浅谈煤矿机械变频调速节能量的有效计算技术方法

浅谈煤矿机械变频调速节能量的有效计算技术方法

王胜平

淮北矿业集团童亭煤矿，安徽淮北 235100

摘要：本文分析介绍了煤矿机械变频调速节能量的有效计算技术方法，对实施节能技术改造具有很好的预测性。

关键词：煤矿机械；节能改造；量值计算；技术方法

引言：煤矿井上下采掘运机械较多，容量较大，用电占全矿能耗的60%以上，其节电潜力巨大。运用科学、正确的计算方法评估节电量显然有着重要的现实意义。它是推进节能技术改造的首要技术手段。在总用电量中约有60%以上的是通过电机消耗的。由于考虑起动、过载、安全系统等原因，高效的电动机经常在低效状态下运行，若采用变频器对交流异步电机进行调速控制，可使电机重新回到高效的运行状态。如此可节省大量的电能。煤矿生产机械中电机的负载种类也各不相同，为便于分析研究，这可将负载分为平方转矩﹑恒转矩和恒功率等几类机械特性。本文在此仅对平方转矩﹑恒转矩负载的节能进行估算，也就是在变频器投运前，对使用变频器后的节能效果进行计算预测。变频器投运后，再用电工仪表测量系统的节能量就更为准确了。假如电机系统在使用变频器调速前后的功率因数基本相同，变频器效率为95%。在此条件下进行分析评估。而在生产机械运行中，风机﹑泵类负载常用阀门、挡板进行节流调节，其增加了管路系统的阻尼，造成电能浪费；恒转矩负载常用电磁调速器﹑液力耦合器进行调节，该调速方式效率较低。转速越低，效率就越低。电机电流的大小随负载的轻重变化，即电机消耗的功率随负载的大小改变。要想精确地计算系统的节能比较困难，在一定程度上也影响了变频调速节能的实施。在此分析利用公式进行节能估算。

1.节能量的估算方法

风机﹑泵类平方转矩负载的变频调速节能风机﹑泵类通用设备，用电量占电动机用电量的50%左右。采用电机变频调速调节流量，比用挡板﹑阀门之类调节，可节电20%～50%。如果按平均30%计算，全矿的节电量就很可观，其社会和经济效益是比较显著的。风机﹑水泵常用阀门、挡板进行节流调节，其增加了管路的阻尼，电机仍按额定速度运行，电能消耗较大。若用变频器对此类设备进行调速控制，这就不需要再用阀门、挡板进行节流调节，将阀门、挡板开到最大，管路阻尼最小，能耗也大大减少。节能量可按GB12497《三相异步电动机经济运行》标准中的公式计算。其风机、泵类，采用挡板调节流量对应电机输入功率P_L与流量Q的关系为： ①。式中：P_e为额定流量时电机收入功率，KW；Q_N为额定流量。假如流量的调节范围（0.5～1）Q_N，则调节电率便为： ②。从①式可以进行分析。在节流调节时，Q＜Q_L，则Q/Q_L的比值一般是小于1的分数，这样（Q/Q_L）²的值更小，与0.55的乘积仍小于0.55，即节流调节后，电机的负载变小了，消耗的功率也比额定功率小。挡板或阀门全关时，电机则空载运行，消耗的功率最少（最小等于0.45P_e）；而②式表明采用变频调速后，电机消耗的功率与实际流量和额定流量比值的三次方成正比，也就是再与采用挡板调节流量对应电机输入功率P_L相减后再除以P_L，可得电机在节流调节消耗的功率基础上计算的节能率。根据相似性原理P∝n³计算节能时，也得先计算原系统节流阀调节时消耗的电能，再与系统变频调速后消耗的电能相减。此时正好是②式分子的表示式。所以，要准确计算，还要用①式计算节流调节时的消耗。

2.多类型的节能原理及计算

2.1恒转矩类负载的调速。对恒转矩类负载，则有： ③。电机的输入功率与转速的一次方成正比，采用变频调速后节省的功率可按下式计算：P₁-P₂= ④。节电率： ⑤。显然，节省的功率与系统调速前后的速差成正比，速差越大，节能量越大。而恒转矩负载变频调速一般用于满足工艺需要的调速，若不用就得采用其他方式调速（如调压﹑电磁﹑绕线式电机转子串电阻调速等）。这些是耗能的低效调速方式，使用高效调速方式的变频调速后，则可节省因调速消耗的转差功率，节能率就高。

