变频器调速技术在煤矿空气压缩机上的研究与应用.doc

变频器调速技术在煤矿空气压缩机上的研究与应用 任立庆 （铁能集团大明煤矿） 摘 要简要介绍了空气压缩机的工作原理，阐述了由变频器调速技术改造后的新自动控制系统，通过闭环控制实现系统恒压供气控制。减少了压缩机启停次数，降低了耗电量和机械磨损，延长了机械使用寿命。 关键词变频调速；节能；空气压缩机 1. 引言 随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用以及控制技术的发展，变频器的性能价格比越来越高、体积越来越小、运行可靠性越来越高。变频器大有取代传统电磁调速的趋势。由于变频调速在风机和泵类负载上的应用具有显著的节能效果，并且具有无冲击启动和软停机的优良控制特性，因此变频器首先在冶金、电力、石化、供热和民用风机水泵的控制领域得到广泛的应用。 由于煤矿生产的特殊环境和安全上的特殊要求，变频器在煤矿的应用起步比较晚。随着我国市场经济的深入发展，煤矿的增产、降耗、提效被提到了重要地位，设备节能改造势在必行。变频调速在煤矿企业也有了一定的应用，并取得了较好的效果。 2. 变频调速在空气压缩机上的应用 2.1 煤矿空气压缩机概述 空气压缩机配套的排气压力调节装置，多数为关闭进气管式压力调节器，其工作原理是当储气罐风包内空气压力超过设定压力8mpa时，压缩机进气管上碟阀自动关闭，压缩机进入空转卸荷状态。当储气罐内空气压力低于设定压力4mpa时，压缩机进气管碟阀自动开启，压缩机又进入满载工作状态。空气压缩机的排气量和压力，在运转中也不是不变的，常因所使用风动机械和风动工具的台数多少而变化，所以空气压缩机工作时总是在重复满载-卸荷工作方式。满载时的工作电流接近电动机的额定电流,卸荷时的空转电流约为30-50％电动机额定电流,这部分电流不是做有用功,而是机械在额定转速下的空转损耗。这种机械式调节装置虽然也能起到压力调节作用，但是压力调节精度低，压力波动大,压缩机总是在额定转速下工作，机械磨损大，电耗高。 根据空气压缩理论,在空气压缩机的汽缸容积不能改变的条件下，只有调节压缩机的转速能改变排气量，空气压缩机是恒转矩负载，压缩机轴功率与转速呈正比变化,在压缩机总排气量大于风动工具用气量时，通过降低压缩机转速调节供风压力，是达到压缩机经济运行的有效方法。在可以选用的压缩机变极电动机、改变皮带轮传动比、串极调速等调速方法中，变频调速与其他调速方法相比，具有无极调速、容易实现自动控制、不用改变设备结构和安装量小的特点。 变频调速的优点是压力给定方便，根据用气量的变化随时调整设定值，能够实现压力闭环运行，实现压缩空气的恒压供应。 2.2 空气压缩机选用变频器时的有关要求 空气压缩机属于恒转矩类负载，压缩机选用变频器拖动的主要目的是按需要的用风量，合理调节供气压力的设定值，实现稳压节能运行。按配套电动机额定功率选用相同容量的恒转矩变频器。变频器要有内置pid调节功能和420ma或010v摸拟信号接口，使用地点的电压变动率要在变频器允许输入电压范围内。 2.3 煤矿空气压缩机应用举例 大明煤矿空气压缩机站安装三台螺杆式空气压缩机，（两台工作、一台备用）额定排气量60m3/min、排气压力8mpa，配用电动机功率338kw，工作电压6kv。实际运行中, 最大用气量期间，需要两台压缩机运行，用风量最小期间，一台压缩机运行。 选用恒转矩类通用变频器一台，并利用变频器的可编程继电器，组成一台变频器控制两台压缩机的恒压自动供气系统。控制系统框图见图1所示。变频器vvvf控制1空气压缩机，压力变送器安装在总排风管上，反馈输出420ma信号接入配电器pd，经pd输出两路420ma信号，一路去数显压力表，另一路做为反馈信号接入变频器电流输入口cci；变频器输出继电器y1、y2通过转换开关接2、3压缩机控制箱的运行、停止回路;变频控制设计有自动、手动两种工作方式，通过选择开关sa转换；选择手动控制方式时，通过电位器rs给定频率，人工调节供风压力，选择自动运行时，通过键盘设定供风压力，变频器内的pi调节器随时检测和比较反馈压力和设定压力，实现压力闭环调节，当反馈压力大于设定压力时，驱动压缩机减速，使供风压力趋于设定压力；当反馈压力小于设定压力时，驱动压缩机增速，使供风压力趋向设定值；当变频器输出频率达到50hz时，供风压力仍然小于设定压力时，继电器y1启动2或3压缩机，保持系统压力恒定。用风量减少时，变频器降低输出频率，当频率低于下限频率时，继电器y2停止2或3压缩机;通过闭环控制实现系统恒压控制。 图1 压缩机恒压供气控制框图 按上述要求设计的压缩机变频调速系统，充分运用了变频器的可编程控制功能，节省了一台可编程控制器和调节器，实现用最少的控制元件，达到恒压供气的目的。压缩机变频改造后运行平稳，工作压力设定为6mpa，由变频器控制1、2空气压缩机自动运行，实测日耗电量改造前6520kwh，改造后约6170kwh，年节约电量12.8Wkwh，年节约电费约9.97万元，投入回收期3年。 设备改造后实现了供风压力闭环控制，减少了压缩机启停次数，减轻操作人员劳动强度，降低了耗电量和机械磨损，延长了机械使用寿命。 3. 变频器在煤矿井下的应用与展望 在煤矿井下大量应用的局部扇风机、皮带运输机等设备也都需要变频调速运行，尤其是局部扇风机更需要调速运行，轴流式局部扇风机的额定功率有5.5、11、15、18.5kw等几种规格。局部扇风机使用时，经常采用进风口挡板调节风量。这种调节方式造成了大量的电能浪费。煤矿隔爆型电气设备，按隔爆壳内气体压力分类，有正压和常压之分，现在井下使用的多数是常压型，应用间隙隔爆技术制造的设备。生产隔爆型变频装置的关键是将变频器装进隔爆壳内，并通过专业试验部门的检验。井下隔爆变频装置需要解决电气爬电、功率器件散热、安全控制等技术问题，解决隔爆变频装置冷却问题的有效途径是 1 将小功率变频器的散热片安装在隔爆壳外部，因为井下空气温度比较低，靠自然冷却； 2 将功率器件的散热片安装在隔爆壳外部，另外安装风扇吹风冷却，如局部扇风机的变频装置，可以将变频装置与风机一体化，利用风机的风量自行冷却； 3 变频器隔爆壳外附水冷却器，接井下消尘水管进行水冷。 4. 结束语 我国是世界上的产煤大国，又是能源贫乏的国家之一，而且也是吨煤电耗比较高的国家。我们要创造出一条以低能耗实现现代化的新路，节能降耗实为明智之举。如果煤矿井下需要调速的设备，多数能使用变频调速装置，节约能源的效果将是非常可观的。 参考文献 [1]李虹.变频调速在矿山节能中的应用.电子工业出版社，2001. [2]王仁祥.通用变频器选型与维修技术.中国电力出版社，1997. [3]白晶.交流调速控制系统.电子工业出版社，2003. [4]王占奎.变频调速应用百例.北京科学出版社，1999. 作者简介任立庆（1967），男，1993年毕业于抚矿工学院，机械工程师，国家注册安全工程师。现任大明煤矿矿办主任。 4