一、电机调速及拖动的应用矿井中的电机是耗能大户,并且集中在提升机、通风机、主排水泵、压缩机以及采煤机等几个大型电机上,耗能比较集中,这为电力电子技术改造提供了方便。我国在这方面的技术相对落后,以提升机的技术发展为例:提升机的电力拖动装置主要为交流和直流拖动装置两种,以TKD和JKMK系列提升机电控系统为主的交流提升电控系统在我国使用最为普遍,这些控制系统都是采用转子附加电阻来调速的。由于交流提升机在减速段机械特性软调速性能较差,后来又出现直流调速提升机,但在开始发展直流控制系统时电力电子技术特别是大功率电力电子元件及控制模块还不是很成熟,因此这种直流调速方案主要采用F-D系统(直流发电机拖动直流电动机)。

这种系统中拖动发电机的电动机除了检修以外,一般不停机,因此电能浪费严重。以某矿副井提升机为例:该矿副井提升机采用的是直流F-D直流拖动系统,提升电机的功率是1 250kW,为其提供直流电源的是功率为1 450kW的直流发电机,拖动发电机的是功率为1 600kW的交流同步电动机,在提升机进行电力电子技术改造前每个月的耗电量在40~45万kW·h之间。除此之外,整个控制系统仍然采用传统的继电器控制,所有参数也是模拟量,因此控制复杂、故障率高、参数易变、维护量大,每年的维修费用15万元左右,维修时间超过500h。该矿于2000年10月对电控系统进行改造,改造成电力电子整流直流调速系统,整套系统采用进口整流控制柜和PLC控制系统。改造后,每月电量消耗在20万kW·h左右,节能非常明显,两年内节约的电费就收回了项 目投资。同时控制系统数字化、模块化,结构紧凑、集成度高、故障率低、维护方便,年维修费用2万元以下,年维修时间200h左右。

节能效果良好,经济和社会效益明显。相对于直流调速系统,交流电机费用低、结构简单、维护方便,因此受到用户的青睐,特别是交流电机的变频调速性能和直流调速基本相似,因此变频调速的发展速度很快,并且有逐步取代直流调速的趋势。在发达国家,交流电机采用变频技术已经达到60%~70%,节能效果也非常明显。美国近年来推行电力电子技术,节能15%~20%。日本的电力电子技术推广最为普遍,因此日本是世界上国民生产总值电力能耗最低的国家。我国交流电机采用变频技术仅6%左右,因此,我国变频技术的发展还有很大空间。交流电机采用变频技术与直流电机采用直流调速性能基本相似,但是变频技术相对直流调速方案总体经济效益较好,这一点在电梯调速方面的成功应用可以得到验证。

国内除了少数几个煤炭企业在矿用提升机电气控制系统的改造方案采用了先进的电力电子技术以外(主要是直流调速系统),大多数煤矿特别是以前安装的提升机使用的仍然是旧式的交流系统,电机使用的额定电压以6 000V为主,因此直接使用变频器控制目前还有一定的难度,应用高压交流电机和高压变频调速的方案目前还没有一个成功应用的例子。随着变频技术的进步,具有内置式PID以及张力卷取软件、速度级链、速度跟随以及电流平衡等功能的大功率高压变频器技术的成熟,矿用提升机采用交流变频调速在技术上应该是可行的,我们可以以某大型冶金企业将电动机单机容量为950kW的直流调速方案和变频调速方案的比较作为参考(见下表)。从表中可以看出,变频调速方案比直流调速方案有优势。目前的矿用提升机交流电控系统除了调速性能不理想外,其转子串接的加速电阻也消耗部分电能,而且维修量大。

