交流变频调速技术在新河新副井冻结工程中的应用

曹化春

（1.中煤特殊凿井有限责任公司，安徽 合肥 230001；2.煤矿深井建设技术国家工程实验室（淮北），安徽 淮北 235000）

交流变频调速技术在新河新副井冻结工程中的应用

曹化春1，2

（1.中煤特殊凿井有限责任公司，安徽 合肥 230001；2.煤矿深井建设技术国家工程实验室（淮北），安徽 淮北 235000）

交流电动机进行变频调速控制，不仅能使电力拖动系统具有优秀的控制性能，且在许多生产场合中，还具有非常显著的节能效果。在耗能较高的冻结工程中引入并应用了交流变频调速技术，使用变频调速控制技术比使用前，盐水泵的节能介于31.1%～73.3%之间；转速的减慢能减小了盐水泵的磨损，提高了盐水泵的使用寿命；同时对变频调速控制技术在冻结工程盐水泵应用中出现的问题和缺陷进行了分析和解决。

变频技术；节能；盐水泵；流量；耗电量

0 引言

随着科学的发展，变频器的应用更加广泛，从工业设备至家用电器都会使用到变频器，可以说，只要有三相异步电动机的地方，就会有变频器的存在[1]。使用变频调速技术后，生产机械的控制精度可大幅度提高，较大幅度地提高劳动生产率和产品质量，且能对诸多生产过程实施自动控制。通过大量的理论研究和实验，人们认识到：对交流电动机进行调速控制，不仅能使电力拖动系统具有非常优秀的控制性能，且在许多生产场合中，还具有非常显著的节能效果。交流变频调速技术在杨村风井冻结工程试验中节能区间为13%～67%[2]。在全国节能减排的大环境下，新河新建副井冻结工程对工程运转心脏部位-盐水泵上引入并应用了交流变频调速技术。

1 变频技术节能的原理

交流调速技术自问世到现在，经历了几十年的过程，先后出现了多种的交流调速方式，直到现在，一些调速方式依然继续在一些生产过程中使用，如：异步电机变极调速、定子电压调速及转子串电阻调速。三相交流电动机定于绕组中的三相交流电在定子气隙圆周上产生一个旋转磁场，这个旋转磁场的转速称同步转速，记为n0，实际电动机转速n（此处为盐水泵转速）要低于同步转速，故一般称这样的三相交流电动机为三相异步电动机。交流变频调速的方式即为异步电机变频调速，其基本原理如下[3]。

异步电动机的同步转速遵从电机学基本关系：n0＝60f/p。

式中：f为电源交变频率（HZ），我国工业频率f为50Hz；p为电机定子磁极对数，取值见表1。

电机极对数的取值表 表1

电机学中还常用转差率s参量，其定义为：s＝(n0-n)/n0。电机的实际转速为n=（60f/p）（1-s）。

设定电机定子磁极对数P不变，调节频率f，即可使同步转速n0与实际转速n得到调节，这就是变频调速的原理。电机的实际转速的公式直观的表达了电动机转速与供电频率存在正比的关系，在盐水泵运转的过程中，电动机极数作为一个固定值，不会任意发生改变，尤其是在投入生产时，通过改变供电频率，就可控制盐水泵电动机转速。一般供电频率处于归零状态或不超过50Hz，常在这个范围值上下浮动。因此，电动机转速存在宽广的调节空间，变频器其实就是根据电动机电源频率的改变来调节电机速度的，通过此种技术的运用，有助于实现盐水泵电机性能的提高，是一种科学有效的调速技术[4]。

2 在新河新建副井冻结工程中的应用

2.1 工程概述

淄博矿业集团新河煤矿新建副井立井工程使用冻结法凿井，新建副井净直径6.5m，冻结深度245m，具体相关参数见表2。

新河煤矿新建副井井筒冻结工程相关参数表 表2

2.2 变频控制柜的应用

新河新建副井冻结工程将盐水泵变频器投入使用。调试前，将站内运转机组全部减载为0。停止盐水泵及其对应自耦变压器启动柜，切换到变频控制柜，干管去路阀门全部打开，通过改变频率的方式来改变盐水泵的转速，进而控制流量的大小。为安全起见频率的范围27Hz～45Hz之间，具体调试数据见表3。

由表2作图1，由图1可知：在盐水泵阀门全开的情况下，使用变频柜后盐水泵的流量、进线电流与频率几乎呈正比关系。盐水泵流量与频率的拟合方程为Q=-49.66077+16.8349f，相关性系数为0.99958。进线电流与频率的拟合方程为I=-125.58217+5.76006f，相关性系数为0.99468。相关系数趋近于1.0，表明上述两组数据是可进行线性拟合的。

转速控制方式下，由于在阀门开度不变的情况下，流量Q和转速n是成正比的，比值Q/n不变。阀门开度不变的情况下，通过控制输入频率来调节转速，转速来调节流量大小。由图1（b）知：在一定条件下（新河新建副井冻结工程的盐水干管去路头部Ф325变径Ф377，盐水泵流量在408～702m3/h之间），频率与电流几乎呈线性关系（进线电压不变）。这样就解释了为什么通过调节频率大小来调节干管流量，进而可达到节电的目的。

