關(guān)于礦井機(jī)電設(shè)備中變頻技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀分析

摘要：近年來，雖然我國科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速。但是適應(yīng)于煤礦高壓大容量電動機(jī)的調(diào)速以及啟動的方式還是相當(dāng)原始，這種傳統(tǒng)的方式不僅給礦井生產(chǎn)帶來極大的浪費(fèi)，而且把機(jī)電設(shè)備的本該有的壽命給縮短了。鑒于此，本文筆者根據(jù)多年工作經(jīng)驗對變頻技術(shù)在礦井機(jī)電設(shè)備中的應(yīng)用進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞：煤礦；機(jī)電設(shè)備；變頻技術(shù)；變頻控制；

傳統(tǒng)的礦井高壓容量電動機(jī)的調(diào)速與啟動方式滿足不了現(xiàn)代化礦井的需求，造成電能的極大浪費(fèi)。如何能避免電能的浪費(fèi)及提高機(jī)電的使用壽命呢！應(yīng)用高壓變頻技術(shù)對煤礦機(jī)電設(shè)備的改造，可以徹底解決這些問題，同時也能為煤礦企業(yè)提高經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，煤礦生產(chǎn)所用的電能占整個煤炭企業(yè)用電量百分之八十以上。沒用變頻節(jié)能技術(shù)措施前，風(fēng)機(jī)、水泵等流體負(fù)載的平均運(yùn)轉(zhuǎn)效率只占百分之三十左右，礦井空壓機(jī)、提升機(jī)、采掘運(yùn)等動力負(fù)荷變化較大的機(jī)電設(shè)備在啟動、加減速、制動和設(shè)備維護(hù)等方面的浪費(fèi)也比較大。變頻調(diào)速技術(shù)憑借其優(yōu)越的調(diào)節(jié)性能和明顯的節(jié)能效果在我國煤礦得到了廣泛的推廣。

一、變頻技術(shù)原理及在礦井中應(yīng)用現(xiàn)狀

變頻技術(shù)即改變電流頻率的技術(shù)，在傳統(tǒng)的電器設(shè)備中所用到交流電頻率是不變的，其轉(zhuǎn)速一經(jīng)啟動就不能改變，通過變頻技術(shù)可以實現(xiàn)設(shè)備以不同的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)來適應(yīng)不同的生產(chǎn)需要。變頻技術(shù)的發(fā)展歷經(jīng)了各種電器器件的更新?lián)Q代，從SCR（晶閘管）、GTO（門極可關(guān)斷晶閘管）到今天的IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）、HVIGBT（耐高壓絕緣柵雙極型晶閘管），器件的不斷更新促使電力變換技術(shù)的持續(xù)發(fā)展。而在變頻技術(shù)控制方面，上世紀(jì)七十年代中期脈寬調(diào)制變壓變頻調(diào)速研究首先進(jìn)入人們的視野，到了八十年代后期鞍形波脈寬調(diào)制變壓變頻調(diào)速模式作為脈寬調(diào)制變壓變頻調(diào)速的優(yōu)化模式被提出，上世紀(jì)九十年代初期又出現(xiàn)了矢量控制變頻調(diào)速和直接轉(zhuǎn)矩控制變頻技術(shù)。調(diào)速系統(tǒng)的集成度越來越高，以單片機(jī)為基礎(chǔ)又研究出了數(shù)字信號處理器、精簡指令集計算機(jī)和高級專用集成電路等。

高壓變頻器早起由于受電子電器設(shè)備耐壓性弱的影響，一般采用高-低-高模式，即高壓經(jīng)過變壓器降壓后通過低壓變頻器變頻，最后通過升壓變壓器升壓供給高壓變壓器，這樣一個流程使得變頻器設(shè)備體積過大，耗能也增加。上個世紀(jì)八十年代初期日本東芝電氣公司成功研制了1800kW的交-交方式高壓變頻器。同時德國西門子公司研制出4000kW的交-交方式的高壓變頻器。此后，法國阿爾斯通、美國AB、日本三菱和日立等公司也相繼推出自己的高壓變頻器設(shè)備。上個世紀(jì)九十年代初，我國在自行開發(fā)和研制的高壓變頻器方面取得了很大成績，在鋼鐵行業(yè)和電力行業(yè)得到很好的應(yīng)用。交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，在大型機(jī)電設(shè)備調(diào)速中得到廣泛應(yīng)用。

