平煤股份八礦破碎機智能節(jié)能控制技術的研究

 1 智能節(jié)能控制技術的概述
1.1 項目的背景、依據(jù)和意義 隨著能源緊張的日趨嚴重，煤炭行業(yè)也越來越重視生產(chǎn)的高效率。在實際使用中，膠帶輸送機、刮板機、破碎機等設備中的電動機負荷變動比較大，其平均輸出功率與最高輸出功率之比一般為 0.2～0.4，電動機的負載率低，效率不高，進而浪費了大量電能，節(jié)能空間比較大。
智能節(jié)能控制技術以破碎機為研究對象，研究分析電機的較準確模型、變頻調(diào)速、功率匹配原理、最大效率運行以及矢量控制等，并結(jié)合調(diào)壓和無功補償?shù)燃夹g，對低碳控制方法進行綜合研究，借助人工智能專用芯片，自動監(jiān)測電動機的負荷狀況，能根據(jù)電機實際負荷的大小，供給電機最適宜的電壓與電流，進而滿足節(jié)能的需要。
1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 傳統(tǒng)的控制采用Y—△（星-三角）運行、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，該方法通過降低電機勵磁電流進而提高功率因數(shù)和運行效率，但是節(jié)能效果不是十分理想。對于特定的周期性變工況負載，在空載和發(fā)電工況時斷開電源，將電流和損耗變?yōu)榱?，當重新進入電動工況時可以再通電繼續(xù)運行，對電網(wǎng)沖擊太大。目前國內(nèi)外已經(jīng)有部分企業(yè)采用調(diào)速節(jié)能，但會改變工作周期和工作效率，這對于煤炭行業(yè)有工作周期要求的變工況負載不適合。
1.3 本項目對促進集團公司發(fā)展工作的作用和意義 該申請研究項目通過研究煤礦典型周期性變工況負荷，以破碎機為研究對象，結(jié)合調(diào)壓和無功補償?shù)燃夹g研究綜合智能節(jié)能控制方法，采用人工智能專用芯片，自動調(diào)節(jié)，無需人工干預，在輕負荷的情況下電機電壓自動降至最低需求而轉(zhuǎn)速保持恒定，對煤炭行業(yè)的能源高效利用和節(jié)能減排工作有重要意義。
2 主要研究內(nèi)容、試驗內(nèi)容和技術關鍵方案
2.1 研究的主要內(nèi)容：①研究探討功率匹配原理在周期性變工況負荷控制中的應用。②研究功率匹配最大效率控制下的矢量控制，確定帶有磁鏈觀測器、轉(zhuǎn)矩估算器的較為簡單的功率匹配下的最大效率控制的矢量控制系統(tǒng)框圖。③在惡劣電網(wǎng)條件下，對周期性變工況載荷控制中的擾動抑制控制、轉(zhuǎn)速控制器設計等若干技術的研究。④兼顧工程實際和智能節(jié)能控制相關技術的發(fā)展，采用智能控制理論以解決電機參數(shù)時變性強、離散性大的特點和節(jié)能控制中算法振蕩的問題。⑤對本項目的主要工作和貢獻作總結(jié)，根據(jù)其他原煤生產(chǎn)單位的具體條件和掌握的資料、數(shù)據(jù)，研究提出周期性變工況典型負荷智能節(jié)能控制技術方案。
2.2 關鍵技術如下：①研究變化著的鐵心損耗和磁飽和等非線性問題對異步電機的運行的影響以及相應的處理方法。②對電機的功率匹配原理進行完善，深入研究功率匹配原理在電機控制中的應用。③針對與功率匹配最大效率控制的特點，研究分析幾種常用的開關脈沖的產(chǎn)生方法。④進行恒速恒負載轉(zhuǎn)矩變頻實驗和恒負載轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速兩組實驗，從而也驗證異步電機的功率匹配最大效率控制的原理。⑤根據(jù)系統(tǒng)實施情況，及時將研究的結(jié)果加以推廣應用。
2.3 技術路線：①元器件在工廠經(jīng)過篩選；②盡可能采用貼片工藝；③板級做好前三防和后三防；④整機經(jīng)過24小時運輸考驗后進行工業(yè)化試驗和運行；⑤同時進行兩臺樣機的試驗；⑥工業(yè)運行至少三個月。