2.2电磁调速系统。该系统是由鼠笼异步电机、转差离合器、测速电机和控制装置所组成，调速是通过改变转差离合器的激磁电流来实现的。其转差离合器的本身的损耗，则是由主动部分的风阻､磨擦损耗和从动部分的机械磨擦损所产生的。若考虑这些损耗与转差离合器的激磁功率相平衡，且忽略不计的话，那么转差离合器的输入､输出功率则可由下式计算：电动机轴输出功率：P₁=T₁n₁⑥。式中：T₁为电动机的输出转矩；n₁为电动机的输出轴转速。转差离合器轴输出功率为：P₂=T₂n₂⑦。式中：T₂为转差离合器的输出转矩；n₂为转差离合器的输出轴转速。这时电动机的输出功率，即为转差离合器的输入功率。而对于恒转矩负载来说，T=T₁=T₂=常数，所以，转差离合器的效率便为： ⑧。其效率正比于输出转速，输出最大转速时效率理论值达到85%。而转差率可按下式计算： ⑨。由此则得：η=1-S。由此可见，在恒转负载下，转差离合器的效率正比于输出转速。当转速下降时，输出功率成比例下降，而输入功率则基本保持不变，此时的损耗功率P

_h与转差损耗成正比增加，即：P_h=P₁-P₂=P_hS=P_h ⑩。电磁调速电机为鼠笼式电机，由于输入功率和转矩均保持不变，电机的功率保持不变，损耗则以有功的形式表达出来，其损耗功率通过转差离合器涡流发热并由电枢上风叶散发出去。再由损耗功率公式⑩可看到，电磁调速电机的转速越低，浪费能源越大。通常生产机械不在最大转速下运行，此时变频调速为一种改变旋转磁场同步速度的方法，是不耗能的高效调速，所以改用变频调速的方式会有较好的节能效果。如此节能量直接可用⑩式计算了。

2.3液力偶合器调速系统。它是通过控制工作腔内油液的动量矩变化传递电动能量。电机通过液力偶合器的输入轴拖动主动工作轮，对工作油进行加速，进而再带动液力偶合器的从动工作涡轮，把能量传递到输出轴和负载。液力偶合器有调速型和限矩型之分，前者用于电气传动的调速，后者用于电机的起动，系统中的液力偶合器在电机起动时起缓冲作用。由于液力偶合器的结构与电磁转差离合器类似，所以仿照电磁调速器效率的计算方法可计算出系统效率： ⑾。该效率也是正比于输出转速，输出最大转速时的效率理论值达95%。这样，当转速下降时，输出功率成正比例下降，输入功率则保持不变，损耗功率P_h与转差损耗成正比增加：P_h=P₁-P₂=P₁S=P₁ ⑿。同样，可用⑿式计算将液力耦合器调速改造为变频调速后的节能量了。

2.4绕线式电机串电阻调速系统。这类最常用改变转子电路的串接电阻方法调速。随转子串接电阻的增大，不仅可方便改变电机的正向转速，在位能负载时，还可使电机反向旋转和改变反向转速，因此该调速方式应用较多。绕线电机无论在起动､制动，还是调速，采用转子串电阻方式均有电能损耗。该损耗随转速的降低，转差率S的增大而增大。另外，随串接电阻的增大，机械特性变软，难以达到调速的静态指标。绕线电机输入的电磁功率为：P₁=P₂+P_h ⒀。式中：P₂为电动机输出功率；P_h为电机转子电阻上消耗的转差功率。又可写成：P₂=P₁（1-S）⒁，或P_h=SP₁=3I₂²(R₂+R_f)。式中：I₂，R₂分别为电机转子每相的电流和电阻。而在⒁式中，若S=0.5，电磁功率有一半则消耗在转子电阻(R₂+R_f)上，调速系统效率低于50%。但利用⒁式，知道电机运行的转速，就可方便计算绕线电机串接电阻调速消耗的电能，节能量的计算也就简单了。在进行变频节能改造时，因投入和收益是必须考虑的，这就涉及到节能量的计算。未变频器前，计算节能量比较困难，有了一种简单实用的计算方法进行预测，节能量计算也就方便了。如一台4极电机，Pe=55KW，用于驱动风机，实际风量Q与额定风量之比Q/Q_N为0.8。若用变频调速，由②式则可求出节电率。