二、變頻技術(shù)應(yīng)用特點

1）調(diào)速。在煤礦生產(chǎn)中，提升機(jī)一般采用轉(zhuǎn)子串電阻方式調(diào)速，調(diào)度范圍小，精度低以及安全性能低，在減速和下放時，需要投切動力制動直流電源，容易造成設(shè)備損壞，設(shè)備維修量大；采用變頻調(diào)速，運(yùn)行可靠性可較大提高，運(yùn)行故障率降低，操作員操作簡便，減少了設(shè)備維修量，提高了設(shè)備的調(diào)速性能。

2）節(jié)能。在煤礦生產(chǎn)中，風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)等調(diào)節(jié)流量時，通常采用的辦法是調(diào)節(jié)閥門（氣門）開度來實現(xiàn)，很不經(jīng)濟(jì)。若通過變頻器控制轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)風(fēng)量、流量，將會起到節(jié)約能源、提高經(jīng)濟(jì)效益的作用。

3）其它。變頻器在煤礦生產(chǎn)應(yīng)用中還有利于產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化，電機(jī)設(shè)備的防爆化，電源設(shè)備體積減小等特點。

三、變頻技術(shù)在空壓機(jī)中的應(yīng)用

當(dāng)前空壓機(jī)的使用現(xiàn)狀存在以下缺陷：1）啟動方式。使用直接啟動或者用轉(zhuǎn)子串電阻起動方式起動，設(shè)備起動時電流大，對電網(wǎng)和機(jī)械設(shè)備造成較大的沖擊，大大縮短機(jī)械設(shè)備的壽命。2）壓風(fēng)系統(tǒng)采用開環(huán)方式。設(shè)備壓力系統(tǒng)通過壓力調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)空壓機(jī)的載荷與卸荷。壓風(fēng)系統(tǒng)若采用開環(huán)控制方式，供風(fēng)壓力會在上、下限之間波動，不能保證設(shè)備恒壓供風(fēng)。這種運(yùn)行方式將頻繁地起動設(shè)備和電動機(jī)，對電網(wǎng)和機(jī)械設(shè)備造成巨大的沖擊，設(shè)備的壽命大為縮短，設(shè)備維護(hù)量增加。

對其進(jìn)行變頻改造方案：1.選用變頻設(shè)備啟動。2.變頻設(shè)備有壓力閉環(huán)控制及開環(huán)控制手動調(diào)節(jié)兩種控制方式，有一個開關(guān)可以進(jìn)行選擇。工作時，采用壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)，壓力變送器即時檢測空壓機(jī)實際給風(fēng)壓力，并將其與給風(fēng)壓力的設(shè)定值相比較，然后用差值調(diào)節(jié)空壓機(jī)轉(zhuǎn)速，保持空壓機(jī)的給風(fēng)壓力恒定為設(shè)定值。在變頻器控制柜的門上設(shè)有給風(fēng)壓力設(shè)定的電位器及數(shù)字顯示，操作員可方便地設(shè)定給風(fēng)壓力。為了使壓力變送器在故障發(fā)生時變頻系統(tǒng)也可以進(jìn)行應(yīng)急工作，變頻器也可以利用電位器對電機(jī)手動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)空壓機(jī)的給風(fēng)壓力。變頻控制柜的柜門上設(shè)有變頻故障復(fù)位按鈕，在變頻器發(fā)生故障時，操作工可方便地對故障進(jìn)行復(fù)位。把空壓機(jī)原有的監(jiān)控裝置的接點引入變頻器控制回路進(jìn)行聯(lián)鎖，當(dāng)空壓機(jī)的壓力、溫度等參數(shù)超過高限值或出現(xiàn)斷水信號時，自動停止變頻運(yùn)行。別外，在空壓機(jī)拖動電機(jī)底部設(shè)置一個冷卻風(fēng)扇，當(dāng)電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時對電機(jī)進(jìn)行冷卻，起到很好的效果。

