变频器节能原理及在煤矿生产中的应用

摘 要 本文简述了变频器的基本工作原理，详细介绍了变频器调速技术的节能原理和节能方法，并通过变频器在煤矿生产中的具体应用，说明了变频器具有较好的节能节电效果，在煤矿安全生产和用电安全方面具有较大的应用潜力。

在煤炭工业生产中，大功率设备的使用是煤矿企业扩大产能、提高效益的重要保障，然而，这类设备运行电流大，启动电流数倍于额定电流，不仅造成对上游电网的冲击，而且加快了设备自身绝缘材料以及绕组（电枢）的老化，大大降低设备使用寿命。传统的对轮连接（硬连接）、液力耦合器连接、摩擦式离合器连接等传动方式，因过负荷能力太差经常造成供电设备保护失灵和电动机损坏等，不仅浪费资源，而且安全保障水平低。双速电机的应用虽然有效地解决了启动电流大的问题，但其双绕组特性又带来两趟电缆供电、贵金属成倍消耗造成的浪费。因此，发展和推广应用变频节能技术是煤矿企业节能降耗，提高效益，促进安全生产，实现跨越发展的现实要求。

关键词 变频器；节能远离；煤矿生产应用

中图分类号：F407 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）11-0000-00

1 变频器工作原理简述

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将电源工频变换为另一频率的电能控制装置。它是按一定规律通过改变脉冲列的脉冲宽度或幅度，来调节输出量和波形，从而实现电动机电压和频率的平滑变化。

变频器调速技术的基本原理是根据电动机转速与工作电源输入频率成正比的关系：n=60f（1-s）/p

式中：n——转速；

f——输入频率；

S——电动机转差率；

p——电动机磁极对数。

电动机的磁极对数虽然可以根据绕组大小而变化，但是其速度的改变不能在一台电动机的同一个绕组内实现。双绕组电动机通过切换绕组电源虽然实现了速度调整，但速度变化大，对设备运行造成的冲击较大，且电机自身的双绕组特性决定了贵金属的成倍消耗和维修成本的大幅增加。由公式可见，改变电动机工作电源频率可以达到改变电机转速的目的。变频器就是基于上述原理采用交-直-交（或交-交）电源变换技术，电力电子、微电脑控制等技术于一身的综合性电气产品。交-交变频系统功率因数较低，在启动、运行中将会产生较大的高次谐波，对电网污染大，目前大功率动力设备应用较少。交-直-交变频系统由于在装置中设有滤波单元和补偿单元，功率因数接近于1，高次谐波分量很小，不会造成谐波污染，应用前景十分广阔。

2 变频节能原理简要分析

2.1 变频降速节能

为了保证生产的可靠性，各种生产机械在选型设计中配备的电机，一般预留出合适的富余量。假如电机运转时是满负荷的状态，那么多余的力矩会加大有功功率的消耗。电能便会由于此种原因产生浪费；为了节约电能，我们可以降低电机的动转速度，使其恒压。从而达到理想效果。

当电机转速从N1降到N2时，其电机轴功率P的变化关系如下：

P2/P1=（N2/N1）3，由此可见降低电机转速可得到三次幂级的节能效果。

2.2 动态调整节能

测控元件具有强大的遥测感应功能，我们可以充分利用此功能，以最快的时间适应负载变动，从而把工作电压的效率最大化。变频调节器的输出率为5000次/秒，使电机的运行始终保持最高效率。

2.3 通过变频自身的V/f功能节能

电压—频率协调控制分为基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。基频以下是恒转矩调速，基频以上是恒功率调速，其基本要求是要保持电机气隙磁通基本恒定。因此，频率变化的同时，电机工作电压也要相应变化，这种性质就是感应电动机变压变频调速的控制特性。在保证电机输出力矩的情况下，可自动调节V/f曲线。减少电机的输出力矩，降低输入电流，达到节能效果。

