張立文

（神華包頭能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

變頻節(jié)能技術(shù)在煤礦機(jī)電設(shè)備的應(yīng)用探析

張立文

（神華包頭能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

我國開采煤礦資源的程度越來越深，為緩解煤礦資源的能源短缺等問題，節(jié)能安全，提高生產(chǎn)效率已經(jīng)成為我國當(dāng)前煤礦生產(chǎn)中的重要原則。為此，改進(jìn)煤礦機(jī)電設(shè)備，在提高設(shè)備生產(chǎn)效率的同時(shí)，提高設(shè)備的節(jié)能效果和設(shè)備技術(shù)含量成為當(dāng)前的重要問題。在這一背景下，變頻節(jié)能技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。變頻節(jié)能技術(shù)具有良好的節(jié)能效果與和緩的機(jī)械調(diào)節(jié)功能，極大改進(jìn)了煤礦機(jī)電設(shè)備。本文主要介紹了變頻節(jié)能技術(shù)在煤礦機(jī)電設(shè)備中的發(fā)展?fàn)顩r，并詳細(xì)介紹了其在煤礦機(jī)電設(shè)備中的應(yīng)用。

變頻節(jié)能技術(shù)；煤礦機(jī)電設(shè)備；發(fā)展現(xiàn)狀；應(yīng)用

我國是一個(gè)煤礦資源豐富的國家，尤其在淺層地表，蘊(yùn)含著大量的礦產(chǎn)資源，在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，煤礦資源扮演著重要角色。然而，在煤礦開采上，相比于其他煤礦資源豐厚的國家，我國卻仍存在著煤礦開采效率低、安全性不高、耗電嚴(yán)重等問題，造成了巨大的資源浪費(fèi)。據(jù)相關(guān)人員統(tǒng)計(jì)，煤礦井下的提升機(jī)、排水泵、通風(fēng)機(jī)械、運(yùn)輸機(jī)械，僅此四大件的耗電量占據(jù)煤礦開采整體耗電量的60%以上，且耗費(fèi)的多數(shù)電能并非被機(jī)械應(yīng)用，而是直接浪費(fèi)。基于此，提高煤礦機(jī)電設(shè)備的節(jié)能效果成為重點(diǎn)，變頻節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用有效緩解了機(jī)械耗電問題，被廣泛應(yīng)用在煤礦機(jī)電機(jī)械中，成為節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的重要手段。

1 變頻節(jié)能技術(shù)

電力電子技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了交流電力傳動(dòng)的發(fā)展。在變頻節(jié)能技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，不僅帶來良好的調(diào)速功能，還具備著節(jié)約資源、減少設(shè)備維護(hù)費(fèi)用和提高設(shè)備壽命等優(yōu)勢。尤其是在大容量或者較為惡劣的工作環(huán)境中，變頻節(jié)能技術(shù)的作用更加明顯。因此，了解變頻節(jié)能技術(shù)的基本原理，熟悉其發(fā)展?fàn)顩r，已經(jīng)成為社會各界人士廣泛關(guān)注的問題。

1.1 變頻節(jié)能技術(shù)的發(fā)展情況

隨著社會的發(fā)展，電力電子技術(shù)與控制理論的不斷進(jìn)步，變頻技術(shù)在煤礦機(jī)電設(shè)備中的廣泛應(yīng)用，變頻技術(shù)的理論與應(yīng)用得到快速發(fā)展。在功率方面，變頻技術(shù)經(jīng)過了GTR、ICBT的更替，并發(fā)展出了智能功率模塊IPM。在控制理論上，壓頻比（U1/f）控制方式得到改進(jìn)，矢量控制與轉(zhuǎn)矩直接控制被廣泛應(yīng)用于變頻器中，模糊自優(yōu)化控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等控制方法成為新的研究方向。在功能上，變頻器的綜合化提高，不僅能夠完成基本調(diào)速功能，還具有編制程序、參數(shù)辨識、通信、節(jié)能等功能，變頻器的應(yīng)用越來越廣泛。變頻調(diào)速技術(shù)是改善電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的一種先進(jìn)技術(shù)，能夠使電動(dòng)機(jī)在較為節(jié)能的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，取得了較明顯的節(jié)能效果。煤礦井下的環(huán)境較為特殊，瓦斯、煤塵等易燃易爆物質(zhì)是礦井下必備產(chǎn)物，為煤礦開采帶來較大危險(xiǎn)性。隨著科技的發(fā)展，變頻節(jié)能技術(shù)在其他設(shè)備充分展現(xiàn)其節(jié)能、調(diào)速等效果，該項(xiàng)技術(shù)才真正被逐步應(yīng)用于煤礦機(jī)電設(shè)備上。伴隨變頻節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)效率大大提升，提高了煤礦機(jī)電設(shè)備的性能，節(jié)約了電能的使用，減少了電能的浪費(fèi)，提高了煤礦企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，提高了我國經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。

