資料可以對(duì)其產(chǎn)品有大概了解。因此對(duì)產(chǎn)品樣本的閱讀和了解是比較各廠家變頻器性能的重要依據(jù)。 4.2 主要應(yīng)考慮的技術(shù)規(guī)格和技術(shù)參數(shù) （1） 型號(hào) 各廠家生產(chǎn)的變頻器的型號(hào)多是系列號(hào)和容量的組合，通過對(duì)型號(hào)和規(guī)格得了解， 可以確認(rèn)該廠家生產(chǎn)的品種，對(duì)用戶來說，不一定會(huì)使用到全系列的變頻器，但可以從型號(hào)、規(guī)格、所采用的功率元件、控制技術(shù)等方面判斷廠家的實(shí)力和生產(chǎn)態(tài)勢(shì)，甚至可以從一個(gè)方面判斷其產(chǎn)品質(zhì)量。產(chǎn)品品種齊全，容量覆蓋范圍大，功率元件及控制技術(shù)先進(jìn)的廠家，一般來說其實(shí)力強(qiáng)，生產(chǎn)態(tài)勢(shì)好，產(chǎn)品質(zhì)量一般來說也會(huì)有較好的保障。 （2） 效率 變頻器效率的高低，直接關(guān)系到變頻器調(diào)速節(jié)能的多少，因?yàn)樵谧冾l器運(yùn)行時(shí)，變頻 器本體也要消耗一部分電能。一般來說直接高壓變頻器的效率都可達(dá)到0.97～0.98,而高-低-高式高壓變頻器由于多一個(gè)變壓器的損耗，使其系統(tǒng)效率有所降低。 （3） 功率因數(shù) 在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)，功率因數(shù)的變化是一項(xiàng)重要指標(biāo)。最好是在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)功率因數(shù)都保持在0.95以上，以使其符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB3485-83的標(biāo)準(zhǔn)，這只有電壓型變頻器和IGBT單相變頻器串聯(lián)的高壓變頻器能夠滿足此項(xiàng)規(guī)定。而電流型變頻器較難滿足這項(xiàng)要求。 （4） 諧波 國家對(duì)電網(wǎng)諧波有嚴(yán)格要求。限制用戶非線性諧波設(shè)備注入電網(wǎng)的諧波電流，是限制電網(wǎng)電壓正弦波畸變的關(guān)鍵。所用的高壓變頻器的諧波（即裝置對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波）必須符合國標(biāo)GB/T14549-93“電能質(zhì)量、公用電網(wǎng)諧波”的規(guī)定，在國際上要符合IEEE-519標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。對(duì)于電流型變頻器如采用六脈沖整流，則5次、7次諧波都超過了這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)采用12脈沖整流或附加諧波補(bǔ)償措施。 （5） 輸出容量和額定輸出電流 變頻器輸出容量以kVA或kW表示，它代表可以供給電動(dòng)機(jī)的輸出功率。用kW表示時(shí)，一般以四極標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)為基礎(chǔ)考慮;用kVA表示，需進(jìn)行核算。額定輸出電流是在額定電壓下變頻器能夠連續(xù)輸出的電流值。在以輸出容量為標(biāo)準(zhǔn)選擇了變頻器以后，還應(yīng)對(duì)額定輸出電流進(jìn)行核算，以使電動(dòng)機(jī)的額定電流不要超過變頻器的額定輸出電流。 （6） 率范圍 由最低使用頻率和最高頻率定義調(diào)速范圍。最低使用頻率的意思與起動(dòng)頻率不同。起動(dòng)頻率很小時(shí)，并不一定能使電機(jī)從該頻率起動(dòng)。變頻器要對(duì)最高頻率設(shè)定，對(duì)風(fēng)機(jī)、水泵的最高頻率應(yīng)設(shè)定（即箝位）在50Hz，所有的變頻器都可滿足這個(gè)要求，在選擇變頻器時(shí)可不作考慮，但使用中需注意此點(diǎn)。 （7） 電源容量和允許電壓變化范圍 供給變頻器的電源容量應(yīng)足夠大，電源電壓變化范圍應(yīng)在變頻器允許的范圍。用戶在選擇變頻器時(shí)應(yīng)根據(jù)自己電網(wǎng)容量及電網(wǎng)電壓的變化情況，對(duì)變頻器進(jìn)行選擇。曾有一個(gè)礦山因電壓波動(dòng)范圍超過了變頻器的允許范圍，而使變頻器不能正常應(yīng)用。 （8） 保護(hù)功能 變頻器樣本中一般表明其保護(hù)功能，這是為了檢測(cè)出變頻器的異常情況和防止外部原因及內(nèi)部異常對(duì)變頻器造成損害，保護(hù)變頻器正常運(yùn)行和變頻器安全可靠。因此保護(hù)種類是否齊全、完善，從一個(gè)方面反映變頻器質(zhì)量和運(yùn)行的安全可靠性。 （9） 價(jià)格 變頻器價(jià)格是用戶最關(guān)心的問題之一，用戶應(yīng)了解廠家或經(jīng)銷商所報(bào)出的價(jià)格的具體含義和具體內(nèi)容，及服務(wù)內(nèi)容，以及任選件價(jià)格等。還應(yīng)與其它廠家的變頻器進(jìn)行綜合比較。 5 結(jié)束語 《中華人民共和國節(jié)約能源法》第39條，已將變頻調(diào)速技術(shù)列為通用節(jié)能技術(shù)加以推廣。在礦山推廣應(yīng)用變頻器節(jié)能是重要目的之一，如風(fēng)機(jī)、水泵;同時(shí)也有提高生產(chǎn)效率、降低維修工作量、提高產(chǎn)品質(zhì)量等目的，如電鏟、牙輪鉆機(jī)、礦井提升機(jī)等。在礦山應(yīng)用變頻器和其它工業(yè)部門有相同之處，也有不同之處，如電鏟、牙輪鉆機(jī)、礦井提升機(jī)等設(shè)備應(yīng)用變頻器有一豺特殊要求，所用的變頻器還有一些技術(shù)開發(fā)工作要做。建議有關(guān)科研院所、變頻器生產(chǎn)廠家和礦山用戶共同合作，開發(fā)我國礦山設(shè)備使用的變頻器。 本文的目的在于拋磚引玉。由于作者的水平有限，資料不夠，經(jīng)驗(yàn)不足，所述內(nèi)容錯(cuò)誤之處在所難免，所論觀點(diǎn)也屬一孔之見，歡迎讀者和朋友們批評(píng)指正。