變頻控制技術在煤礦機電中的應用研究

何新建

(河南省煤層氣開發利用有限公司，河南 鄭州 450016)

變頻器是一種具有無沖擊啟動與軟停機優良控制特性的新型電力變換裝置，近年來已經廣泛的應用于工業生產的不同層面，實現了較好的效果。但是，在煤礦環境中，由于生產環境的特殊性，變頻控制技術在煤礦中的應用相對較晚，而在國家節能減排目標的號召下，煤礦機電應用變頻控制技術已經勢在必行——主通風機、空氣壓縮機、水泵、提升絞車、牽引電機車等——都將把該技術應用其中，改善工況點，提高運行效率［1］。可見，隨著煤礦生產過程復雜性的不斷增強和現代電力電子技術與微電子技術的迅速發展，變頻控制技術在煤礦機電中的應用逐漸成熟，煤礦設備的可靠性、操作性和節能型得到了不同程度的提升，對采礦業的生產運行效率起到了極大的促進作用。基于此，本文首先對煤礦機電設備中變頻技術進行了闡述，然后討論了變頻技術在煤礦機電中的作用和具體應用。相信隨著科學技術的不斷發展，變頻控制技術將得到進一步的發展，也將在煤礦機電中得到更加廣泛的應用，使煤礦企業的生產更加科學、理性和安全。

1 變頻控制技術及其在煤礦機電中的重要性

1.1 變頻控制技術原理

變頻控制是一綜合性的技術門類，涉及到電機傳動技術、電力電子技術和計算機技術等，主要應用于強弱電和機械設備的運行之中［2］。對變頻控制技術而言，其工作原理是經由半導體元件把工頻電流信號轉換成其他的頻率，而后再把轉換成的工頻交流電轉換為直流電，并在這一過程中通過逆變器實現對電壓與電流的控制和調節，使機電設備處于無級調速的狀態之中。在煤礦機電中，變頻控制技術的應用就是要通過電機轉速和電流頻率之間的同步增長關系，實現對電機轉速和機電設備的有效控制。同時，將變頻控制技術應用于煤礦機電中，該可以在一定程度上實現對設備的平穩和自動加、減速控制，從而提高煤礦的工作效率，降低能耗。

1.2 變頻控制技術的發展

近年來，在科學技術尤其是電子信息技術的推動下，變頻控制技術得到了飛速的發展，無論是在理論研究還是在實踐應用方面，都獲得了長足的進步，所取得的經濟效益和社會效益都是非常可觀的［3］。比如，隨著變頻控制技術在節能減排領域中的突出表現得到越來越廣泛的認可，越來越多的生產企業和行業領域都試圖嘗試使用變頻控制實現對生產機械設備運轉的控制;再如，變頻控制技術中智能控制模塊的出現，實現了控制方式和控制功能的拓展，生產活動的綜合化水平得到了前所未有的提高，同時也促進了變頻控制技術在更為廣闊空間內的應用。而在自動化控制與網絡技術的輔助下，變頻控制技術的集成程度也不斷提高。

1.3 變頻控制技術在煤礦生產中的重要性

隨著我國經濟社會的不斷進步，尤其是工業生產規模的不斷擴大，社會對能源的需求量長期處于高漲的趨勢。雖然最近幾年在國內外因素的共同作用下，我國能源的需求量處于較為平穩的態勢，但是最為基礎性資源的煤炭還是在國民經濟中充當重要的不可替代的角色［4］。在這種情況下，煤礦資源得到了不斷的甚至是過度的開采，煤礦資源的儲量越來越有限，煤礦開采企業之間的競爭也表現出了前所未有的激烈程度。能否在提高產量的同時，進一步的提高機械設備的利用效率，最大限度的節約資源，減少污染物的排放，就成為決定煤炭企業競爭成敗的重要因素［5］。在這種情況下，開始有煤炭企業注意到了科學技術對于上述目標實現的重要性，有意識的在煤礦機械電設備中融入變頻控制技術，以此來實現節能減排、提高企業競爭力和保護環境的目的，也唯有如此，才能保證煤炭企業獲得長期的穩定發展。并且，變頻控制技術在煤炭企業得到應用之后，因其良好的可控性與節能性受到了越來越多企業的關注，更多種類的變頻設備應用到了這一領域之中［6］。

2 變頻控制技術在煤礦機電中的適用層面

2.1 流體負荷設備對變頻控制技術的適用性

在煤礦機電設備中，將變頻控制技術應用到流體負荷設備中，能夠實現更高的自動化水平和運行效率：(1)在掘進的整個過程中，風量在變頻控制技術的作用下，能夠實現動態的控制，以此滿足不同情況下的需求，這樣一來，除了能夠節省寶貴的時間外，還能夠在很大程度上實現對電能的節約;(2)如果出現了計劃性停風或者意外停電的情況，此時是不必由人來進行瓦斯排放的，只需通過自動調速裝置的功能就能夠實現目標;(3)在串聯通風狀態下，能夠通過自動調速裝置實現對上級風量的有效控制，下級通風也會因此得到必要的保障;(4)在供電正常的情況下，通風機自動調速裝置可以根據掘進工作面涌出的瓦斯量，對風速進行自行的調整，降低瓦斯超限的風險。

