1 概述

隨著大功率晶體管(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(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域生產(chǎn)之中，這不僅提高了設(shè)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(jié)能效果，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益都比較明顯。

在選煤廠的常用設(shè)備中，有很多設(shè)備在運(yùn)行期間運(yùn)行參數(shù)是變化不定的，如水泵、風(fēng)機(jī)、跳汰機(jī)排料裝置、給煤機(jī)等。因此，為了滿足生產(chǎn)工藝要求，就需要對(duì)上述設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行調(diào)節(jié)。

以水泵為例，由于水泵在運(yùn)行期間流量變化不定，需要對(duì)泵的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。目前采用的調(diào)節(jié)方式主要有兩種：一是節(jié)流調(diào)節(jié)，二是變速調(diào)節(jié)。所謂節(jié)流調(diào)節(jié)是通過改變泵出口閥門的開啟度來改變泵本身的特性曲線，達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的;而變速調(diào)節(jié)則是利用泵的流量與轉(zhuǎn)速成正比的關(guān)系來改變泵本身的性能曲線達(dá)到調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)，當(dāng)流量減少時(shí)，電機(jī)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上，在閥門閘板上產(chǎn)生應(yīng)力集中及懸浮液流速加快，從而加劇了閥門和管路的磨損。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(jì)效益。據(jù)統(tǒng)計(jì)，泵、閥門、管路故障率及維護(hù)材料費(fèi)用占全廠費(fèi)用的40%以上。從節(jié)能的觀點(diǎn)來看，采用變速調(diào)節(jié)控制泵的流量是科學(xué)而經(jīng)濟(jì)的，特別是當(dāng)電機(jī)功率較大時(shí)，其節(jié)能效果更顯著。根據(jù)流體機(jī)械力學(xué)原理及選煤廠的設(shè)備實(shí)際運(yùn)行狀況，使用變速調(diào)節(jié)的節(jié)能率可達(dá)到30%以上，設(shè)備壽命可增加40%以上。變速調(diào)節(jié)的方法很多，包括調(diào)壓變速、電磁調(diào)速、變極調(diào)速和變頻調(diào)速等，通過分析研究，最適合選煤廠自動(dòng)化要求的還是變頻調(diào)速技術(shù)。推而廣之，選煤廠其他眾多設(shè)備采用變頻調(diào)速控制，亦能收到良好效果。

2 變頻器電路結(jié)構(gòu)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(yīng)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(wěn)定的直流電壓，逆變器將穩(wěn)定的直流電壓逆變成既可調(diào)壓又可調(diào)頻的三相交流電源，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。整個(gè)控制回路采用CPU進(jìn)行速度、電流、電壓調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)控制、事故報(bào)警、顯示等功能。

變頻器既能內(nèi)部控制，也能外部控制，通過設(shè)定操作可實(shí)現(xiàn)多種功能。其中保護(hù)功能有：過載保護(hù)、瞬時(shí)停電保護(hù)、過流保護(hù)、短路保護(hù)、欠壓保護(hù)、直流過電壓保護(hù)、過熱保護(hù)、防失速保護(hù)及自身保護(hù)等，變頻器設(shè)有多種U/f 曲線，通過選擇，可獲取所需轉(zhuǎn)矩特性。通過頻率設(shè)定功能可選擇基準(zhǔn)頻率、上下限頻率、啟動(dòng)頻率、運(yùn)轉(zhuǎn)開始頻率、制動(dòng)開始頻率等。通過加減速設(shè)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(xiàn)開、停、正反轉(zhuǎn)、速度選擇自動(dòng)控制等。

3 變頻調(diào)速技術(shù)的原理及特點(diǎn)

由于異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比，所以通過改變電源頻率就可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，這就是所謂的變頻調(diào)速。由于變頻調(diào)速基本上保持了異步電動(dòng)機(jī)固有特性轉(zhuǎn)差率小的特點(diǎn)，效率高、調(diào)節(jié)范圍寬、精度高，并可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，因此，它是異步電機(jī)比較理想的調(diào)速方法。

變頻調(diào)速采用大功率晶體管逆變器和微機(jī)或變頻PWM芯片控制脈沖調(diào)制技術(shù)，通過輸出具有不同頻率的電壓和電流來改變交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到調(diào)節(jié)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的目的，變頻調(diào)速具有如下特點(diǎn)。

1)機(jī)械性能好，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，啟動(dòng)電流小。采用PWM正弦波脈沖調(diào)制方式，可使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，而且運(yùn)行平穩(wěn)，可以大大減少大功率電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)交流電網(wǎng)的沖擊。

2)調(diào)速范圍廣，可實(shí)現(xiàn)平滑無級(jí)調(diào)速，精度高達(dá)0.5%，頻率變化范圍大，能廣泛適應(yīng)各種生產(chǎn)環(huán)節(jié)的需要。

3)節(jié)能效果顯著，理論上節(jié)能可達(dá)30%～60%以上。

4)變頻器留有各種標(biāo)準(zhǔn)接口，便于與壓力、液位、流量傳感器及微機(jī)系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

5)變頻器安裝容易、調(diào)試方便、操作簡(jiǎn)單。

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

使用變頻調(diào)速裝置的意義在于：

1)可以利用各種傳感器實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的在線實(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(diào)整工作量和減少操作人員，提高工作效率;

3)就流體機(jī)械而言，與節(jié)流調(diào)速相比，節(jié)能效果顯著;

