煤礦機電設備中變頻技術的運用

張晚忠

（掌石溝煤業有限公司 山西省晉城市 048405）

近年來，我國煤炭行業迅速發展，與此同時，煤炭行業的競爭也日漸白熾化。各煤炭企業為了提升市場競爭力，紛紛開始探尋節能減排的新發展路徑。變頻技術融入到煤礦機電設備中，能達到節能、環保、提效等各大目的。變頻技術是一種節能技術，它主要是利用電力半導體器件的通斷作用，巧妙地將工頻電源進行變換，使之成為另一頻率的電能控制裝置，以實現節能目的。

1 變頻技術概述

1.1 變頻技術的工作原理

在機電控制系統中，變頻器（VFD）是至關重要的電器設備，變頻技術便是利用變頻器來實現“變頻控制”的。在實現變頻控制過程中，變頻器主要應用到了變頻技術、微電子技術這兩大技術，它主要是通過改變電機工作電源頻率的方式，來實現控制交流電動機的最終目的。

變頻器屬于一種重要的電力控制設備，這一電力控制設備通過一定的工作程序能輕松實現變頻、節能。在工作中，變頻器可將工頻電流的信號轉變為其他的頻率，但是這種轉化不是憑空而為的，而是需要借助一定的半導體元件來實現。之后，可再逐步實現“交流電”向“直流電”的轉變。與此同時，逆變器也順利實現了對電流、電壓等的科學調控，這樣，機電設備便能在變頻器的推動下達到無級調速的程度。總而言之，機電設備中的變頻技術是通過電流改變頻率，繼而對電機的轉速進行智能化的調控，以此來進一步控制機電設備，推動其節能、高效運轉。

1.2 變頻技術的優勢

變頻技術運用于煤礦機電設備中，優勢是顯而易見的。變頻技術這一技術本身的優點頗多，如該技術可減少電壓波動，降低對電網造成的沖擊，實現對運行速度、停止方式、啟動電源等的控制，并減少傳動磨損。鑒于以上技術優點，將變頻技術應用于煤礦機電設備中，其運用優勢如下：

實現煤礦企業生產與運營過程中的節能減排。變頻技術是一種節能環保的技術，科學運用該技術，可在煤礦開采過程中實現節能，推動開采過程綠色、環保化；提升煤炭企業的整體經濟效益。變頻技術可減少電能等各類能源消耗，這將大大降低煤炭開采的成本，實現企業節能提效的目的；變頻技術運用可促進煤炭行業健康、綠色、可持續發展。變頻技術的應用最大限度減少了煤礦開采向大氣中排放的污染物，迎合了國家倡導的“綠色環保”生產理念，促進了整個行業的可持續發展。

2 變頻技術在煤礦機電設備中的具體運用

2.1 變頻技術運用于采煤機中

圖1：煤礦提升機變頻控制系統結構圖

圖2：皮帶機傳動系統示意圖（M1、M2、M3 為電機，QS 為開關）

在煤礦開采過程中，采煤機是至關重要的設備，該設備運轉直接關系著整個采煤工作的效率與質量。采煤機是一種較為大型的機電設備，其體積龐大、結構復雜，且在整個使用過程中會消耗大量能源。鑒于采煤機在開采過程中的能耗極大，就必須要對其功率進行合理控制，避免出現高耗能低成效的結果。因此，可在采煤機中科學合理、恰到好處地運用變頻技術。

變頻技術運用于采煤機中，可極大改善采煤機高耗能低成效的工作現狀。眾所周知，由于采煤地質環境具有復雜性特征，采煤機在實際采煤過程中，可能會受到多種多樣地質因素的制約，而不同的地質需要采煤機具備與其相適應的“功率”來應對。如果功率使用不當，在一些特殊開采地質中，采煤機便會出現耗能嚴重，工作低效的問題。變頻技術的運用，可根據采煤地質情況的復雜性，智能控制采煤機中切割機的功率，使采煤機在不同地質中降低功率耗損，提升工作效率。可見，運用變頻技術，可有效提升采煤機的工作性能，實現煤礦企業高效節能的生產目標。

2.2 變頻技術運用于通風機中

在煤礦開采中，通風機是安全開采必不可少的機電設備。煤礦開采的環境較為惡劣，發生安全故障與安全隱患的幾率更大，這是行業內供認不諱的客觀事實。通風機能保證煤礦開采過程中有較好的通風條件，其能改善煤礦開采環境，為礦井下工人的生命健康筑起一道牢固的安全防線。

煤礦礦井下良好的通風環境有賴于通風機的運用，但是，通風機在工作中要消耗大量的電能。在新時代，隨著采煤量的大范圍激增，工人需要到條件更惡劣、井深更大的礦井中去開采，而深井下通風的難度更大。在此種條件下，如果不對通風機進行相應的節能技術控制，通風機的功率將持續增加，電能消耗量將會沖破煤炭開采企業可以承受的范圍。在通風機中運用變頻技術可解決兩個問題：一則可解決頻繁開啟、關閉風機造成的過多電量消耗問題。二則可解決頻繁更換風機的弊端。變頻技術可根據不同井深內空氣流通的情況智能控制電機工作頻率，不必不間斷地開啟與關閉風機，也不必人工頻繁更換風機，這實現了節能降耗。

2.3 變頻技術運用于提升機中

在煤礦開采中，提升機屬于運輸類機電設備，其主要功能是將一些開采所用到的大型機器從地面運輸到地下，以支撐整個礦井下的煤炭開采。提升機是關鍵性運輸設備，缺失了提升機，礦井開采便難以順利進行。

