變頻調速技術(shù)在南屯礦選煤廠(chǎng)的應用

1 概述

隨著(zhù)大功率晶體管(GTR)和絕緣柵雙極晶體管(IGBT)等電力電子器件的大量生產(chǎn)，變頻技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，并迅速應用到各個(gè)領(lǐng)域生產(chǎn)之中，這不僅提高了設備的自動(dòng)化程度，而且促進(jìn)了生產(chǎn)工藝的發(fā)展，同時(shí)還具有較高的節能效果，經(jīng)濟效益和社會(huì )效益都比較明顯。

在選煤廠(chǎng)的常用設備中，有很多設備在運行期間運行參數是變化不定的，如水泵、風(fēng)機、跳汰機排料裝置、給煤機等。因此，為了滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝要求，就需要對上述設備的運行狀況進(jìn)行調節。

以水泵為例，由于水泵在運行期間流量變化不定，需要對泵的流量進(jìn)行調節。目前采用的調節方式主要有兩種：一是節流調節，二是變速調節。所謂節流調節是通過(guò)改變泵出口閥門(mén)的開(kāi)啟度來(lái)改變泵本身的特性曲線(xiàn)，達到調節流量的目的;而變速調節則是利用泵的流量與轉速成正比的關(guān)系來(lái)改變泵本身的性能曲線(xiàn)達到調節流量的目的。前者是以增加阻力犧牲能量為代價(jià)的流量調節，當流量減少時(shí)，電機的輸出功率并未隨之減少，這些電能主要被消耗在出口閥門(mén)上，在閥門(mén)閘板上產(chǎn)生應力集中及懸浮液流速加快，從而加劇了閥門(mén)和管路的磨損。造成故障多，維修量大，致使選煤成本居高不下，影響了企業(yè)的經(jīng)濟效益。據統計，泵、閥門(mén)、管路故障率及維護材料費用占全廠(chǎng)費用的40%以上。從節能的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，采用變速調節控制泵的流量是科學(xué)而經(jīng)濟的，特別是當電機功率較大時(shí)，其節能效果更顯著(zhù)。根據流體機械力學(xué)原理及選煤廠(chǎng)的設備實(shí)際運行狀況，使用變速調節的節能率可達到30%以上，設備壽命可增加40%以上。變速調節的方法很多，包括調壓變速、電磁調速、變極調速和變頻調速等，通過(guò)分析研究，最適合選煤廠(chǎng)自動(dòng)化要求的還是變頻調速技術(shù)。推而廣之，選煤廠(chǎng)其他眾多設備采用變頻調速控制，亦能收到良好效果。

2 變頻器電路結構及功能

變頻器分為直接式和間接式兩種，其中間接式變頻器應用較廣，主電路采用晶閘管三相橋式整流，經(jīng)濾波器濾波后輸出穩定的直流電壓，逆變器將穩定的直流電壓逆變成既可調壓又可調頻的三相交流電源，實(shí)現調節電機轉速的目的。整個(gè)控制回路采用CPU進(jìn)行速度、電流、電壓調節，實(shí)現了實(shí)時(shí)控制、事故報警、顯示等功能。

變頻器既能內部控制，也能外部控制，通過(guò)設定操作可實(shí)現多種功能。其中保護功能有：過(guò)載保護、瞬時(shí)停電保護、過(guò)流保護、短路保護、欠壓保護、直流過(guò)電壓保護、過(guò)熱保護、防失速保護及自身保護等，變頻器設有多種U/f 曲線(xiàn)，通過(guò)選擇，可獲取所需轉矩特性。通過(guò)頻率設定功能可選擇基準頻率、上下限頻率、啟動(dòng)頻率、運轉開(kāi)始頻率、制動(dòng)開(kāi)始頻率等。通過(guò)加減速設定功能，可確定加減速模式、加減速時(shí)間等。配合各種傳感器與PLC 接口，可實(shí)現開(kāi)、停、正反轉、速度選擇自動(dòng)控制等。

3 變頻調速技術(shù)的原理及特點(diǎn)

由于異步電動(dòng)機的同步轉速與電源頻率成正比，所以通過(guò)改變電源頻率就可以改變電機的轉速，這就是所謂的變頻調速。由于變頻調速基本上保持了異步電動(dòng)機固有特性轉差率小的特點(diǎn)，效率高、調節范圍寬、精度高，并可實(shí)現無(wú)級調速，因此，它是異步電機比較理想的調速方法。