1.2 變頻節(jié)能技術(shù)的基本原理

變頻技術(shù)主要是指改變交流電頻率，使應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)的設(shè)備達(dá)到自動(dòng)化控制，是一項(xiàng)無附加轉(zhuǎn)差損耗的現(xiàn)代化調(diào)速方式。在機(jī)械設(shè)備中應(yīng)用變頻技術(shù)，相關(guān)人員可通過機(jī)電設(shè)備負(fù)載段的變化值，在系統(tǒng)前段為設(shè)備設(shè)定參數(shù)值，改變設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，提高機(jī)電設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)效率。

式中，n表示應(yīng)用變頻技術(shù)設(shè)備的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；f表示頻率；p表示電機(jī)級數(shù)。當(dāng)n一定時(shí)，改變f，則n相應(yīng)隨之變化；當(dāng)f在0～50Hz范圍內(nèi)變化時(shí)，n的調(diào)節(jié)范圍較寬。變頻調(diào)速就是利用這一原理改變點(diǎn)動(dòng)力電源頻率，進(jìn)而起到調(diào)速效果。

2 不同類型變頻器在煤礦機(jī)電設(shè)備中的應(yīng)用

變頻器的廣泛應(yīng)用，推動(dòng)了變頻器的發(fā)展，目前，變頻器已經(jīng)發(fā)展出多種不同類型，常見變頻器主要有常規(guī)式變頻器和交流四象限變頻器兩種。

2.1 常規(guī)式變頻器在煤礦機(jī)電設(shè)備中的應(yīng)用

在煤礦生產(chǎn)領(lǐng)域中，常規(guī)式變頻器應(yīng)用得非常廣泛，且不僅僅應(yīng)用于煤礦機(jī)電設(shè)備中。常規(guī)式變頻器不僅具備降低能源消耗、節(jié)約能源的基本功能，還能夠提高設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)的靈活性、智能化，提高系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制，使設(shè)備操作更加便捷，這些功能使得常規(guī)式變頻器應(yīng)用更加廣泛。隨著知識型經(jīng)濟(jì)時(shí)代的到來，各種技術(shù)的更新速度加快、知識周期變短，常規(guī)式變頻器只有不斷更新才能保障其在煤礦機(jī)電設(shè)備中的重要地位。目前，常規(guī)式變頻器逐漸向模塊化、多功能化轉(zhuǎn)變，其優(yōu)越性更高。模塊化多功能變頻器的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾方面：其一，具備標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)化調(diào)試軟件；其二，工能廣泛且豐富；其三，通訊接口是系統(tǒng)集成，安全性較高，使用較為便捷，操作與控制較為靈活。通過上述功能可知，常規(guī)式變頻節(jié)能技術(shù)在我國煤礦機(jī)電設(shè)備應(yīng)用上具有較大潛能，模塊化多功能變頻器在煤礦機(jī)電設(shè)備上的應(yīng)用，必將取得更好的節(jié)能效果。

2.2 交流四象限變頻器在煤礦機(jī)電設(shè)備中的應(yīng)用

在煤碳采掘中，若采掘設(shè)備需要在大坡度工作面上采煤，則煤礦機(jī)電設(shè)備需要頻繁調(diào)速、起停，尤其是提升機(jī)、輸送機(jī)、電鏟等煤礦機(jī)電設(shè)備，對此，保障煤礦機(jī)電設(shè)備內(nèi)的變頻器能夠四象限工作非常重要。四象限變頻器工作原理：變頻器對蒸餾電路進(jìn)行操作，使變頻器內(nèi)全波整流橋轉(zhuǎn)變?yōu)橛蒊PM構(gòu)成的可控整流橋，當(dāng)電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)，則四象限變頻器工作狀態(tài)與普通二象限變頻器相同，當(dāng)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，則四象限內(nèi)原先的逆變電路將會作為整流電路工作，原先的整流電路轉(zhuǎn)化為逆變電路進(jìn)行工作，兩種電流的轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)了電量向電網(wǎng)的回饋，極大提高煤礦機(jī)電設(shè)備的節(jié)能效率。

