煤礦機電設(shè)備中變頻節(jié)能技術(shù)的探討

于繼圖

（陜西正通煤業(yè)有限責任公司，陜西 咸陽 713600）

0 引 言

目前，我國煤礦開采效率不高、耗電嚴重、安全管理低下等問題越來越嚴重。“十三五”規(guī)劃后，煤礦能耗嚴重的問題被予以高度重視，已然成為社會關(guān)注的新焦點。煤礦耗電主要是機電設(shè)備，如風(fēng)機設(shè)備、運輸機械等。這些機電設(shè)備耗電能量占煤礦開采耗能的60%以上，且這些耗費的電能沒有被再次利用。因此，煤礦開采節(jié)能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是機電設(shè)備節(jié)能。

1 變頻節(jié)能技術(shù)簡介

1.1 工作原理

變頻節(jié)能技術(shù)最主要的功能是節(jié)約能耗。將它運用在煤礦機電設(shè)備中，可減少機電設(shè)備的能源消耗，使機電設(shè)備以最節(jié)能的方式正常運轉(zhuǎn)。它的核心元件是變頻器，可以將直流電逆變成不同頻率的交流電，然后再將交流電逆變成直流電，優(yōu)點是僅有電流頻率的改變，在轉(zhuǎn)換過程中不會消耗電能。

1.2 變頻器主要內(nèi)容

變頻器是可將主頻電源逆變?yōu)榱硪活l率的電能控制裝置，主要利用了電力半導(dǎo)體元件的通斷作用。半導(dǎo)體是指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與半導(dǎo)體之間的材料，其導(dǎo)電性可被人為控制，電阻率處于絕緣體與導(dǎo)體之間。當溫度升高時，電阻率指數(shù)減小；當溫度降低時，電阻率增大。變頻器是將固定電壓和頻率的交流電逆轉(zhuǎn)成可變交流電的控制裝置，逆轉(zhuǎn)過程可分為兩步。第一步是將三相或者單相交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡诙绞菍⑥D(zhuǎn)換后的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)槿嗷蛘邌蜗嘟涣麟姟ｋ婎l器在逆轉(zhuǎn)過程中會改變輸出頻率和輸出電壓，將電動機運行曲線平行下移，啟動重載負荷，節(jié)約電機運行耗費的電能。變頻器的優(yōu)點是變頻性能良好，缺點是造價成本高[1]。

1.3 變頻器分類

變頻器大致可分為三類，分別是電流型、電壓型和高低高變頻器。電流型在逆變成直流后增加電感元件，使其具有四象限運行功能，有利于電機制動，缺點是必須對逆變橋強行換流，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)整和維修較為困難，產(chǎn)生的諧波較大，會對電機設(shè)備造成一定干擾。電壓型在直流環(huán)節(jié)增加電容元件，導(dǎo)致其不能進行四象限運動，優(yōu)點是產(chǎn)生的干擾小，缺點是需要增加制動系統(tǒng)，必要時還需增加正弦濾波器，應(yīng)用較為不便。高低高變壓器主要是利用降壓、升壓的方式控制電壓和頻率，需要增設(shè)降壓變壓器和升壓變壓器。

2 變頻節(jié)能技術(shù)在煤礦電機設(shè)備中應(yīng)用現(xiàn)狀以及存在的問題和對策

2.1 應(yīng)用現(xiàn)狀以及存在問題

進入21世紀后，數(shù)字化技術(shù)和智能技術(shù)得到高速發(fā)展，一定程度上帶動了變頻節(jié)能技術(shù)的發(fā)展。如今，我國變頻節(jié)能技術(shù)的智能化和自動化程度越來越高，在煤礦中的應(yīng)用也越來越廣泛。但是，由于我國對能耗節(jié)約的關(guān)注較晚，導(dǎo)致煤礦機電設(shè)備變頻節(jié)能技術(shù)的發(fā)展緩慢，且落后的技術(shù)在煤礦應(yīng)用過程中存在諸多問題。第一，缺乏規(guī)范制度。煤礦企業(yè)機電設(shè)備變頻節(jié)能技術(shù)相關(guān)負責人員相互推諉責任，職權(quán)不明確，導(dǎo)致節(jié)能效果不明顯。第二，煤礦機電設(shè)備變頻節(jié)能技術(shù)管理水平低，監(jiān)督力度弱，導(dǎo)致煤礦機電設(shè)備中變頻節(jié)能技術(shù)相關(guān)設(shè)備無人巡視或者巡視次數(shù)少，不能及時發(fā)現(xiàn)故障，影響其正常運轉(zhuǎn)。第三，機電設(shè)備中變頻節(jié)能技術(shù)自動化程度低且管理混亂，很多工序需要人工完成，容易出現(xiàn)不必要的失誤，進而影響煤礦機電設(shè)備正常運轉(zhuǎn)，降低了工作效率。