2.2 采煤機層面使用交流四象限變頻器

將變頻控制技術應用于采煤機層面時期又一個主要的應用層面。其工作原理為，整流電路能夠依據四象限變頻器對全波整流橋進行調整，使其以可控整流橋的狀態出現。當電機位于具體的電動狀態之下時，四象限變頻器與兩象限變頻器之間并不存在明顯的差異，但是當電機表現為發電狀態時，四象限變頻器中的逆變電路將以整流電路的形式開始具體工作，而原來的整流電路則以逆變電路的形式工作［7］。在當前情況下，我國采煤機在能量回饋型四象限中使用交流變頻控制技術已經發展到了世界領先水平，不但能夠在額定轉速下實現對恒定轉矩的調速，還能夠在額定轉速之上完成恒定功率的調速。

3 變頻控制技術在煤礦機電設備中的具體應用

3.1 變頻控制技術在煤礦主通風機的應用

伴隨著煤礦開采量的不斷增大，對通風機功率的要求也越來越高，將變頻控制技術應用到通風機設備已經成為一種明顯的趨勢。其目的在于根據實際情況改變風量、降低能耗。因此，經過改造之后的通風機會在變頻控制技術的作用下，通過軟啟動達到避免出現啟動時電流過大的情況，減少對電網設備的沖擊，降低危險事故發生的概率。更為重要的是，這樣做能夠視實際情況完成對設備的啟動與停止操作，控制通風機的強度，增加其使用壽命。

3.2 變頻控制技術在電控保護系統中應用

在煤礦生產過程中，電控系統與保護系統也在采用變頻控制技術，控制箱一般采用快開門方式，電氣控制則采用雙PLC全數字控制系統［8］。該系統還具有相應的保護試驗功能。比如，聲光信號和控制回路具有閉鎖功能，在未接到信號時是不能開車的;深度指示也以數字的形式顯示出來，使得礦車在巷道中運行位置能夠準確的顯示出來，而當深度指示失效時，還能夠完成迅速斷電、停車的功能;絞車控制可以通過手動、自動、檢修運行以及遠程控制等手段完成。

3.3 變頻控制技術在礦井提升機的應用

在煤礦生產過程中，礦井提升機負責輸送物料與人員，其重要性不言而喻。而作為礦井生產四大運轉部件中最為重要的設備，其傳統的調速模式為通過在電動機轉子電路內接入金屬電阻的方式完成。該類控制裝置的缺點是不容置疑的：不但電阻消耗大、還存在散熱難以解決的問題;此外，電阻只等完成有級調速，對于無極調速是難以實現的。將扁平控制技術應用到這一領域中，將能夠很好的轉變這一狀況，實現在較大范圍內的調速，提升提速的精度性和安全性。更為重要的是，它能夠在減速段與下放時保證設備的良性運轉，避免設備的損壞和電能的浪費。因此，將變頻控制技術應用其中，能夠提升煤礦的安全生產與經濟運行，在無級平穩變速的同時，提升系統的安全級別。

3.4 變頻控制技術在皮帶機中的應用

皮帶機在煤礦生產中的運作原理較為簡單：通過對輪轂的驅動產生摩擦力，以此帶動皮帶進行作業，而為了牽引滾軸進行運作，只需將皮帶施以特殊張力使其產生變形與摩擦力即可。傳統的方法在啟動的過程中，時間間斷往往較短，這對皮帶的運行提出了更嚴格的要求，除了要具備足夠大的韌性外，還應該能夠避免皮帶的斷裂與老化。而將變頻控制技術應用其中之后，皮帶機便能夠通過承受的重量對其運作功率與力矩進行動態的調整，保證電機工頻恒速運行。

4 結束語

隨著技術的普及和市場競爭的日趨激烈，變頻控制技術在煤礦機電設備中的應用越來越廣泛。但是，實際情況是，我國煤礦對于變頻控制技術的應用還達不到普及的程度，一些大型的變頻設備和關鍵技術還未應用其中，這與國外的實踐相比，還存在著較大的差距。從這個角度講，變頻控制技術在我國煤礦機電設備中還存在較大的發展和應用空間。相信隨著隨著自動化控制、電子技術、信息技術和計算機技術不斷在煤礦機電領域中得到應用，煤礦機電設備的智能化水平也會越來越高，這將為變頻控制技術的應用奠定堅實的基礎，機電設備能耗會逐漸的降低，煤礦企業的生產成本也會得到較大的改善，煤礦企業的經濟效益也會因此得到不同程度的提升。

［1］趙志宏.煤礦機電設備變頻控制技術［J］.中國新技術新產品，2010(14)：125.

［2］王端煥.淺談煤礦機電設備中變頻技術的應用［J］.中國高新技術企業，2012(27)：51-53.

［3］張云飛.變頻技術在煤礦機電設備中的應用［J］.煤炭技術，2011(1)：82-83.

［4］劉映武，李居鵬.四象限變頻調速提升機的開發應用［J］.煤礦機電，2006(6)：90-92.

［5］黃琦.礦井排水泵的節能改造［J］.中國煤炭，2005(8)：34-35.

［6］董恒賢，陳定永.變頻技術在孔莊煤礦的應用［J］.能源技術與管理，2007(1)：23-25.

［7］石樹君.淺談四象限交流變頻器在采煤機上的應用［J］.山西焦煤科技，2006(10)：9-11.

［8］許洪杰，王方紅.變頻調速技術在煤礦露天生產中的應用［J］.科技資訊，2007(21)：4-6.