交流转子串电阻调速方案的全变频调速改造在低压电机已经有了成功应用。某矿地面矸石提升绞车电机为工作电压380V,功率125kW,原设计调速采用的是转子串电阻方式,该矿对其电控进行全变频改造,并且保留原系统,两套系统互为备用。该矿技术人员专门对两套系统的耗电情况进行了检测,全变频调速比串电阻调速节能20%~25%,节能效果明显,维修费用也大幅度降低。1983年以来,煤炭企业风机、水泵的节能改造取得了一定成效。风机、水泵属于平方根转矩设备,输入电压随频率的2次方降低,轴功率近似随转数的3次方降低,因此,可以选用风机泵类变频器,节能效果较明显。煤矿主通风机的风量需求是按照矿井终期来设计的,裕度较大。目前控制风量的办法是通过控制风门和调整风叶角度来控制,造成浪费,如果直接采用高压变频器,节能可达20%以上,而且也节省了调整风门或风叶的时间。另外,矿井的主压缩机和主排水泵设计都有节约电能的潜能。矿井采掘机械是煤矿的重要设备,是煤矿机械化装备程度的重要环节,由于这些设备的功率裕度大、负荷变化大,因此节能的潜力较大。特别是随着电力电子技术的迅速发展和成熟,采掘机械应用电力电子技术在发达国家已经非常普及。例如,发达国家已不再生产液压牵引采煤机,取而代之的是交流变频和直流电牵引采煤机,尤其以变频技术应用最为广泛。电牵引采煤机相对液压牵引采煤机,节能达到20%以上,同时也改善了电机的启动特性。

矿用刮板输送机和带式输送机是煤矿生产的重要设备之一,这些设备启动频繁,负荷变化大,目前使用的启动设备大多数采用普通磁力启动器配液压联轴器,启动效果不很理想,同时也无法达到节能效果。随着隔爆型变频器技术的成熟,矿用运输设备采用变频器是完全可行的,而且可以同时达到节能和软启动的目的。但是隔爆型变频器造价高,推广起来有一定的难度。不过现在国内有的企业通过和国外技术合作,引进或自制隔爆型节能软启动开关,这种开关造价比变频器低,还可以通过调整输出电压来达到节能的目的,在目前条件下,这种开关还是值得推广的。

二、电力电子技术的其它应用煤炭企业一般距离市区较远,因此煤矿工人村都有相对独立的物业管理体系,例如必须具备独立的供水系统。现在大多数矿山工人村采用的都是定时供水制,只在规定的时间内供水,供水的时候,就是用水的高峰期,每个用户还要用容器存一部分水备用,实际上并不一定能用完,长流水的地方也比较多,因此造成水资源和电能的浪费。另外,由于用水集中,为了保证有足够的水压,供水的水泵和电机都比较大,因此也造成了设备资源的浪费。

全自动无塔变频供水装置这项技术在全国推广使用已经好几年了,这项技术投资少,自动化程度高,同时还可以达到节水节能的目的,但是在煤炭企业应用还不是太广泛,许多企业还没有认识到其优势。

某矿工人村原来使用的也是定时供水制,自从改造成全自动无塔变频供水以后,节约水资源10%以上,节约电能15%以上,而且还可以保证全天候供水,方便了居民生活,经济和社会效果都很好。我国于1996年正式启动绿色照明计划,绿色照明计划的关键就是利用电力电子技术开发节能光源和节能灯具。煤矿井下大量使用照明,因此大规模推广使用节能灯具有着重要意义。以百万吨矿井生产照明用电容量为50kW计算,推行节能技术可节约电量15%,全国年产原煤12亿t,年节约电量近8 000万kW·h,细算起来是一个不小的数字。但是,我国在开发成本低、电磁污染低、可靠性高的性能先进的电子整流器方面,特别是能适应煤矿井下恶劣条件的先进节能灯具技术还不是很成熟。

电力电子技术的发展,为煤矿电力节能提供了很好的机遇,根据国外技术统计,电力电子技术的综合节能效果为10%~15%。当然,电力电子技术作为一项新技术投入的资金较多,在煤炭行业还没有彻底摆脱困境的情况下,全面推行电力电子技术目前有一定难度。但是,煤炭企业一定要把眼光放的更长远一点,在有条件的基础上推行电力电子技术,否则错过了机会,煤炭企业再想发展壮大就很困难了。