近几年来，兖州矿业（集团）有限责任公司及其下属各矿（厂）在将变频节能技术应用于各种煤矿生产设备控制系统的基础上，又根据已有的变频节能技术进一步在地面各种设备广泛地进行了推广应用，针对运行实践中发现的问题进行了认真分析和归纳，不断总结运行经验教训，制定了改进方案并进行了实施，同时还取得了一批研究成果，取得了良好的节能效果。

　　1 装煤火车钢丝绳牵引系统应用变频调速

　　兖州矿业（集团）公司济宁三号煤矿原先采用的钢丝绳牵引“铁牛”变极调速存在着不能够平滑调速，使得装载出现偏载、集载的现象；对传动系统造成频繁的机械冲击，降低了使用寿命；电气系统的故障率高，不利于维护等缺点。为此，他们改用ABB ACS601-0120-6重型变频器及其配套设备，实现了无级变速调速，具有缺相、短路、过载等保护功能，提高了火车装煤的质量，在50Hz以下的时候还具有节能的效益。

　　①采用能耗制动，避免了中间回路电压上升对变频器的损坏。钢丝绳牵引“铁牛”属于大惯性设备而且操作频繁，如果变频器中没有采取消耗能量的措施，这部分能量就会导致中间回路的储能电容器电压上升。在减速制动过快或者紧急停车的时候，这部分能量会对变频器造成损坏。与通用变频器最常用的动力制动状态和再生制动状态处理方式不同，他们选用了能耗制动的方法。其优点是构造简单、对电网无污染、成本低廉。缺点是运行效率低，特别是在频繁制动的时候要消耗掉大量的能量而且制动电阻的容量将增大。

　　②“铁牛”自动回窝控制。原有的控制是利用磁控限位开关来实现的，现在改为磁控开关与变频器控制回路相结合。为了避免“铁牛”回窝出现过位的事故，要在牛窝附近增加一个磁控限位开关。当“铁牛”经过的时候，开关动作使相应的继电器得电，常开触点闭合使变频器以比较低的恒速锁定。当“铁牛”回窝到位的时候触动另外一个磁控限位开关，相应的继电器得电，其常闭触点断开从而使变频器停止工作。为了避免“铁牛”出窝的时候该回窝系统动作，电源取用变频器反转信号。

　　③两套变频系统的电气隔离。考虑到钢丝绳牵引“铁牛”变频系统出现不可控的故障情况而影响生产，采用了备用变频系统，这样就面临两套变频系统的电气隔离问题。他们在两套变频器电源以及负荷侧各增加一个接触器并且相互电气闭锁。在单独的“铁牛”回窝控制箱内增加两个相互电气闭锁的继电器，当在用变频调速系统电动机反转的时候相应继电器才得电并且接通回窝系统电源。

　　2 中高压大功率变频技术

　　在中高压变频领域，目前的功率器件耐压能力在相当长的时间内还不可能满足高压变频调速的需要。为此，人们创造了一些电路拓扑，如交—交变频、功率单元串联多重化电压源型高压变频、电流源型中高压变频以及IGBT直接串联中高压变频。其中的IGBT直接串联中高压变频新技术彻底地解决了功率器件的耐压问题，使得直接高压变频成为现实。此项技术已经被兖州煤矿机械厂应用到新研制的矿用隔爆型变频器中。

　　在IGBT直接串联的二电平电压型中高压变频器的主电路中，系统由电网高压6kV直接经断路器进入变频器，经过二极管全桥整流、电容滤波，再经逆变器逆变，加上正弦波滤波器，简单易行地实现高压变频输出，直接供给高压电动机。

　　①自动均压的IGBT串联技术。利用容性母排技术1+N（只）串联及采用2/3限压动态均压、钳压技术，克服了IGBT动态电阻及极电阻不同步引起的动态和静态电压不均衡的问题。不管主电路电压有多高，但是分配给每个管子的工作电压是在其额定电压之内的，使单个IGBT不容易损坏，即使损坏了但是由于有冗余也不会影响到输出波形。

　　②正弦波技术。中高压电动机对变频器的输出电压、电流波形有着严格的要求。直接串联技术从优化PWM波形即SVPWM技术和研制特种滤波器两方面着手。由于三电平的11、 13、17谐波含量特别高，处理起来特别困难，若不加滤波器则只能用供应商的专用电动机。而二电平只要波形优化得好，60次以下的谐波皆可大大降低，而且对于60次以上的谐波滤波自然容易得多。交—交变频器、功率单元串联多重化电压源型高压变频器、电流源型中高压变频器都是利用变压器协助间接解决功率开关的耐压问题，而IGBT直接串联中高压变频器彻底去掉了变压器，真正实现了高进高出，为高压变频开拓了新的领域。