四、變頻技術(shù)在風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用

主要通風(fēng)機(jī)擔(dān)負(fù)著全礦井的通風(fēng)任務(wù)，同樣是礦井安全生產(chǎn)的重要設(shè)備之一。在礦井開采的不同時期，隨著開采深度的增加、生產(chǎn)系統(tǒng)的變化等各類因素，礦井的通風(fēng)量是不同的，需要經(jīng)常根據(jù)實際用風(fēng)量調(diào)節(jié)礦井的通風(fēng)量。而礦井主要通風(fēng)機(jī)的能力則是按照礦井的最大用風(fēng)量選型裝備的，同樣存在“大馬拉小車”現(xiàn)象。對于主要通風(fēng)機(jī)的變頻技術(shù)改造，如同對主要排水泵的變頻技術(shù)改造一樣，重點是根據(jù)礦井的實際用風(fēng)量，設(shè)定電動機(jī)的運(yùn)行頻率，以滿足礦井實際通風(fēng)量的要求，避免“大馬拉小車”現(xiàn)象。由于礦井主要通風(fēng)機(jī)必須是24小時不間斷運(yùn)行，電能消耗更高。據(jù)統(tǒng)計，礦井主要通風(fēng)機(jī)在變頻技術(shù)改造后，節(jié)約電能至少在40%以上。

五、變頻技術(shù)在煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)中的應(yīng)用

煤礦企業(yè)膠帶輸送機(jī)是具有高電壓、大功率的大型運(yùn)輸設(shè)備，是礦井煤炭運(yùn)輸系統(tǒng)中的“咽喉”，所以要求它必須具有運(yùn)行效率高、壽命長、安全可靠的特點。但由于諸多原因，使用過程中長時間都處于空載或輕載狀態(tài)，耗電嚴(yán)重。如若使用變頻調(diào)速技術(shù)，可減少電耗，同時也能解決大功率皮帶輸送機(jī)的軟啟動問題。另外目前許多皮帶輸送機(jī)采用軟起動裝置絕大部分為液力偶合器，下行運(yùn)輸皮帶在啟動運(yùn)行制動過程中會出現(xiàn)電機(jī)失控的現(xiàn)象，如果在皮帶輸送機(jī)上安裝變頻器，即可隨時將電機(jī)產(chǎn)生的負(fù)力轉(zhuǎn)回到電網(wǎng)中，盡量減少發(fā)熱損耗，同時解決機(jī)械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的沖擊問題，延長機(jī)器的使用壽命，并能高效地節(jié)約電能。

礦井提升機(jī)通常是在繁重、復(fù)雜的條件下進(jìn)行工作的設(shè)備，因此要求提升機(jī)的要求比較高，拖動裝置要能滿足頻繁啟動、停止、調(diào)速，并且能夠重載啟動。為了實現(xiàn)礦井提升機(jī)平穩(wěn)加、減速，提高提升機(jī)系統(tǒng)的安全性并起到節(jié)能的目的，礦井提升機(jī)需要采用變頻控制，節(jié)約調(diào)速運(yùn)行時電阻產(chǎn)生的熱損耗，而在礦車下放減速器時，電動機(jī)短期發(fā)電運(yùn)轉(zhuǎn)，并將電能反饋給電網(wǎng)。另一方面，使用變頻設(shè)備內(nèi)置的軟件替代繼電器，可實現(xiàn)提升速度的控制，減少設(shè)備的事故量，減少維修費(fèi)用，節(jié)能效果顯著。

結(jié)語

目前，煤礦井下變頻技術(shù)的應(yīng)用還處于起步階段，變頻設(shè)備在各種大型機(jī)器中的應(yīng)用還不多，但在煤礦企業(yè)技術(shù)改造及產(chǎn)品更新?lián)Q代，在節(jié)能和實現(xiàn)生產(chǎn)自動化方面已經(jīng)取得了明顯的效果。通過對這些主要生產(chǎn)系統(tǒng)機(jī)電設(shè)備的變頻技術(shù)改造和推廣應(yīng)用，既改善了設(shè)備運(yùn)行性能，提高了礦井裝備水平，增強(qiáng)了礦井安全生產(chǎn)保障能力，又起到了很好的節(jié)能降耗效果，為煤礦企業(yè)實現(xiàn)安全高效生產(chǎn)提供了有力支撐。

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