變頻調速采用大功率晶體管逆變器和微機或變頻PWM芯片控制脈沖調制技術(shù)，通過(guò)輸出具有不同頻率的電壓和電流來(lái)改變交流電機的轉速，從而達到調節設備運轉狀態(tài)的目的，變頻調速具有如下特點(diǎn)。

1)機械性能好，啟動(dòng)轉矩大，啟動(dòng)電流小。采用PWM正弦波脈沖調制方式，可使電動(dòng)機的轉矩脈動(dòng)小，實(shí)現軟啟動(dòng)，而且運行平穩，可以大大減少大功率電動(dòng)機啟動(dòng)時(shí)對交流電網(wǎng)的沖擊。

2)調速范圍廣，可實(shí)現平滑無(wú)級調速，精度高達0.5%，頻率變化范圍大，能廣泛適應各種生產(chǎn)環(huán)節的需要。

3)節能效果顯著(zhù)，理論上節能可達30%～60%以上。

4)變頻器留有各種標準接口，便于與壓力、液位、流量傳感器及微機系統連接，實(shí)現自動(dòng)控制。

5)變頻器安裝容易、調試方便、操作簡(jiǎn)單。

6)在各種啟動(dòng)調速裝置中，變頻調速裝置是唯一同時(shí)兼有啟動(dòng)和調速雙重功能，并可與其他各種調速設備實(shí)現速度匹配的調速裝置。

使用變頻調速裝置的意義在于：

1)可以利用各種傳感器實(shí)現設備運轉的在線(xiàn)實(shí)時(shí)控制，提高產(chǎn)品質(zhì)量;

2)利用閉環(huán)工作方式，可以減少調整工作量和減少操作人員，提高工作效率;

3)就流體機械而言，與節流調速相比，節能效果顯著(zhù);

4)利用變頻調速實(shí)現節流，由于不再使用價(jià)格昂貴的漿液閥，因此也就不在存在閥門(mén)閘板上的應力集中問(wèn)題，大大減少了維修工作量和維修費用，延長(cháng)了設備壽命，降低了選煤成本。

4 變頻調速技術(shù)在南屯礦選煤廠(chǎng)的應用實(shí)例

變頻調速技術(shù)在南屯礦選煤廠(chǎng)主要用于各種水泵、跳汰機給煤機的調速，以及通過(guò)變頻調速來(lái)實(shí)現各種不同種類(lèi)的調速設備之間在生產(chǎn)能力上的匹配或工藝流程上的動(dòng)態(tài)平衡。

4.1 在跳汰機中的應用

選煤生產(chǎn)所用跳汰機需要根據床層厚度及時(shí)調整排料速度，以保證分層就緒的床層在產(chǎn)品分離的過(guò)程中不再出現紊亂，減少污染，其核心問(wèn)題是穩定分選密度和改善排出物料的成分。因此設計一種根據床層厚度來(lái)調整排料閘板排料速度的控制系統，很有必要。

采用PLC 和變頻器對跳汰機兩段排料實(shí)施微機控制，不僅功能齊全，操作方便，而且整個(gè)控制系統工作可靠。其控制方式為：采用不銹鋼尖端浮漂及傳感器二次儀表來(lái)測量床層厚度，其測量值送入PLC后與系統設定值進(jìn)行比較，以此比較信號作為控制信號送變頻器，來(lái)控制電機轉速，從而實(shí)現自動(dòng)調整排料速度的目的。

采用這種控制系統最主要的是要保證傳感器信號能正確反映床層厚度，當原煤數量、質(zhì)量出現過(guò)大變化，導致床層信號與排料量間的關(guān)系發(fā)生變化時(shí)，必須及時(shí)調整控制系統。只要排料系統能正常工作，就可實(shí)現穩定床層厚度，穩定分選密度的目的。

4.2 在給料機中的應用

在選煤生產(chǎn)中，需要通過(guò)調整給料機給料量的大小來(lái)滿(mǎn)足工藝要求，如：煤倉給煤量按要求定比配裝，跳汰機給煤量要均勻可調，滿(mǎn)足產(chǎn)品質(zhì)量指標要求等，在南屯礦選煤廠(chǎng)，跳汰機給料任務(wù)由LG系列鏈式給料機來(lái)完成，在控制系統中采用變頻調速技術(shù)實(shí)現了這一目的。通過(guò)修改設定值改變變頻調速系統頻率輸出，改變電機轉速，實(shí)現調整給料量。