2.2 相關(guān)建議

針對以上現(xiàn)狀和問題，建議建立并完善機電設(shè)備管理規(guī)范制度。合理、科學(xué)、適合的管理機制和運行制度，是變頻節(jié)能技術(shù)降低能耗的保障。如果缺乏制度的規(guī)范，相關(guān)技術(shù)人員就會相互推諉、玩忽職守，致使變頻節(jié)能技術(shù)不能充分發(fā)揮節(jié)能作用。首先，明確崗位職責，制定完善的規(guī)章制度，確保每一個職工都有自己的工作職責。其次，加強煤礦機電設(shè)備管理強度和監(jiān)督強度。建立并完善巡視管理機制，預(yù)防機電設(shè)備變頻節(jié)能系統(tǒng)出現(xiàn)故障而影響正常工作；建立并完善設(shè)備檢修機制，定期或者不定期檢測相關(guān)設(shè)備，尤其是使用頻繁的機電設(shè)備，必須增加檢測頻率并做好記錄工作。最后，需要引進先進的科技提高機電設(shè)備自動化程度，進而強化管理。雖然變頻節(jié)能技術(shù)廣泛應(yīng)用在煤礦機電設(shè)備中，但是很多煤礦企業(yè)為節(jié)約成本未將其與現(xiàn)代化計算機技術(shù)、自動化技術(shù)、智能化技術(shù)等結(jié)合，導(dǎo)致自動化程度低，影響了工作效率和質(zhì)量[2]。因此，需要積極引進先進技術(shù)，提高變頻節(jié)能技術(shù)的自動化程度。

3 變頻節(jié)能技術(shù)在煤礦主要機電設(shè)備中的應(yīng)用

3.1 采煤機

采煤機是煤礦開采的核心設(shè)備，集機械、液壓、電氣為一體，組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜且龐大。由于地下煤礦工作環(huán)境非常惡劣，導(dǎo)致采煤機經(jīng)常出現(xiàn)故障，給采煤企業(yè)造成了巨大的經(jīng)濟損失。但是，利用采煤機進行采煤，可以減少人工勞力，提高采煤的安全性，且機器可日夜工作，提高了采煤的工作效率。隨著我國數(shù)字化技術(shù)和計算機技術(shù)的高速發(fā)展，采煤機更加智能化、人性化、簡單化，采煤故障明顯降低。但是，這些高科技的運用都需要耗費大量電能，增加了采煤成本。尤其是近幾年，國家提倡可再生能源發(fā)展，各行各業(yè)開始關(guān)注可再生能源，逐漸淘汰非再生能源。煤作為主要的非再生能源之一，市場需求逐漸縮短。為求生存，煤礦企業(yè)必須降低生產(chǎn)成本，而節(jié)約能耗成為降低生產(chǎn)成本的重要對策之一。為節(jié)約能耗，很多煤礦企業(yè)開始關(guān)注電流型變頻器，并將其應(yīng)用于采煤機，根據(jù)采煤機工作實際需要改變電壓和頻率，使電壓和頻率始終以最適合采煤機的狀態(tài)進行工作，從而減少電壓和頻率過高或者過低產(chǎn)生的能耗，最終實現(xiàn)節(jié)能。