2.4 变频器自带软启动节能

电机在全压的情况下启动时，由于在启动时要求必须要有一定的力矩，这时电网中6-7倍的额定电流要被吸收，超出额定的启动电流，就会致使电力浪费，电压波动便会损害，损耗加剧。但是，在使用了软启动后，状况则大大改观，启动电流从0——Ie进行平滑调节，电网被大的启动电流的冲击减小，亦减小了大启动产生的惯性对设备转速的冲击，同时，设备的使用寿命得到延长。

2.5 提高功率因数节能

力矩产生的原因是电机的定子和转子通过电磁作用而产生的。就拿电网来说，绕组因为具有感抗的特殊性质，显示感性。那么，电机在进行运转时，要吸收很多没有必要的多余的功率，即无功功率。所以会产生造成功率因数低。在使用了变频节能调整器后，性能变化流程为：AC→DC→AC，经过整流滤波，负载对电网的阻抗特性显示阻性，功率因数因此会得到更大幅度的提高，从而减少了无功损耗。

3 实例分析

通风机是煤矿向井下输送气体的装置，采用变频器对通风机进行控制，属于减少空气动力的节能方法，它和一般常用的调节通风设施的方法比较，具有明显的节能效果。下图可以说明其节能原理：（下图：H表示压力，Q表示流量）

图中，曲线（1）为风机在恒定转速n1下的风压----风量（H―Q）特性曲线，曲线（2）为管网风阻特性（假定通风系统风门全开、所有调风设施畅通）曲线。

比如说，通风机工作效率的最高点设置在A点，那此这时的风压是H2 风量则是Q1，轴功率N1与Q1、H2的乘积呈现正比例，在上图中可以表示为面积AH2OQ1。生产系统因为调整的关系，风量也必须跟着调从Q1减到Q2，这时如果使用调节风门、通风设施的方式进行调整，无异于把管网的阻力加大了，管网的阻力特性改变为曲线（3），这时电机系统从原来的A点转换到B点进行运转。从上图中不难看出，风压呈增加趋势，面积BH1OQ2和轴功率成正比例。很明显，轴功率的下降幅度很小。如果使用变频器进行控制和调速，风机的转速则从n1减至n2，然后按照风机参数的比例定律，标画出在转速n2时的风压—风量（H―Q）特性曲线，图中（4）便是显示这一特性曲线。由此可见，在风量同样大的状态Q2时，风压H3则大大减小，轴功率则根据风压的减小而减少，表示为面积CH3OQ2。节省的功率为：△N=（H1-H3）×Q2，用面积BH1H3C表示。根据上面的比较，节能效果是非常显著的。

根据流体力学理论可知，风量和转速的一次方是正比关系，风压和转速的平方成正比关系，轴功率和转速的三次方是正比关系。通过变频器调速，当风量将至到80%时，转速也随之降到80%，当轴功率降到额定功率的51.2%，假设风量下降到60%，那么轴功率可下降到额定功率的21.6%，当然这些情况还需要综合考虑由转速降低引起的设备运行效率降低及附加控制装置的运行效率影响等因素。所以说，变频调速的运转方式在矿井主通风机的运用上的效果是非常明显的。

4 小结

变频器调速技术是我国重点推广的一项节能技术，已应用在多种行业的电机设备中。特别是在煤矿生产过程中，通风机、主排水泵、胶带输送机等设备驱动控制场合广泛使用变频器控制技术，节能效果非常显著。在我们企业，许多大功率设备都已经应用了变频加软启动技术，不仅取得了显著的节能效果，而且大幅度减少了大功率设备频繁启动对电网的电压冲击，有效提高了矿井供电的安全可靠性。

参考文献

[1]李方圆.变频器控制技术[M].北京：电子工业出版社，2010.

[2]张宗桐.变频器应用与配套技术[M].北京：中国电力出版社，2008.

[3]刘立.流体力学泵与风机第2版[M].中国电力出版社，2007.

作者简介

田维东（1968-），大学专科学历，机电工程师，现在甘肃靖远煤业集团公司机电运输部从事机电技术管理。

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