，即节电率为36%。

3.分析变频调速节能与系统功率因数的关系

假定电机系统在使用变频器调速前后的功率因数基本相同，计算节能时可不考虑功率因数影响了。实际变频器投入前后功率因数可能是不同的，所以计算的节能量是否考虑其前后的功率因数变化还是要慎重分析的。由于正弦电路中，功率因数是由电压U与电流I之间的相位角差决定的。此时，功率因数常用COSφ表示。电路中的有功功率P则为平均功率，即：P=UICOSφ⒂。若用电度表进行实测时，就是电机系统消耗的有功功率。若原电机系统的功率因数较低，在使用变频器后以50Hz频率恒速运行，功率因数就有所提高。COSφ提高后，电机的运行状态并没改变，消耗的有功功率和无功功率也没变。而变频器中的滤波电容与电机进行无功能量交换，因此变频器实际输入电流减小，进而减小了电网与变频器间的线损和供电变压器的铜耗，又减小了无功电流上串电网。所以计算节能时，应考虑提高COSφ后的节能。提高COSφ后，系统电流的下降率为：ΔI_%=1-(COSφ₁/COSφ₂)⒃。式中：COSφ₁为补偿前电机的运行功率因数；COSφ₂为补偿后电机端的功率因数。系统损耗的下降率为：ΔP_%=1-(COS²φ₁/COS²φ₂)⒄。电流下降率和损耗下降率都是对单台电动机补偿前后电流与损耗而言的，不是配电系统电流和损耗的实际变化。现以典型事例计算。本矿有一台空压机，电机功率200KW，安装于配电房100m的地方，配电房内安装电压表、电流表和有功电度表。实测工频时电机空载工作电流192A；加载时电机工作电压356V，电流231A。因负载较轻，电机的负载率β和效率η都较低。此时电机功率因数可由下式计算： ⒅。式中：β为对应于实测的电动机线电流I求得的负载率；η为对应于实测的电动机线电流I求得的效率。通过⒁式可计算COSφ₁=0.4，实测功率因数COSφ₁=0.42。电机加载时消耗的有功功率P₁= 356×231×0.42=59.82（KW）。一般不需调速，接入变频器后仍以50Hz的频率运行，实测功率因数COSφ₂=0.93。空载时输入变频器电流仅36A；加载时输入变频器的电压383V，电流102A。电机加载时消耗的有功功率为P

₂= 383×102×0.93=62.93（KW）。就是说加载状态下电机直接接电时功率因数为0.42，有功功率为59.82KW；使用变频器后功率因数为0.93，有功功率为62.93KW。可见使用变频器后，电机消耗的有功功率略有增加，看去不但不节能反而耗能，原因是变频器有少量能耗。但线路上的电流已从231A减少到102A，线路损耗大为减少，由⒄式可计算出损耗下降率为： 。从电度表实测的结果还是节能的，达15%以上。如果单纯提高功率因数，无须用变频器，只需用电容就地补偿。倘若还要满足工艺调速要求，用变频器调速节能是最佳方法，这时的节能量应是线路上的能耗与变频调速节能之和。若原电机系统的功率因数较高，变频器投入后功率因数变化不大，可不考虑功率因数变化后线损的影响，用①～⒁计算节能即可。

4.考虑变频器效率时的变频调速节能计算

在GB12668中，将变频器定义为转换电能并能改变频率的电能转换装置。其能量转换过中就必然伴随损耗。而在变频器内部，逆变器功率器件的开关损耗也最大，其余则是电子元器件的热损耗和机械损耗。一般变频器的效率为95%～96%，所以在计算变频调速节能时要将变频器的4%～5%的损耗考虑到。像前例中计算的节能率就不是36%了，应为31%～32%。如此计算结果与实际节能率更贴近。

结束语：煤矿机械供电频率都是50Hz，若变频器用此频率调速控制，不无论平方转矩特性负载、恒转矩特性负载，调速才节能。不调速在工频下运行则是不能节能的。系统功率因数很低时，使用变频器也有节能效果，但不是调速节能了，而是补偿功率因数带来的节能。运用这些节能量分析计算方法，可为煤矿机械的改造节能提供较好的事先预测，进而实施后就能带来显著的经济效益。本变频调速节能计算方法也具有很好的实用性性。

参考文献：

[1]张登军，等.变频器与节电控制器在矿井通风机上的节能分析[J].有色金属，2009，2：71-73.

[2]姚福来.泵站节能测算体系的应用[J].中国水利，2006，15：69.

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