3 變頻節(jié)能技術(shù)在煤礦機(jī)械設(shè)備中的應(yīng)用

3.1 變頻節(jié)能技術(shù)在采煤機(jī)中的應(yīng)用

采煤機(jī)是一種集機(jī)械、電氣與液壓為一體的大型復(fù)雜系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)機(jī)械化與現(xiàn)代化的重要設(shè)備。因此，在煤礦開采中，采煤機(jī)占據(jù)著重要地位。大多時(shí)候，采煤機(jī)的工作環(huán)境惡劣，加之本身系統(tǒng)的復(fù)雜性，因此，提高采煤機(jī)的性能顯得尤其重要。在煤礦開采過程中，采煤機(jī)占據(jù)主力地位，一旦采煤機(jī)發(fā)生故障，極易影響采煤過程的全部環(huán)節(jié)，導(dǎo)致采煤工作中斷，為煤礦企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。在采煤過程中，采煤機(jī)占據(jù)著重要位置，因此，人們對其功能的要求越來越高，然而功能提高，各種新科技不斷應(yīng)用的同時(shí)，同樣增加了采煤機(jī)的維修難度，一旦采煤機(jī)出現(xiàn)故障，極大影響了生產(chǎn)效率。變頻節(jié)能技術(shù)的出現(xiàn)與應(yīng)用，采煤機(jī)具備了變頻調(diào)速功能，節(jié)約能源的同時(shí)，提高了采煤機(jī)的生產(chǎn)效率，降低了采煤機(jī)出現(xiàn)故障的幾率。近年來，人們對煤礦的需求量逐年降低，許多煤礦企業(yè)經(jīng)濟(jì)損失較大，在此環(huán)境下，只有不斷降低采煤過程所需成本，才能夠避免企業(yè)入不敷出的現(xiàn)象，煤礦企業(yè)大膽創(chuàng)新，將能量回饋性四象限變頻器運(yùn)用在電牽引采煤機(jī)中，不僅提高了采煤機(jī)的科學(xué)含量，同時(shí)減少了采煤機(jī)的損壞，提高了生產(chǎn)效率，進(jìn)一步節(jié)約能源，極大降低了煤礦開采時(shí)的成本。目前，我國采煤機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)由“一拖二”發(fā)展至“一拖一”，并且我國在能量回饋性四象限變頻調(diào)速采煤技術(shù)上已經(jīng)處于世界領(lǐng)先地位。

3.2 變頻節(jié)能技術(shù)在風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用

在礦井生產(chǎn)時(shí)期，隨著礦井開采程度的加深，礦井內(nèi)含煤量不斷減少，為保障煤礦生產(chǎn)的安全性，礦井通風(fēng)設(shè)計(jì)也應(yīng)隨著礦井生產(chǎn)的時(shí)期而不斷變化。過去，我國多數(shù)煤礦開采企業(yè)為保障煤礦的通風(fēng)效果，提高礦井生產(chǎn)的安全性，在礦井生產(chǎn)中期會重復(fù)不斷更換風(fēng)機(jī)，然而該種方式不僅為工作人員增加負(fù)擔(dān)，且風(fēng)機(jī)極易損壞，增大了生產(chǎn)成本的投入。并且被更換下的風(fēng)機(jī)也被擱置，設(shè)備利用率低下，造成資源浪費(fèi)。變頻節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用，將傳統(tǒng)的電機(jī)調(diào)速技術(shù)、現(xiàn)代電力電子技術(shù)以及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)有機(jī)結(jié)合，風(fēng)機(jī)具備了自動(dòng)調(diào)速功能，使風(fēng)機(jī)由原先需要不斷更換的狀態(tài)下解脫出來，減少了資源的閑置與浪費(fèi)，起到較好的節(jié)能效果。并且，變頻節(jié)能技術(shù)在風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用，提高了風(fēng)機(jī)的調(diào)速效率、調(diào)速范圍與調(diào)速精度，提高風(fēng)機(jī)的運(yùn)行性能，節(jié)約了頻繁維修所花費(fèi)的成本，降低了啟動(dòng)所需的電流量，風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制，有效節(jié)約了電能。