3.2 風(fēng) 機

煤礦開采時間越長，礦井里易爆灰塵和瓦斯等含量越高。如果不通風(fēng)，很容易發(fā)生爆炸。風(fēng)機是煤礦必備設(shè)備之一，主要作用是通風(fēng)，防止礦井發(fā)生爆炸。我國常用的風(fēng)機設(shè)備有防爆型負壓風(fēng)機、軸流式風(fēng)機和K系列礦用主扇軸流式通風(fēng)機等。其中，防爆負壓風(fēng)機電機是煤礦防爆型專用電機之一，采用的防爆外殼可避免電弧、電火花和高溫的電氣部分與周圍爆炸性氣體混合物接觸，防爆性能符合《爆炸性環(huán)境用防爆電氣設(shè)備隔爆型電氣設(shè)備“d”》和《爆炸性環(huán)境用防爆電氣設(shè)備通用要求》的規(guī)定。礦用軸流風(fēng)機也叫軸流式通風(fēng)機，不能單獨用于煤礦，必須和防爆電機結(jié)合才能在煤礦中使用。K系列礦用主扇軸流式通風(fēng)機具有氣動效率高、運轉(zhuǎn)噪音較低、穩(wěn)定性能好、安裝方便、安全可靠、維修容易和節(jié)能效果明顯等優(yōu)點，是井下煤礦最理想的機站風(fēng)機，缺點是價格昂貴[3]。

3.3 帶式輸送機

帶式輸送機的主要作用是運輸煤礦，即將礦井下開采的煤運到井外。它利用輸送帶、滾筒、傳動裝置等產(chǎn)生的摩擦力為驅(qū)動力，驅(qū)動輸送帶往井外輸送開采的煤。截止到2018年，我國煤礦企業(yè)帶式輸送機仍以電動機為輸出動力。傳統(tǒng)輸送機啟動時會產(chǎn)生大量電流，這些電流產(chǎn)生的電能會轉(zhuǎn)化成內(nèi)能直接耗費掉，因此會造成電能損耗。將變頻節(jié)能技術(shù)應(yīng)用于輸送機后，可將啟動產(chǎn)生的過量電流逆轉(zhuǎn)給礦用電網(wǎng)，避免啟動產(chǎn)生大量的熱量，從而達到節(jié)約能耗的目的。同時，大量熱能的產(chǎn)生容易燒壞設(shè)備，阻礙輸送機正常運行，而運用變頻節(jié)能技術(shù)可有效避免這些問題，且可以延長輸送機壽命，節(jié)約資源并提高運輸效率。

3.4 提升機

煤礦提升機實際上是一種大型絞車，由原始的提水工具演變而來。傳統(tǒng)提升機是一種大型機械設(shè)備。如今，提升機和電子計算機技術(shù)融合，已經(jīng)形成機械、電動為一體的大型全自動重型礦山電動機械設(shè)備。它的主要驅(qū)動力是電機產(chǎn)生的電能，在工作過程中由于電流不精確或者調(diào)速不精確等原因，會造成大量電能損耗。將變頻節(jié)能技術(shù)應(yīng)用于提升機，可利用其調(diào)速功能精準調(diào)節(jié)電流，控制提升機電機運轉(zhuǎn)速度，從而節(jié)約能耗。此外，變頻節(jié)能技術(shù)和現(xiàn)代化先進技術(shù)結(jié)合后，還具有在線檢測、濾波、過載保護等功能，不僅可以節(jié)約能耗，還可延長提升機使用壽命，提高工作效率和質(zhì)量。

4 結(jié) 論

變頻節(jié)能技術(shù)隨著半導(dǎo)體電子設(shè)備的出現(xiàn)而出現(xiàn)，因為節(jié)能的優(yōu)點而不斷被應(yīng)用到各大機電設(shè)備中，發(fā)展也越來越迅速。在我國，變頻節(jié)能技術(shù)被廣泛應(yīng)用在提升機、帶式輸送機、風(fēng)機等機電設(shè)備中，節(jié)能效果顯著。但是，由于我國起步較晚，應(yīng)用過程中存在規(guī)章制度不規(guī)范、管理水平低等問題，應(yīng)針對這些問題建立并完善相關(guān)制度和規(guī)范，從而實現(xiàn)節(jié)能的目的。