由于一些大型機器重力較大，提升機要想高效工作，就必須要具備較大的功率。即便如此，在提升機啟動與運行中，依然會出現諸多的問題。最凸顯的有兩點，一是運輸中需要及時改變提升機速度，以適應不同重量的開采設備。而改變運輸速度需要安裝不同類電阻，這樣容易導致因電阻過大而造成電能浪費。二是通過電阻的方式改變電流，達到改變提升機運輸速度的目的，這一過程會導致機身損耗嚴重，影響提升機性能發揮。采用變頻技術可很好地規避以上問題。

變頻技術的介入，可很好地代替電阻進行工作。通過變頻技術改變電流，并控制電流輸出，可有效實現提升機傳輸速度的更換，既不會損傷機體，且能很好地節約電能，確保提升機工作效率的提升。如圖1 是某煤礦企業對提升機進行變頻技術改造后的結構圖，該圖很好呈現了變頻技術在提升機中的有效應用。

2.4 變頻技術運用于皮帶機中

在煤礦開采行業中，皮帶機屬于重要的運輸類機電設備。皮帶機在工作時，主要是由設備中的皮帶帶動輪車實現不同程度的位移，繼而很好地將車中的“材料”運輸到指定的地點中去。在煤礦開采中，皮帶機的運用大大提升了整個開采工作的效率，讓煤礦開采過程中形成較為完善的運輸體系。

誠然，皮帶機啟動一直是備受關注的問題，其在啟動中需要消耗大量的電能，因其啟動時需要瞬間帶動整個系統，使其盡快投入到運輸中來，消耗較多的電能是必然的。但值得思考的是，皮帶機所消耗的這些電能并非全部用于皮帶機啟動與運轉，而是在不知不覺中被浪費掉。在啟動過程中，皮帶機一般是開始緩慢轉動。但在啟動的瞬間，由于消耗大量的能源，會產生過多的熱量，這些熱量不僅會使皮帶機磨損，同時，還會影響皮帶正常運轉。

變頻技術引入，可讓皮帶在瞬間啟動時減少能源消耗，平緩電能輸出，這樣可減少對皮帶機體的傷害，還能提升工作的效率。某企業針對煤礦外運皮帶機進行了變頻技術改造，改造前與改造后，整個皮帶機的運行性能更好，其節能減耗的效果更佳。

圖2 中的皮帶機使用的是3 臺高壓電機合力拖動，這就是常見的“雙滾筒三機拖動”。這一皮帶機傳動系統主要是由M1、M2、M3 這三臺異步高壓電動機構成，M1、M2、M3 均是160kW、6kV的高壓電機。在M1、M2、M3 的推動下，這一皮帶傳動系統主要是借助減速器、液力耦合器，并配合皮帶與滾筒間的摩擦來工作的。變頻技術應用到皮帶機傳動系統中應滿足四個要求：

（1）低啟動電流，建設電流啟動對電網的影響，延長電機使用壽命；

（2）盡可能降低機械啟動的沖擊，使其降至最小；

（3）皮帶機可進行大功率平衡作業；

（4）有計劃啟動可控裝置。

將變頻技術運用于皮帶機中，可在原有皮帶傳動系統的基礎上再增加3 臺隔爆兼本變頻調速設施，并綜合考慮負荷大小與皮帶機長度，合理設置系統的啟動時間，可設置為60s。在整個傳統系統工作時，可借助變頻器的軟啟動，讓皮帶機和電機的軟啟動進行有效整合。這樣，便可合理控制啟動中的張力，減少啟動中所消耗的不必要的能量。變頻技術運用于皮帶機之后，皮帶機的傳動系統便增加了智能啟動、智能調速等功能。從整個運行效果來看，變頻技術的介入能夠真正減少驅動電機與皮帶機故障，并且使得滾筒的壽命得以最大幅度延長，皮帶機的驅動功率也得以平衡。

2.5 變頻技術運用于水泵中

在煤礦開采中，隨著礦井深度的持續增加，工人經常會遇到地下水流路線，如果在開采中不小心切斷了這些路線，會導致礦井內地下水大量蔓延、積累。而大量地下水積累會嚴重干擾煤礦工作開采，輕者會阻礙開采進程，重者會造成礦井塌方，威脅工作人員的生命健康。再者，地下水導電性較強，如果裸露的導線與地下水接觸，會導致電流迸濺，可能引發爆炸事故。為了盡可能減少煤礦開采風險，就要發揮水泵的重要作用。

水泵在工作中需要依賴較大的電能，才能確保將地下水通過水泵抽出，營造安全的地下礦井生產環境。變頻技術引入可智能化控制水泵運作功率，改善水泵的工作效率。變頻技術可合理調節水泵的流量，使其根據不同積量的地下水情況采用科學的功率泵水，提高水泵工作的智能性，讓水泵設備的功效最大限度發揮。可見，在水泵中運用變頻技術，可節能降耗，提高效率，還能為工人的人身生命健康提供安全保障。

3 小結

在新時期，隨著節能技術的發展，煤礦機電設備中越來越多地引入了變頻技術。就當下而言，我國不少的煤礦開采團隊已然意識到了變頻技術的重要性，并在開采中逐步實現了變頻技術的應用。變頻技術應用于采煤機、通風機、提升機、皮帶機、水泵等各種機電設備中，不僅可提升煤礦開采效率，同時也保障了工作人員的安全。總而言之，變頻技術運用可使得煤礦機電設備更高效率投入煤礦開采，提升我國整個煤炭行業的經濟效益，繼而推動整個煤炭行業節能、環保、健康、穩定發展。