GZG給煤機采用2 臺同一規格的ZG型慣性振動(dòng)器為振源。根據簡(jiǎn)諧振動(dòng)原理可知：諧振頻率和諧振振幅都隨著(zhù)角速度的增大而增大，因此，通過(guò)手動(dòng)或設定值改變變頻調速系統輸出值，調整電機轉速，通過(guò)改變角速度來(lái)改變諧振頻率與振幅，即改變箱體振動(dòng)頻率，使物料連續以箱體頻率向前跳躍，達到調整給料量的目的。

4.3 控制加壓過(guò)濾機給料泵轉速

加壓過(guò)濾機礦漿槽液位上限是按過(guò)濾性能最差的礦漿所需要的最短時(shí)間來(lái)確定的，礦漿槽液位下限則是按能完全浸沒(méi)過(guò)濾件并能形成最小厚度濾餅來(lái)確定的。加壓過(guò)濾機礦漿槽液位上限是需要嚴格控制的，不允許發(fā)生溢流。

根據泵的性能公式，我們知道流量q 與轉速n成正比，因此，可采用變頻調速技術(shù)控制泵的轉速從而調節流量。

礦漿槽液位高低通過(guò)儲漿槽壓力變送器送給二次儀表，輸出DC 4~20 mA 信號，在信號隔離器內轉變?yōu)镈C 1~5 V信號，而后送入液位調節器進(jìn)行比較放大，輸出DC 4~20 mA信號，控制變頻器頻率，從而達到控制給料量的目的。如果儲漿槽液位超過(guò)預先設定值時(shí)，電動(dòng)執行器動(dòng)作，執行放空。

在功能設定時(shí)，采用恒轉矩方式，下限頻率設為10 Hz，上限頻率設為50 Hz，加速時(shí)間要設定得長(cháng)一些，減速時(shí)間要設定得短一些。這樣，需要增大流量時(shí)，不致因增大過(guò)快而產(chǎn)生溢流;儲漿槽液位超限時(shí)，又能迅速減小流量，避免溢流。

變頻調速技術(shù)在我廠(chǎng)應用十分普遍，我們正準備實(shí)施羅茨風(fēng)機變頻改造，利用變頻調速技術(shù)穩定風(fēng)壓，達到提高分選效率、穩定產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

5 應用變頻調速技術(shù)的原則

變頻調速技術(shù)是一種高效率的調速技術(shù)，但在選煤生產(chǎn)中使用時(shí)，一定要注意變頻裝置的安裝位置和操作環(huán)境，要進(jìn)行正確的功能設定，特別要注意啟動(dòng)轉矩，在使用前要認真檢查核對所匹配設備的負載轉矩特性和電機驅動(dòng)特性。選擇應用變頻調速技術(shù)的原則：

1)工藝優(yōu)先，要保證工藝的重要參數，并可利用現代傳感技術(shù)，實(shí)現變頻器的自動(dòng)控制;

2)優(yōu)化保障工藝次要環(huán)節，同時(shí)要利用現代傳感器技術(shù)，實(shí)現自動(dòng)控制;

3)實(shí)現系統閉環(huán)控制，做到減人提效，提高產(chǎn)品質(zhì)量;

4)工藝能力最大化，可以充分利用資源，降低成本，增加經(jīng)濟效益。

6 結語(yǔ)

南屯煤礦選煤廠(chǎng)自進(jìn)行技術(shù)改造，大量采用了自動(dòng)測控技術(shù)和變頻調速技術(shù)后，取得的效果顯著(zhù)，系統維護費用、電費等均大大降低，噸煤成本較改造前下降了1元左右，年節約成本240萬(wàn)元左右。

實(shí)踐證明，變頻調速技術(shù)在選煤生產(chǎn)中的應用是十分成功的，有其獨特的優(yōu)點(diǎn)和完善的功能，尤其與PLC 接口可組成一個(gè)閉環(huán)調速控制系統，使工藝設備運行方式更趨合理，自動(dòng)化程度更高，值得推廣和借鑒。