　　3 变频器在塔式起重机起升机构的应用

　　由于无级调速受到成本等方面的限制，目前的塔式起重机绝大多数都是采用有级调速。兖州矿业（集团）公司第三十七工程处针对4绳最大起重量小于或者等于6 t的中小型塔式起重机的起升机构采用了矢量变频器实现交流变频调速的方式，为此问题给出了完善的解决方案。他们在不增大变频器选型与适当牺牲速度的方法，使得变频无级调速的成本与带涡流制动的多速绕线转子电机变极调速差距不大，性能却有了很大的提高。

　　应用比较广泛的中小型塔式起重机是QTZ315塔式起重机，其最大起重量为3t，起重速度为52/26/5.5m/min，起重机构采用15/15/5.5kW的4/8/32多极电机，减速机速比为12.5，滚筒直径为300mm。中小型塔式起重机选用变频调速方式，最大起重量和滚筒直径这两个关键指标不能够有太大的变化，对于速度的要求也比较高，因此需要对相关的设备和技术指标进行适当的调整。起重机的变频调速系统由主令控制器或者电位器作为输入给定，通过变频调频调速电控设备、荷重测控仪、限位开关和制动器等配合使用，来控制起重机的起升机构等交流变频异步电动机的起动、制动、可逆运转与调速。设备选型参数：动滑轮2倍率，起升机构18.5kW的4极异步鼠笼电机，减速机速比31.5，滚筒直径300mm。经计算，理论起升重量为5.1198t，考虑传动效率为0.264则最大起升重量为3.28t，与要求的最大起升重量相比有1.1倍保险系数，基本符合要求；最大起升速度为21.7m/min。在变频模式下，电机的最大起升速度降低了很多，通过缩短起动和就位时间、空钩高于50Hz运行等多种协调方法，使得实际运行中不会明显感觉到速度减慢。采用先进的现代交流变频调频技术对塔式起重机电力拖动系统进行技术改造，使起重机实现平稳操作、提高运行效率、改善超负荷作业、消除起动和制动冲击、减少电气维护、降低电能消耗和提高功率因数等均可以取得良好实效。

　　4 基于CAN总线的智能变频器

　　淮南矿业（集团）有限责任公司和兖州矿业（集团）有限责任公司设计并且实现了一个带CAN总线接口的智能变频器。

　　随着电力电子技术、计算机技术和电力电子半导体器件的进步和发展，变频调速技术得到了很大的发展，变频调速器以其调速精度高、响应速度快、保护功能完善、过载能力强、节能显著、使用和维护方便等优点已经被广泛地应用于工业控制领域。在各种现场总线中，CAN总线因其性能优越、价格便宜、通信距离远、速率高、抗干扰能力强，非常适用于工业测控领域。基于CAN总线的智能变频器系统的结构主要是由CAN总线接口、双口RAM、变频器控制电路和变频器主电路组成的。变频器和CAN总线接口是相互独立的两个部分。变频器的核心部件为AT89C51，主要完成数据采集、数据处理及各种控制和保护功能；CAN总线接口的核心是SJA1000和AT89C51，SJA1000是CAN总线控制器，负责将CAN总线传来的数据拆包，并将其送往AT89C51，同时将AT89C51传来的数据打包，上传给CAN总线。变频器和CAN总线接口的数据交换通过双口RAM IDT7005S35J完成。

　　基于CAN总线的变频器研制成功以后，经过实践检验表明：长远个单片机加上双口RAM构成的控制系统，其设计结构合理、反应速度快、操作简单、成本低、故障率小、维护量少，适用于交流电动机的全数字化控制，同时亦可以作为多种调速方案的试验平台；双口EAM的使用，解决了双机之间数据的大量快速双向传送，而且可靠性高，占用PCB板面积小，具有很好的性能价比；特别是在该变频器与其它控制系统或者网络相连的时候，更加显示出其优越性。

　　5 电厂锅炉引风机变频调速的研究与应用

　　锅炉引风机是发电厂的主要厂用负荷，属于耗电大户，素有“电老虎”之称。在煤矿自备发电厂中，仅引风机的耗电量就占到全厂用电量的25%左右。而且，为了维护锅炉炉膛的负压以及正常燃烧，人们通常采用传统的手动调节引风机风门挡板的方式进行风量调节，这样就会给生产造成很多问题，从而危及锅炉的安全稳定运行。为此，兖州矿业（集团）公司南屯煤矿矸石热电厂与山东科技大学合作，在锅炉引风机上应用变频调速技术以后，使上述这个困扰多年的问题终于得到了解决。

