变频调速技术在南屯矿选煤厂的应用

1 概述

随着大功率晶体管(GTR)和绝缘栅双极晶体管(IGBT)等电力电子器件的大量生产，变频技术得到了迅猛发展，并迅速应用到各个领域生产之中，这不仅提高了设备的自动化程度，而且促进了生产工艺的发展，同时还具有较高的节能效果，经济效益和社会效益都比较明显。

在选煤厂的常用设备中，有很多设备在运行期间运行参数是变化不定的，如水泵、风机、跳汰机排料装置、给煤机等。因此，为了满足生产工艺要求，就需要对上述设备的运行状况进行调节。

以水泵为例，由于水泵在运行期间流量变化不定，需要对泵的流量进行调节。目前采用的调节方式主要有两种：一是节流调节，二是变速调节。所谓节流调节是通过改变泵出口阀门的开启度来改变泵本身的特性曲线，达到调节流量的目的;而变速调节则是利用泵的流量与转速成正比的关系来改变泵本身的性能曲线达到调节流量的目的。前者是以增加阻力牺牲能量为代价的流量调节，当流量减少时，电机的输出功率并未随之减少，这些电能主要被消耗在出口阀门上，在阀门闸板上产生应力集中及悬浮液流速加快，从而加剧了阀门和管路的磨损。造成故障多，维修量大，致使选煤成本居高不下，影响了企业的经济效益。据统计，泵、阀门、管路故障率及维护材料费用占全厂费用的40%以上。从节能的观点来看，采用变速调节控制泵的流量是科学而经济的，特别是当电机功率较大时，其节能效果更显著。根据流体机械力学原理及选煤厂的设备实际运行状况，使用变速调节的节能率可达到30%以上，设备寿命可增加40%以上。变速调节的方法很多，包括调压变速、电磁调速、变极调速和变频调速等，通过分析研究，最适合选煤厂自动化要求的还是变频调速技术。推而广之，选煤厂其他众多设备采用变频调速控制，亦能收到良好效果。

2 变频器电路结构及功能

变频器分为直接式和间接式两种，其中间接式变频器应用较广，主电路采用晶闸管三相桥式整流，经滤波器滤波后输出稳定的直流电压，逆变器将稳定的直流电压逆变成既可调压又可调频的三相交流电源，实现调节电机转速的目的。整个控制回路采用CPU进行速度、电流、电压调节，实现了实时控制、事故报警、显示等功能。

变频器既能内部控制，也能外部控制，通过设定操作可实现多种功能。其中保护功能有：过载保护、瞬时停电保护、过流保护、短路保护、欠压保护、直流过电压保护、过热保护、防失速保护及自身保护等，变频器设有多种U/f 曲线，通过选择，可获取所需转矩特性。通过频率设定功能可选择基准频率、上下限频率、启动频率、运转开始频率、制动开始频率等。通过加减速设定功能，可确定加减速模式、加减速时间等。配合各种传感器与PLC 接口，可实现开、停、正反转、速度选择自动控制等。

3 变频调速技术的原理及特点

由于异步电动机的同步转速与电源频率成正比，所以通过改变电源频率就可以改变电机的转速，这就是所谓的变频调速。由于变频调速基本上保持了异步电动机固有特性转差率小的特点，效率高、调节范围宽、精度高，并可实现无级调速，因此，它是异步电机比较理想的调速方法。

变频调速采用大功率晶体管逆变器和微机或变频PWM芯片控制脉冲调制技术，通过输出具有不同频率的电压和电流来改变交流电机的转速，从而达到调节设备运转状态的目的，变频调速具有如下特点。

1)机械性能好，启动转矩大，启动电流小。采用PWM正弦波脉冲调制方式，可使电动机的转矩脉动小，实现软启动，而且运行平稳，可以大大减少大功率电动机启动时对交流电网的冲击。

2)调速范围广，可实现平滑无级调速，精度高达0.5%，频率变化范围大，能广泛适应各种生产环节的需要。

3)节能效果显著，理论上节能可达30%～60%以上。

4)变频器留有各种标准接口，便于与压力、液位、流量传感器及微机系统连接，实现自动控制。

5)变频器安装容易、调试方便、操作简单。

6)在各种启动调速装置中，变频调速装置是唯一同时兼有启动和调速双重功能，并可与其他各种调速设备实现速度匹配的调速装置。

使用变频调速装置的意义在于：

1)可以利用各种传感器实现设备运转的在线实时控制，提高产品质量;

2)利用闭环工作方式，可以减少调整工作量和减少操作人员，提高工作效率;

3)就流体机械而言，与节流调速相比，节能效果显著;

4)利用变频调速实现节流，由于不再使用价格昂贵的浆液阀，因此也就不在存在阀门闸板上的应力集中问题，大大减少了维修工作量和维修费用，延长了设备寿命，降低了选煤成本。