4)利用變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)節(jié)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閘板上的應(yīng)力集中問題，大大減少了維修工作量和維修費(fèi)用，延長(zhǎng)了設(shè)備壽命，降低了選煤成本。

4 變頻調(diào)速技術(shù)在南屯礦選煤廠的應(yīng)用實(shí)例

變頻調(diào)速技術(shù)在南屯礦選煤廠主要用于各種水泵、跳汰機(jī)給煤機(jī)的調(diào)速，以及通過變頻調(diào)速來實(shí)現(xiàn)各種不同種類的調(diào)速設(shè)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(jī)中的應(yīng)用

選煤生產(chǎn)所用跳汰機(jī)需要根據(jù)床層厚度及時(shí)調(diào)整排料速度，以保證分層就緒的床層在產(chǎn)品分離的過程中不再出現(xiàn)紊亂，減少污染，其核心問題是穩(wěn)定分選密度和改善排出物料的成分。因此設(shè)計(jì)一種根據(jù)床層厚度來調(diào)整排料閘板排料速度的控制系統(tǒng)，很有必要。

采用PLC 和變頻器對(duì)跳汰機(jī)兩段排料實(shí)施微機(jī)控制，不僅功能齊全，操作方便，而且整個(gè)控制系統(tǒng)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測(cè)量床層厚度，其測(cè)量值送入PLC后與系統(tǒng)設(shè)定值進(jìn)行比較，以此比較信號(hào)作為控制信號(hào)送變頻器，來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整排料速度的目的。

采用這種控制系統(tǒng)最主要的是要保證傳感器信號(hào)能正確反映床層厚度，當(dāng)原煤數(shù)量、質(zhì)量出現(xiàn)過大變化，導(dǎo)致床層信號(hào)與排料量間的關(guān)系發(fā)生變化時(shí)，必須及時(shí)調(diào)整控制系統(tǒng)。只要排料系統(tǒng)能正常工作，就可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定床層厚度，穩(wěn)定分選密度的目的。

4.2 在給料機(jī)中的應(yīng)用

在選煤生產(chǎn)中，需要通過調(diào)整給料機(jī)給料量的大小來滿足工藝要求，如：煤倉給煤量按要求定比配裝，跳汰機(jī)給煤量要均勻可調(diào)，滿足產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)要求等，在南屯礦選煤廠，跳汰機(jī)給料任務(wù)由LG系列鏈?zhǔn)浇o料機(jī)來完成，在控制系統(tǒng)中采用變頻調(diào)速技術(shù)實(shí)現(xiàn)了這一目的。通過修改設(shè)定值改變變頻調(diào)速系統(tǒng)頻率輸出，改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)調(diào)整給料量。

GZG給煤機(jī)采用2 臺(tái)同一規(guī)格的ZG型慣性振動(dòng)器為振源。根據(jù)簡(jiǎn)諧振動(dòng)原理可知：諧振頻率和諧振振幅都隨著角速度的增大而增大，因此，通過手動(dòng)或設(shè)定值改變變頻調(diào)速系統(tǒng)輸出值，調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過改變角速度來改變諧振頻率與振幅，即改變箱體振動(dòng)頻率，使物料連續(xù)以箱體頻率向前跳躍，達(dá)到調(diào)整給料量的目的。

4.3 控制加壓過濾機(jī)給料泵轉(zhuǎn)速

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

根據(jù)泵的性能公式，我們知道流量q 與轉(zhuǎn)速n成正比，因此，可采用變頻調(diào)速技術(shù)控制泵的轉(zhuǎn)速?gòu)亩{(diào)節(jié)流量。

礦漿槽液位高低通過儲(chǔ)漿槽壓力變送器送給二次儀表，輸出DC 4~20 mA 信號(hào)，在信號(hào)隔離器內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)镈C 1~5 V信號(hào)，而后送入液位調(diào)節(jié)器進(jìn)行比較放大，輸出DC 4~20 mA信號(hào)，控制變頻器頻率，從而達(dá)到控制給料量的目的。如果儲(chǔ)漿槽液位超過預(yù)先設(shè)定值時(shí)，電動(dòng)執(zhí)行器動(dòng)作，執(zhí)行放空。

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

變頻調(diào)速技術(shù)在我廠應(yīng)用十分普遍，我們正準(zhǔn)備實(shí)施羅茨風(fēng)機(jī)變頻改造，利用變頻調(diào)速技術(shù)穩(wěn)定風(fēng)壓，達(dá)到提高分選效率、穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

5 應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)的原則

變頻調(diào)速技術(shù)是一種高效率的調(diào)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(shè)定，特別要注意啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，在使用前要認(rèn)真檢查核對(duì)所匹配設(shè)備的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性和電機(jī)驅(qū)動(dòng)特性。選擇應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)的原則：

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

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

3)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)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(jì)效益。

6 結(jié)語

南屯煤礦選煤廠自進(jìn)行技術(shù)改造，大量采用了自動(dòng)測(cè)控技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)后，取得的效果顯著，系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用、電費(fèi)等均大大降低，噸煤成本較改造前下降了1元左右，年節(jié)約成本240萬元左右。

實(shí)踐證明，變頻調(diào)速技術(shù)在選煤生產(chǎn)中的應(yīng)用是十分成功的，有其獨(dú)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(diào)速控制系統(tǒng)，使工藝設(shè)備運(yùn)行方式更趨合理，自動(dòng)化程度更高，值得推廣和借鑒。