　　此项成果具有以下功能：①负压变送器采集炉膛负压，该系统在CPU监控下可以实时跟踪炉膛负压的变化，变频调节引风机的转速，自动维持炉膛负压的恒定，不再需要调节风门。②通过触摸键来设定炉膛负压及其上下限、电动机上下限频率和加减速时间、通信速率等参数，其中的“设定炉膛负压”可以在引风机运行中随时改变给定值，从而增加了引风机运行的灵活性。炉膛负压实值、电动机频率、电动机功率、电动机电流、电动机转数、变频时间、电量计数等工作参数可以实时进行显示，其中的“炉膛负压”实值还可以用趋势图形来显示，便于监盘和调整。③设有自动、手动两种运行方式，除了能够实时跟踪炉膛负压、自动维持炉膛负压恒定的调节方式以外，还可以切换自动跟踪炉膛负压系统，手动操作触摸键来变频控制引风机的运行，为启停炉等特殊工况提供了更加灵活的控制方法。④引风机采用变频软启动，启动电流从0逐渐上升到额定电流值，不会对电网造成冲击。⑤具有电动机过载、过流、过压、欠压、堵转、通信故障等11种故障类型显示，并且有蜂鸣报警，按照故障提示可以迅速检查出故障的原因。⑥设有联锁输出接口，在事故的情况下，当引风机的频率低于设定的下限频率以后可以输出一个联锁信号，自动停止送风机和给煤机的运行。

　　南屯煤矿矸石热电厂于1998年5月对1#炉的引风机安装了变频调速控制系统，由于不再需要调节风门，故将风门的挡板拆除，不但完全消除了节流损失，节约了大量的电能，而且大大降低了引风机的故障率，减少了压火停炉的次数，维持了锅炉运行的稳定。在正常情况下，变频器运行在“自动”工作方式，实时跟踪炉膛的负压，自动调节电机的转速，保持炉膛负压稳定在设定值上，减轻了运行人员的劳动强度。实践表明：控制器操作简便，运行方式灵活，运行参数变化一目了然。引风机启动时，由于频率能够手动或自动调整，因此不仅不会对供电电网造成冲击，同时还能够使开关设备的故障率大为减少，延长了开关电器的使用寿命，减少了设备的维护工作量。为了将炉膛的负压设定值稳定地维持在-20Pa（正常范围为0～-50Pa），将电动机运行频率调整到较佳的36～38Hz，此时电动机的输出功率在80kW左右，一年就可以节约电能为50万kWh，年节约效益达到20万元，变频器的全部投资费用可在1～2年内完全回收。

　　6 济三煤矿变频恒压供水工程实践

　　兖州矿业（集团）公司济宁三号煤矿的生产、消防及生活等用水均由地面联合泵房供给。原先的供水系统是通过人工调整水泵台数来调控供水压力和流量，由于各台水泵本身的运行工况难以调整，造成系统压力与流量脉动大、工作不稳定、电耗高。为了消除以上弊端，他们和山东科技大学联合研制了恒压变频自动供水装置。经过一年的运行，泵站工作稳定，节电效果明显。

　　该矿原先设计的生产与消防供水为同一个泵站，水源为由矿井水处理站供水的工业水池，由4台水泵组成，扬程分为2种规格，分别用于生产供水和消防供水。新研制的这种变频恒压供水系统主要是由变频器、压力传感器、高低水位计、控制柜、水泵等环节组成的。

　　他们根据离心式水泵的流量与转速成正比、扬程与转速的平方成正比的运行理论，通过改变电动机定子绕组电源频率来调节电动机转速，达到压力与流量按需要进行相应改变的目的。工作时，只要将供水管网的水压通过压力变送器转变成电信号，再经集成电路放大后送至压力调节器与给定压力进行比较，其差值经比例、积分、微分运算后控制变频器的输出频率，并最终控制水泵的电动机转速。当管网用水量增加时，管网压力降低，与给定压力比较后变频输出频率增高，供水量增大；而当系统的用水量减少时，管网压力会变大，变频器就会得到减小输出频率的指令，供水量就会减少，使系统保持恒压供水。高低水位计选用浮球式控制开关，当水位降低到最低水平的时候，水泵控制停机。此外，变频器本身保护也很完备，对电动机缺相、堵转、过流、过热、欠压等保护灵敏可靠。