使用自耦变压器启动柜时，是通过掩去路阀门开度的大小来调节流量，水泵的转速是不变的。盐水流量产生的能量消耗在掩上部分的阀门及管阻上，这就产生了电量的浪费。使用变频控制柜，去路阀门全开，调节频率来控制转速，进而在管阻不变的前提下控制流量，减小电流，就达到了节能的目的。

2.3 经济效益分析

由表2得到：盐水干管去路头部Ф325变径Ф377，盐水泵流量在408～702m3/h之间时，使用变频柜与未使用变频柜的电流差值与未使用变频控制柜的电流值比介于31.1%～73.3%之间。且根据表1中的数据可看出：流量越小，节电量就越大。后期维护冻结时，流量如再减小，还有不少节电的空间，收回成本的时间就会更短。

新河项目部用三相有功电表接在变压器控制柜的低压开关上，量测盐水泵采用和不采用变频控制柜时用电量情况。

①频率34Hz，流量500m3/h，压力0.2MPa，用变频控制柜用电量为1031.6kW·h/d；

②流量不变情况下，使用自耦变压器启动柜的用电量为 2368.8kW·h/d。一天节电量为（2368.8-1031.6=1317.2）kW·h/d。使用变频控制柜比自耦变压器启动柜的节电率为55.6%。

新河新副井变频技术应用参数记录一览表 表3

按照新河矿0.8元/度的用电收费标准，新河新副井冻结工程使用变频控制柜直接节约电费为31612.8元/月。不到70d即可收回变频控制柜的成本。转速的减慢能减小盐水泵部件（电机轴承、叶轮等）的磨损，减少盐水泵的维修次数，进而提高盐水泵的使用寿命；维修次数减少自然节约不少的人力和物力。

2.4 应用中需注意的问题

该变频柜型号为：JYSBPK-110，是针对新河冻结站使用的盐水泵（300S-32，流量790m3/h，扬程32m，功率110kW）量身定做的。若盐水泵型号改变，需定做相应的变频控制柜。同一功率的盐水泵需对应量身定做不同频率的变频控制柜。这是因为变频器负载匹配问题会对变频器负载产生一定影响的是电压、电流、转矩的匹配，电压匹配要保证变频器的额定电压及其负载的额定电压一致，电流匹配要保证变频器的额定电流与电动机额定电流一致，根据生产机械设备的不同、性能的不同、工艺不同，转矩特性也会发生变化，不同变频器的负载类型，选择不同的变频器[5]。

图1 使用变频柜后盐水泵的流量、进线电流与频率之间的关系曲线及拟合方程

经过调试和观察，通过变频控制柜调整流量的底线为25.05Hz，流量约410m3/h（盐水干管去路头部Ф325变径Ф377，盐水泵为110kW）。频率小于25.05Hz时，盐水泵电机不再转动。这也是盐水泵变频柜在冻结法施工中使用时的一个弊端：不能无限减小盐水的流量。

盐水泵变频柜安全无事故运转180天，盐水泵变频控制柜连续两天中午出现掉电故障。经过排查，掉电原因为：变频器内部温度过高。发热问题变频器在运作的过程中，会因为内部元件消耗了能量，而产生较高的热量，出现变频器发热现象。为有利于变频器散热，保证变频器持续稳定的运作，变频器工作环境温度应控制在40℃以下，且不低于0℃[6]。实际施工中将变频控制柜的后门拆除后进行通风，安全无事故运转至站内停机。这也说明新河新建副井的盐水泵变频控制柜的通风散热设计需进一步改进。

3 结语

新河新建副井冻结工程盐水泵变频调速技术的应用取得了较好的效果，这也是继杨村煤矿风井冻结工程盐水泵变频调速技术试验后的第一次推广应用。盐水泵变频控制柜在使用中显露了一些设计及技术本身的缺陷，但利远大于弊。该变频调速技术的应用不仅带来直观的经济利益，且根据工况适当减慢转速能减小盐水泵部件的磨损，如电机轴承、叶轮等；减少盐水泵的维修次数，进而提高盐水泵的使用寿命；维修次数减少自然节约不少的人力和物力。变频调速控制技术对我方冻结工程节约电能，减小工程成本有着积极的意义。同时该技术还可运用于冻结站内的冷凝器风机、清水泵等设备上。

[1]张源淳.三相异步电动机变频调速及应用[J].科技信息，2013(11)：132.

[2]李子祥，武胜男，王春玲.变频技术在冻结工程中的应用[J].建井技术，2014，35（4）：31-33.

[3]杜金城.电器变频器调速设计技术[M].北京：中国电力出版社，2001：1-3.

[4]刘云涌.分析油田生产系统应用变频技术节能效果[J].价值工程，2014，（15）：73-74.

[5]牟建，马进，曹长义.高压变频技术在循环冷却水系统中的节能控制应用[J].电气技术，2014（3）：95-98.

[6]朱明杰.电器变频器运作中的问题分析[J].中国新技术新产品，2012，（24）：112.

TU985.1

A

1007-7359（2016）06-0063-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.06.024

曹化春(1964-)，男，安徽濉溪人，高级工程师，主要从事特殊凿井技术及施工管理工作。