變頻技術在礦山機電設施的運用及發展趨勢研究

摘 要：變頻技術是近年來在各機電行業成長起來的新興技術。因為其調節和控制性能較優越，在各類礦山的礦石運輸、提升機、通風、水泵等各類機電設備控制系統中獲得非常普遍的應用。首先論述了變頻技術的基本原理，再從幾個方面總結了變頻技術在礦山機械電子設備中的應用及發展趨勢。

關鍵詞：礦山；機電設施；變頻技術；運用；發展趨勢

隨著計算機、自動化控制、電氣化信息、電工電子等各類技術在國內的快速發展，以及全球能源短缺等客觀因素，機械和電氣設備的變頻技術已受到歐洲和發展中國家的高度重視，也獲得了很大突破。在采礦行業中，采礦機械設備和電氣的能源耗損比率是非常大的，這勢必給資源和自然環境帶來巨大的壓力，其中換氣等能源設施的損失，浪費更加嚴重。因為節能社會的要求，其極大地推動了變頻技術在石油、煤礦、電力、機電等行業的應用。

一、變頻技術的原理

變頻技術在礦山機電設備的應用，是建立在現代應用科學的全面基礎上發展起來的，這是計算機技術、自動化技術、電力電子技術和其他高新技術的集合。經過多年的研究，其工作原理體現在以下幾點。首先，通過半導體元件的電流信號的頻率被轉換成不同的頻率；第二，頻率將被轉換成交流電變為直流；第三，采用逆變器進行控制，來調節電壓和電流，機電設備便進入無極調速功能。機械和電氣設備在工作中，為能夠有效地對電機速率進行操作，變頻技術需要減少采礦設備中的能量耗損，提高施工效率和自動化程度。

二、變頻技術在礦山機電上的運用

本文通過皮帶機、提升機、水泵、通風機等方面來分析變頻技術在礦山機電上的應用。

（一） 變頻技術在皮帶機中的應用

皮帶機的工作原理是，驅動輪轂產生摩擦力，進而帶動皮帶轉動，皮帶通過特殊的張力及摩擦力來拉動滾軸。其主要原理是電機通過轉子對繞組降壓開始后工頻得到運行，經過藕合器切換到皮帶機。皮帶機的啟動時間是很短暫的，其中轉子串接電阻減小轉矩和減壓空載啟動等方式，若皮帶韌性太小，長時間運行可能導致皮帶老化等故障。由于在啟動時會由大電流產生加熱現象甚至導致嚴重的電壓波動。液力藕合器在工作過程中，其內部的油溫可能上升更快，還會增大內部部件摩擦力，這顯著增加了維修成本。但是利用變頻調速能很好地改變傳輸機軟起、軟停等不良狀況，皮帶機的性能將會更穩定。皮帶機使用變頻技術之后，其工作頻率便可根據自身負荷狀況來調節和改變，工頻運行均衡，運行將會更加安全而高效。采用變頻技術，能提高皮帶輸送機的應用，大幅提高施工效率。此外，使用高壓變頻器能達到能量回饋，可以減少對其他設施的維護成本開支，在環境保護得到實現的同時，進一步提升能源利用率。

（二）變頻技術在礦井提升機上的應用

煤礦提升機變頻技術，主要是利用了高壓變頻系統以及可編程邏輯控制器控制系統。首先，在電控系統設計中，高壓變頻調速系統，采取串聯單元多電平回饋高壓變頻系統。采用光纖信號傳輸來確保高電壓主線路和低電壓電路控制的通信，以及電的隔離安全功能。系統具有抗干擾力。其次，提升機系統采取可編程邏輯控制器控制，實現全過程的速度控制位置控制、監視等各項功能。

（三）變頻技術在水泵中的應用

多級離心泵在礦井中的應用也很廣。水泵電動機驅動多級離心泵運轉，將電能轉變為機械能，將井下的水排到地面。水泵在井底工作時，工作條件差，傳統的供電方式故障較多，運營成本高。一方面，當水泵起動時，起動電流較大，電機和電纜壓降差大，使得電機及電纜該過程中的反壓較其他情況高，使其絕緣能力下降，開機次數越多，水泵壽命越受損。另一方面，當泵開始工作后，電機的負載程度較低的情況較為普遍，水泵的電功率因數較小，功率消耗大。若改變電機的轉速，則可降低在同一時刻的水流量，能較好地減少電力消耗。

（四）變頻技術在通風機的應用

在通風機中，主扇風機的地位非常重要。作為主要的通風設施，運行過程長。隨著勘探和開采的進行，礦井中壓力增大所需的風扇機功率也越來越大。變頻調速技術應用到礦井通風機后，速度可根據礦井巷道的風量需求進行調整，減小無用功耗，效果明顯。此時，通過該驅動器變換的風扇來實現軟起動，防止啟動電流的影響，既對電路網絡設備沒有影響，同時還可自由開啟關閉。在大多數情況下，通風機在較慢的速度下運行，于是大大降低了通風機工作壓力，能使通風機的壽命加長，進而避免不必要的損害。同時，為了確保電機轉速一致，要求兩個電機的頻率盡可能保持同步，以免空氣阻力的產生，以確保風機的正常運行。

三、礦山機電中變頻技術的發展趨勢及展望

變頻技術在各類礦山機械和電氣設備中的應用較多，但仍未普及，如露天開采牙輪鉆頭，美國已申請中55 R型旋挖鉆機，我國尚處于開發測試，暫未推廣應用。因此，變頻控制技術在我國各類礦山的機械和電氣設備仍有非常好的發展前景。

（一）需求很大。我國各類金屬礦、煤礦中有很多機電設備需改造換代升級，從而將需要大量的變頻設備，這將大大推動變頻技術的應用。

（二）促進更廣泛的推廣。礦山中各類機械和電氣設備品種花樣多，若變頻器可解決好匹配問題，則它的推廣將被更加廣泛。

（三）多功能，網絡更新。信息技術、電工電子技術的不斷進步，逆變器在礦山和改造過程中的使用將出現多功能化的趨勢，變頻器的控制在礦山網絡化管理中將越來越重要。

（四）專業化得以加強。礦山有很多特殊的工作環境，如井下作業等，對這些設備進行合理配置，則需有專業的具有特殊功能的變頻器來與之配合。

（五）人工智能。隨著人工智能在機器人等領域的突飛猛進的發展。今后人工智能將進一步與變頻技術逐步融合，為礦山的各種動力機電設備提供非常大的技術支持，極大提高生產效率并減少安全生產成本。

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