　　7 变频调速器在恒压供水系统的应用

　　兖州矿业（集团）公司唐村煤矿的非煤产业规模不断壮大，造成生活、生产用水量大增，供水压力波动大。如用手动控制供水，压力很难控制在工艺范围之内。每天数次开泵停泵，各泵始终处于工频—停止—工频运行状态，不仅启动频繁，而且能耗大，夜间低峰时压力更难控制。因此，他们设计采用了恒压供水系统，较好地解决了这个问题。

　　整个系统是由压力传感器、变频器、电控设备、电动机和泵等组成的。启动设备以后，PC机控制变频器从输出端输出逐渐上升的频率和电压，对1#泵进行软启动。当频率上升达到电动机的额定转速而压力仍然不能满足要求的时候，则PC机控制1#泵脱开变频器转入工频运行；此时，PC机控制2#泵进行软启动，并根据管网的压力调速运行来控制管网的压力，压力过高时PC机发出指令，1#泵停止工作；当压力再次降低时（低于设定值），2#泵变频升速到电动机的额定转速，直至转入工频运行，1#泵变频软启动。

　　供水管网的供水量和供水压力是随用户的用水要求全日瞬时变化的，水泵机组如果按照额定流量和额定压力工频运行，则能耗大，压力随流量的变化而波动。通过出口压力传感器将实际运行中的压力信号变换成标准电信号，输入给PC机，经过运算放大处理后，再根据偏差的大小来自动地整定P、I、D控制参数，控制变频器和水泵机组，按照实际的用水量和压力要求来变频运行，以达到高效节能和改善供水品质的目的。

　　运行实践证明，该系统节能效果在25%以上，管网压力平稳，避免了在控制压力临界点电动机的频繁启停，延长了电动机的使用寿命，具有显著的优点。

　　8 罗茨风机的经济运行

　　山东省煤炭科学研究所对兖州矿业（集团）公司焦化厂冷鼓系统煤气输送环节上的ML83WD型132kW罗茨风机实行变频调速及自动控制改造以后，有效地改善了原有的落后运行方式，使风机的转速可以随着煤气量的变化而变化，节约了大量的能源，保证了煤气收集系统的安全和稳定运行，提高了供气质量的可靠性。

　　这个厂改造以后的新系统具有以下功能：①MT-140E-132kW变频器内置PI控制功能非常适用于对流量或者压力的自动控制，是专门为适应风机、泵类等平方力矩特性负载设计的变频器，可以在极低的变频下启动电机，能够避免过大的启动电流。②通过安装在罗茨风机之前的煤气管道上的压力传感器测得的压力信号，控制变频器的输出频率，使得电动机的转速随着集气管压力的变化而变化。因为轴功率与转速的立方成正比，而有功功率的输出呈立方下降，所以极大地降低了电动机的能耗，而且提高了煤气输送环节的自动化程度。③变频器具有过流、过载、过热、过频等十几种故障自动保护功能。④变频器可以在自动（即通过压力信号来调节输出频率）和手动（由人工来设定工作频率）两种状态下工作，并且具有自耦减压启动与变频器启动的互相切换功能，当其中的一种工作方式处于检修或者发生故障的时候，能够由人工切换到另外一种工作方式上去，而不会影响到正常的生产。⑤自耦减压启动柜与变频调速控制系统的启停及二者的功能切换均可以就地操作。 

　　这个厂的运行实践表明：利用限定变频器频率的方法来降低电动机的转速，可以使风量正好符合工艺的需要，实现风机的经济运行。

　　9 变频技术在煤气输送中的应用

　　兖州矿业（集团）公司焦化厂在煤气鼓风机控制系统采用了变频技术，提高了煤气收集质量，保证了冷鼓、硫铵、粗笨等生产系统的正常工作，消除了因煤气纯度带来的潜在危险，使自动化管理水平得到提高，节省了电费开支，同时还延长了风机、元件及控制设备的使用寿命，效果十分显著。

　　该厂132kW煤气风机用变频控制系统的主控制参数是焦炉集气管的煤气压力，当集气管压力变化的时候保证机前吸力在小于4.413kPa的范围内变化。该装置首先将检测到的集气管实际压力与设定的压力值进行比较，如果实际压力值低于设定压力，则进行PI数据处理，使变频器降低电源频率，从而降低风机转速以减小机前吸力。反之，如果检测到的实际值比设定值大，变频器就升频来增加风机转速，增大机前吸力，使煤气的收集根据焦炉生产量的大小来自动调节，保证煤气收集质量。通过变频器调速，罗茨鼓风机的转速随着系统压力的变化而变化，使系统在最优方式下经济运行。