2.4 技術指標（2*37kW破碎機一臺）：①供電電壓：380～440V（+10%/-15%）；②起動負荷：3倍裝置額定電流可承受30秒；5.5倍裝置額定電流可承受5秒；③起動電壓：供電電壓之30～70%；④起動扭力：直接起動扭力的9-49%；⑤故障檢測：可控硅短路及缺相會自動中斷；⑥散熱：自然散熱<42安，強制散熱>53安；⑦具有缺相、過載、短路、不對稱、自動重合等比較齊全的保護功能；⑧操作形式：符合現(xiàn)場操作習慣的操作。
2.5 環(huán)境效益 該產(chǎn)品屬于電子電氣產(chǎn)品，采用板級外協(xié)，最后裝配的生產(chǎn)模式。因此，工廠對外不產(chǎn)生廢氣、廢水，只有少量報廢的電子元器件和電路板。對城市環(huán)境不會造成污染，設備本身有許多降低諧波和提高功率因數(shù)措施，電機在最高轉(zhuǎn)速時所產(chǎn)生的第5及第7類電源諧波只有8%及1%。
3 本項目技術先進性、可行性分析評價
①智能節(jié)能控制技術在確保煤礦安全生產(chǎn)條件下，利用最小輸入有功功率最優(yōu)控制方法實現(xiàn)電機經(jīng)濟運行。②智能節(jié)能控制裝置安裝后所產(chǎn)生的諧波電壓的總畸變率和各次諧波電流的有效值能夠符合國家標準，不會造成諧波污染。③該系統(tǒng)同時具有電流、電壓和功率因數(shù)在線檢測功能，并且可以通過CAN總線與上位機進行數(shù)據(jù)交換，可以方便實現(xiàn)遠程監(jiān)控。④結(jié)合高速發(fā)展的計算機技術、人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術等，實現(xiàn)異步電動機的高級智能控制。⑤本項目所設計的智能節(jié)能控制裝置實現(xiàn)了電機的軟起動與軟剎車、過載保護、缺相以及三相不平衡保護，通過在實驗室以及現(xiàn)場實驗，證明其功能是可靠的。
4 本項目預期目標、預計推廣前景
4.1 預期目標 ①提交一套周期性變工況負荷智能節(jié)能控制方案及其安裝圖；②提交安裝周期性變工況負荷智能節(jié)能控制器后，破碎機在空載、輕載和滿載條件下的節(jié)能測試報告。
4.2 市場需求情況分析及經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益預測 ①國內(nèi)外市場推廣應用前景和市場需求情況分析預測。周期性變工況負載智能節(jié)能控制技術實現(xiàn)了異步電機輕載或空載情況下節(jié)能，提高電機運行效率，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益，具有十分重要的理論和實際意義。②項目完成后的預期經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益。使用智能節(jié)能控制器不僅能在一年至兩年左右利用減少的電費開支收回設備投資，還能減少維護修理費用、減少設備的再投入資金、減少用電設備的故障，從而給用戶帶來了不可估量的經(jīng)濟效益。
5 實施措施和進度安排
①2013.1～2013.2，深入礦區(qū)，分析其運行狀態(tài)和安全運行要求，消化資料，組織綜述報告，找出問題的切入點； ②2012.3～2012.5，對典型負荷各種智能節(jié)能控制技術以及軟起動方式進行研究比較，在此基礎上確定合適的智能節(jié)能控制技術以及軟起動方案；③2013.6～2013.7，智能節(jié)能控制器的構建：包括設計和搭建整個控制系統(tǒng)；④2013.8～2013.9，現(xiàn)場安裝以及工業(yè)性試驗，對前期算法進行最終確定，進一步積累經(jīng)驗；⑤2013.10～2013.11，電路及程序調(diào)試：根據(jù)控制要求完成和改進控制算法，進一步調(diào)整程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的正確運行。
6 結(jié)束語
通過上述分析，隨著能源的日趨緊張，智能節(jié)能控制技術適應了環(huán)保的需要，同時智能節(jié)能控制技術，在一定程度上提高了電機的運行效率，為煤礦企業(yè)節(jié)能減排工作的順利實施創(chuàng)設了便利條件。