3.3 變頻節(jié)能技術(shù)在帶式輸送機(jī)中的應(yīng)用

帶式輸送機(jī)是一種以摩擦力為驅(qū)動(dòng)力來運(yùn)輸物料的機(jī)械，由機(jī)架、輸送帶、滾筒、傳動(dòng)裝置等組成，是將煤炭、矸石等由井下運(yùn)輸至井外的最佳幫手，在礦井開采中起著重要作用。目前，在大多礦井開采過程中，采用的運(yùn)輸裝置多是以電動(dòng)機(jī)輸出為動(dòng)力，以摩擦阻力為主要牽引力的帶式輸送機(jī)。在帶式輸送機(jī)工作過程中，多是以工頻拖動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的軟啟動(dòng)，極易造成皮帶老化甚至斷裂，影響運(yùn)輸效率，造成較大成本浪費(fèi)。采用變頻節(jié)能技術(shù)后，變頻器能夠隨時(shí)將電機(jī)中產(chǎn)生的負(fù)力回饋給電網(wǎng)，有效降低了啟動(dòng)電機(jī)時(shí)的大流量沖擊，減少設(shè)備過熱情況發(fā)生，延長了帶式輸送機(jī)的使用壽命，節(jié)約成本；并且，變頻節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用，將電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)至經(jīng)濟(jì)狀態(tài)，當(dāng)輸送機(jī)負(fù)荷率較低，則電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，主設(shè)備與相應(yīng)輔設(shè)備磨損較輕，較少設(shè)備發(fā)生故障的幾率；另外，變頻節(jié)能技術(shù)在帶式輸送機(jī)中的應(yīng)用，能直接對電機(jī)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，且電機(jī)啟動(dòng)電流不超過其額定電流的1.2倍，保障了電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行，且變頻器對電機(jī)過流、短路、過壓等多項(xiàng)功能均起著保護(hù)作用，更好地保護(hù)電機(jī)，降低了維修成本，為企業(yè)帶來更高效益。

3.4 變頻節(jié)能技術(shù)在提升機(jī)中的應(yīng)用

提升機(jī)是一種通過改變勢能進(jìn)行運(yùn)輸?shù)拇笮蜋C(jī)械設(shè)備。在煤礦生產(chǎn)過程中，提升機(jī)除了運(yùn)輸煤炭等物料外，能夠有效保障采煤作業(yè)人員的安全，在煤礦開采中占據(jù)著非常重要的作用。在變頻節(jié)能技術(shù)未被煤礦機(jī)電設(shè)備應(yīng)用前期，人們?yōu)橘x予提升機(jī)的調(diào)速功能，將金屬電阻運(yùn)用在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電路中，雖然起到一定的調(diào)速作用，然而，在作業(yè)人員真正操作設(shè)備時(shí)，調(diào)速功能很難起到效果，各種各樣的問題存在其中，尤其是安全問題與電能大量消耗問題，此兩種問題直接阻斷了該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展。變頻節(jié)能技術(shù)的出現(xiàn)與應(yīng)用，提升機(jī)才真正具備調(diào)速功能，并起到了其保護(hù)作業(yè)人員安全的作用?，F(xiàn)今，科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，變頻節(jié)能技術(shù)也經(jīng)過不斷更新，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字信息化控制，將四象限變頻器與變頻防爆提升機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)行，提高了提升機(jī)的遠(yuǎn)程控制，有效控制了提升機(jī)的輸出與輸入接口，保障工作人員與物料的安全、高效輸送。

3.5 變頻節(jié)能技術(shù)在主排水泵中的應(yīng)用

排水泵的主要目的是抽送液體，在這一過程中，排水泵將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液體能量。排水泵不僅僅能夠進(jìn)行液體的傳輸，還能夠?qū)崿F(xiàn)液體的增壓，在煤礦開采過程中的給液、給水中發(fā)揮著重要作用。在沒有引進(jìn)變頻技術(shù)前，排水泵擁有較長的空轉(zhuǎn)時(shí)間，在排水泵頻繁起停工作中，不僅消耗大量電能，排水泵還易發(fā)生故障，造成資源與成本的浪費(fèi)。自變頻節(jié)能技術(shù)應(yīng)用于排水泵以來，有效提高了排水泵的運(yùn)行率，減少了設(shè)備發(fā)生故障的幾率，電能消耗明顯降低，且排水泵的操作更加方便，排水泵起停減速效果也得到有效控制。

4 結(jié)語

當(dāng)前，我國煤炭行業(yè)的規(guī)模不斷發(fā)展擴(kuò)大，煤礦機(jī)電設(shè)備科技水平的提高越發(fā)重要。變頻節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用不僅賦予了設(shè)備良好的節(jié)能效果，更為設(shè)備增加了調(diào)節(jié)功能，促進(jìn)煤電機(jī)械設(shè)備更進(jìn)一步發(fā)展。在文中，筆者簡單介紹了變頻節(jié)能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與基本性能，并探討了不同類型變頻器在煤礦機(jī)電設(shè)備中的應(yīng)用，詳述了變頻節(jié)能技術(shù)在采煤機(jī)、排水泵、提升機(jī)、輸送機(jī)等機(jī)械中的應(yīng)用，介紹了變頻技術(shù)及其應(yīng)用所帶來的優(yōu)勢。

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