　　由于罗茨风机在工频状态运行时，原始启动方式为自耦降压启动，启动电流大，设备及控制开关、元器件使用寿命短，生产成本高，同时罗茨鼓风机的排气、压力条件全靠旁通管打回流来实现，旁通阀的开度一般在20%左右，这就意味着要有20%左右的流量回流才能调节机前吸力。

　　采用变频调速以后便不存在回流调节的问题，从而节约了49%的电能，年节约电费20万元以上。专家们指出：虽然变频调速装置的主机价格较高，但其性能好、可靠性强，使用寿命长，一般可用15年左右，而2年的节能费用就可收回设备的投资，经济效益是十分可观的。

　　10 中密度纤维板压力机变频节能改造

　　兖州矿业（集团）公司杨村煤矿针对木材厂生产纤维板的压力机多台高压油泵在每个压板周期内有较长时间处于卸荷空转状态的情况，采用变频器对电动机进行拖动控制，达到节能降耗的目的。

　　该压力机含有15层5100mm×1750mm的压板，用来同时压制15层铺好的板坯。因在压制过程中需要较高的压力，压力机底部有8只Φ400mm行程3810mm的柱塞油缸，需要的系统压力最高达28Mpa。压力机液压系统由两个8.5m3的低压蓄能器、三台A7V500LV5.1RPFHO斜轴式轴向变量柱塞泵、四组叶片泵及各自的阀组组成。每组叶片泵包括一台两端输出的电动机和T6D-035和T6E-066两台叶片泵。因为电动机采用星形—三角形启动，压力机整个运行周期内有多台泵处于较长时间的空转状态，白白浪费了较多的电能。如仅用PLC控制接触器使电动机启停，又会使电动机因为频繁启动而造成电流过大跳闸，更会对电动机及电气元件造成较大的损害。

　　为了不对电气设备造成损害又能起到节能的效果，他们对两台柱塞泵电动机和四台叶片泵电动机进行变频改造。所使用的变频器为施耐德Altivar71型，根据电动机的功率选用。通过设定加速段的斜坡时间为25s，使电动机缓慢加速到工频50Hz，压力机上升及第一阶段全速运转。第二阶段为升压阶段，根据原设备压力传感器4～20mA信号，依据板坯厚度及工艺需要设定逻辑信号处理程序，使泵按照需要的速度运转，提供合适压力并使压力平稳上升。自从第二阶段保压开始，电动机按照设定减速斜坡时间25s缓慢停止。待到压力机下降的时候此泵缓慢加速，准备下一个工作循环。

　　由于避免了多台泵空转时间，减少了液压油循环量，有效降低了液压油温度，较好减少了因油温过高、控制阀芯动作不可靠导致的设备故障。按照平均每小时生产10车板计算，每天可以节约电能634kW·h，全年至少节约电能19万kW·h，约为10万元。

　　11 恒水位变频技术在生活污水泵房的应用

　　兖州矿业（集团）公司济宁三号煤矿将恒水位变频技术和PLC自动监控装置应用在生活污水处理系统中，对污水处理过程实现了自动化、智能化控制。

　　这个煤矿的生活污水由污水池经2台防腐污水泵排放。其中一号泵为15kW、60m?/h的离心式耐酸陶瓷泵，二号泵为30kW、400m?/h的离心式污水泵，2台泵共用1条Φ200mm排水干管。原先由值班人员根据液位高度变化人工掌握开启一号或二号泵。由于生活污水是昼夜不停排放且流量不断变化的，值班人员对水位很难控制，两台泵难以及时切换。另外，二号泵由于流量较大，又无节能调速措施，能源浪费严重。为此，他们对生活污水排放进行了技术改造：对二号泵增加变频调速装置，以节能降耗，减少运行费用；实现有水位控制的污水泵站自动化，达到无人值守的目的。离心式水泵的流量与转速成正比，通过改变电源频率、调节电机转速，达到按需要改变流量的目的。此系统主要由变频器、液位传感器、控制柜、水泵等组成。

　　工作的时候，只要将污水池的水位与给定的水位进行比较，其差值经过运算以后控制变频器的输出频率，并且最终控制水泵的电动机转速。挡水池水位增高的时候，与给定的水位比较以后变频输出频率增高，排水量增大；反之亦然，使得系统保持恒水位排水。高低水位计选用浮球式控制开关，挡水位降低到最低水平时，水泵停机。此外，变频器本身保护也很完备，对电动机缺相、堵转、过流、过热、欠压等保护灵敏可靠。该自动化控制系统还可与螺旋泵房等设施配合使用，通过超声波浊度仪对水质进行监测，用螺旋泵房等配套设施将不达标的生活污水排入处理站重新进行处理，直至达标外排。