变频节能控制技术的实现及应用效果验证

韩保杰

（阳泉煤业集团二矿建筑安装公司，山西 阳泉 045000）

引言

随着采煤技术及综采设备自动化水平的提升，工作面的生产能力不断增加，对应的工作面的电能消耗也在不断增加。在当前节能减排、低碳生产的号召下，降低煤矿生产的能耗，实现煤矿机电设备的节能生产势在必行[1]。因此，本文着重对煤矿机设备变频节能技术的应用进行研究。

1 变频节能原理

1.1 变频调速理论基础的研究

目前，变频器在工业生产中的应用相对频繁且应用范围较为广泛，其主要功能是实现对交流异步电机的软启动、变频调速、过载保护和过流保护功能[4]。变频调速原理如式（1）所示：

式中：n 为提升机电机的转速；f 为提升机电机的频率；s 为提升机电机的转差率；p 为提升机电机的极数。由公式（1）可知，通过调整电机的频率实现对电机转速的调节，进而可实现提升机转速的平滑调节。

1.2 变频调速的控制机理

带式输送机、提升机、通风机等均为综采工作面的关键设备，为解决煤矿机电设备的节能生产并满足实际生产的需求，需根据实际工况对设备电机的转速进行控制，从而达到对设备的节能控制。比如，就带式输送机而言，通过对带式输送机所运送物料的状态及带式输送机的温度、压力等参数的实时监测和采集，并将上述所采集的数据上传于PLC 和上位机中，通过对上述参数的对比分析对变频器的输出频率进行调整，从而达到对电机转速的控制，最终实现对带式输送机带速的控制[2]。

2 基于模糊控制算法的变频节能技术研究

基于带式输送机运速与运量相匹配的设计思路，采用变频技术实现带式输送机运速随着其运量及工况实时调节的目的。为进一步提升节能控制系统的可靠性，系统采用冗余设计技术，即采用工控机实时监控和PLC 控制相结合的控制方式，实现带式输送机的变频节能控制，可满足实际生产中的紧急停车、故障保护以及智能监控等功能[3]。

目前，应用于工业生产中的控制算法包括有PID 控制算法、模糊控制算法以及自适应控制算法等。其中，PID 控制算法主要应用于线性控制系统，模糊控制算法主要应用非线性控制算法。因此，一般带式输送机变频节能常与模糊控制器相结合。带式输送机节能控制系统的模糊控制原理如图1 所示。

图1 带式输送机节能控制系统的模糊控制原理图

如图1 所示，节能控制系统对输送带的运速进行实时监视，并将监视所得结果通过模糊控制器传入PLC 控制器中，根据PLC 控制器中所存储的模糊控制算法对比当前的带速是否与实时载荷相匹配。若带速与运量不匹配，系统立即控制变频器完成对带式输送机电机的频率的控制，从而实现对带速的调整。

经实践表明，基于模糊控制算法实现对带式输送机的变频控制，可根据输送带的运量对带式输送机的运行速度进行实时调整。以阳煤某矿带式输送机例进行变频控制的节能计算，该矿共有带式输送机3 台，每台额定功率为1 400 kW，每台每天工作18 h，每年按照工作300 d 计算，则改造前带式输送机每年耗能=3 台×1 400 kW/ 台×18 h/d×300 d=22 680 000 kWh。改造后，以该矿的年生产能力为5 Mt 可得带式输送机的运量为926 t/h。基于模糊控制规则，该运量下对应的最佳带速为2.13 m/s，对应带式输送机的实时功率为663 kW。则，改造后每年耗能=3 台×663kW/台×18h/d×300d=10740600kWh。

经对比可得：基于模糊变频调速改造后带式输送机节能效果可达52.6%。

3 基于行程控制理念的变频节能技术研究

变频节能技术在提升机电气控制系统中的应用所形成的变频调速控制系统如图2 所示。

图2 提升机变频调速控制系统结构示意图

如图2 所示，提升机变频调速控制系统主要由变频器、行程控制系统、操作控制系统、抱闸控制系统以及能耗制动系统组成[4]。各分系统的功能分别为：变频器：实现对提升机的变频调速；操作控制系统：根据控制指令实现对提升机启动、制动以及复位等功能；行程控制系统：对提升机的变速、停车以及制动等操作的行程进行控制；能耗制动系统和行程控制系统主要服务于提升机的制动操作。

以阳泉煤矿工作面的提升机为例，当前提升机所采用的调速方式为转子串电阻调速，经研究可知：转子串电阻调速的耗能巨大。基于提升机的变频调速技术可实现对提升机行程的控制，将提升机在实际运行工况下的行程区间进行划分，针对不同的行程区间采用不同变频调速控制可实现对提升机上升、下放速度的控制。

经实践表明，以阳泉煤矿提升系统为研究对象，改造前后的故障对比情况如表1 所示。

表1 改造前后故障情况对比

4 基于组态网络控制的变频节能技术研究

变频节能技术在通风机中的应用控制框图如图3 所示。

如图3 所示，控制系统的核心为PLC 与变频控制技术相结合的控制思路，首先由现场瓦斯浓度传感器测量工作面的瓦斯浓度和通风机的实时通风量，通过PLC 控制器分析当前瓦斯浓度下对应的通风量，通过变频器对通风机电机的转速进行控制，从而实现对通风量的控制。

图3 通风机的变频节能控制框图

在实际应用中，还需对通风机的运行状态进行监测，包括井下的压力、有害气体浓度、风压和风量等。同时也对控制系统的各个硬件和软件运行状况进行监控，包括电机温度、控制后的风压风量和电机运行参数[5]。监控系统采用触摸屏和计算机的状态软件来实现以上功能。其功能结构图如图4 所示。

经实践表明，根据工作面瓦斯浓度的不同，与其相对应的变频器电机的工作频率如表2 所示。

图4 监测系统结构图

表2 不同瓦斯浓度下电机频率

5 结论

变频节能技术在阳泉煤矿中应用后，得到了良好的效果，经实践表明：

1）变频节能技术在带式输送机中的应用其节能效果可达52.6%；

2）变频节能技术在提升机中的应用，能够降低设备的故障率及减少停机时间；

3）变频节能技术的应用可根据工作面瓦斯浓度对变频器电机频率进行控制，从而达到节能的效果。