4 变频调速技术在南屯矿选煤厂的应用实例

变频调速技术在南屯矿选煤厂主要用于各种水泵、跳汰机给煤机的调速，以及通过变频调速来实现各种不同种类的调速设备之间在生产能力上的匹配或工艺流程上的动态平衡。

4.1 在跳汰机中的应用

选煤生产所用跳汰机需要根据床层厚度及时调整排料速度，以保证分层就绪的床层在产品分离的过程中不再出现紊乱，减少污染，其核心问题是稳定分选密度和改善排出物料的成分。因此设计一种根据床层厚度来调整排料闸板排料速度的控制系统，很有必要。

采用PLC 和变频器对跳汰机两段排料实施微机控制，不仅功能齐全，操作方便，而且整个控制系统工作可靠。其控制方式为：采用不锈钢尖端浮漂及传感器二次仪表来测量床层厚度，其测量值送入PLC后与系统设定值进行比较，以此比较信号作为控制信号送变频器，来控制电机转速，从而实现自动调整排料速度的目的。

采用这种控制系统最主要的是要保证传感器信号能正确反映床层厚度，当原煤数量、质量出现过大变化，导致床层信号与排料量间的关系发生变化时，必须及时调整控制系统。只要排料系统能正常工作，就可实现稳定床层厚度，稳定分选密度的目的。

4.2 在给料机中的应用

在选煤生产中，需要通过调整给料机给料量的大小来满足工艺要求，如：煤仓给煤量按要求定比配装，跳汰机给煤量要均匀可调，满足产品质量指标要求等，在南屯矿选煤厂，跳汰机给料任务由LG系列链式给料机来完成，在控制系统中采用变频调速技术实现了这一目的。通过修改设定值改变变频调速系统频率输出，改变电机转速，实现调整给料量。

GZG给煤机采用2 台同一规格的ZG型惯性振动器为振源。根据简谐振动原理可知：谐振频率和谐振振幅都随着角速度的增大而增大，因此，通过手动或设定值改变变频调速系统输出值，调整电机转速，通过改变角速度来改变谐振频率与振幅，即改变箱体振动频率，使物料连续以箱体频率向前跳跃，达到调整给料量的目的。

4.3 控制加压过滤机给料泵转速

加压过滤机矿浆槽液位上限是按过滤性能最差的矿浆所需要的最短时间来确定的，矿浆槽液位下限则是按能完全浸没过滤件并能形成最小厚度滤饼来确定的。加压过滤机矿浆槽液位上限是需要严格控制的，不允许发生溢流。

根据泵的性能公式，我们知道流量q 与转速n成正比，因此，可采用变频调速技术控制泵的转速从而调节流量。

矿浆槽液位高低通过储浆槽压力变送器送给二次仪表，输出DC 4~20 mA 信号，在信号隔离器内转变为DC 1~5 V信号，而后送入液位调节器进行比较放大，输出DC 4~20 mA信号，控制变频器频率，从而达到控制给料量的目的。如果储浆槽液位超过预先设定值时，电动执行器动作，执行放空。

在功能设定时，采用恒转矩方式，下限频率设为10 Hz，上限频率设为50 Hz，加速时间要设定得长一些，减速时间要设定得短一些。这样，需要增大流量时，不致因增大过快而产生溢流;储浆槽液位超限时，又能迅速减小流量，避免溢流。

变频调速技术在我厂应用十分普遍，我们正准备实施罗茨风机变频改造，利用变频调速技术稳定风压，达到提高分选效率、稳定产品质量的目的。

5 应用变频调速技术的原则

变频调速技术是一种高效率的调速技术，但在选煤生产中使用时，一定要注意变频装置的安装位置和操作环境，要进行正确的功能设定，特别要注意启动转矩，在使用前要认真检查核对所匹配设备的负载转矩特性和电机驱动特性。选择应用变频调速技术的原则：

1)工艺优先，要保证工艺的重要参数，并可利用现代传感技术，实现变频器的自动控制;

2)优化保障工艺次要环节，同时要利用现代传感器技术，实现自动控制;

3)实现系统闭环控制，做到减人提效，提高产品质量;

4)工艺能力最大化，可以充分利用资源，降低成本，增加经济效益。

6 结语

南屯煤矿选煤厂自进行技术改造，大量采用了自动测控技术和变频调速技术后，取得的效果显著，系统维护费用、电费等均大大降低，吨煤成本较改造前下降了1元左右，年节约成本240万元左右。

实践证明，变频调速技术在选煤生产中的应用是十分成功的，有其独特的优点和完善的功能，尤其与PLC 接口可组成一个闭环调速控制系统，使工艺设备运行方式更趋合理，自动化程度更高，值得推广和借鉴。