變頻技術(shù)在現(xiàn)代煤礦機電工程中的應(yīng)用

章紅全 淮南礦業(yè)（集團）有限責(zé)任公司老礦區(qū)事務(wù)管理處

煤礦變頻控制技術(shù)的應(yīng)用隨著煤礦生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大，設(shè)備裝機總功率持續(xù)增加，自動化程度越來越高，驅(qū)動設(shè)備的性能要求也在提升并廣泛使用。變頻器控制電機具有結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、啟動轉(zhuǎn)矩大、啟停平穩(wěn)、功率損耗小、啟動電流小、調(diào)速性能良好等特點，使變頻控制技術(shù)在煤礦機電設(shè)備中應(yīng)用越來越廣泛。文章通過分析變頻器的優(yōu)越性能，討論其在煤礦采煤機、刮板運輸機、膠帶輸送機以及乳化液泵站的應(yīng)用效果，闡述了變頻控制技術(shù)對煤礦實現(xiàn)最優(yōu)的生產(chǎn)工藝、多負載動態(tài)平衡自動調(diào)節(jié)、低成本維護和保養(yǎng)、電力能源節(jié)約、消除機械及電氣沖擊、提高設(shè)備使用壽命等方面的優(yōu)良效果，為大型煤礦驅(qū)動裝備的選型提供依據(jù)。

一、變頻節(jié)能技術(shù)概述

變頻節(jié)能技術(shù)是利用變頻技術(shù)實現(xiàn)節(jié)能的。變頻技術(shù)是基于電力電子器件的一種技術(shù)，利用變頻技術(shù)可以改變電流的頻率。中國電網(wǎng)電流的頻率為50Hz，利用變頻技術(shù)可以將交流電變成直流電，或者將直流電變成任意頻率的交流電。變頻裝置由交流電源、整流器、逆變器、控制器和驅(qū)動電路等構(gòu)成，利用變頻裝置可以改變電機的工作頻率，進而使電機處于節(jié)能狀態(tài)運轉(zhuǎn)。而傳統(tǒng)電源裝置不能夠改變電機的工作頻率，機電設(shè)備始終以一種模式運轉(zhuǎn)，不能夠隨著工作狀況的改變而改變，導(dǎo)致機電設(shè)備能耗增大，而且也大大影響到設(shè)備壽命。利用變頻技術(shù)可以根據(jù)需要靈活地調(diào)整機電設(shè)備的工作狀態(tài)，延長機電設(shè)備的使用年限，降低機電設(shè)備的功耗，進而降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，提高企業(yè)的競爭力和經(jīng)濟效益。現(xiàn)在變頻器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于煤礦機電設(shè)備中，由變頻器原理可知：變頻器基本的技術(shù)路線為“交-直-交”。首先將電網(wǎng)交流電整流成直流電，再利用逆變器將直流電逆變成所需要的交流電。變頻技術(shù)又包括直接將交流電變換成另一頻率的交流電的技術(shù)，但是在實際應(yīng)用中存在著一定的局限性，在煤礦機電設(shè)備中幾乎沒有應(yīng)用。交-直-交型變頻器一般由整流器、濾波器、逆變器和控制器構(gòu)成。其中，整流器用于將電網(wǎng)電壓變換成直流電；濾波器負責(zé)濾除整流器輸出的直流電壓中的諧波；逆變器負責(zé)將直流電變換成任意頻率的交流電；控制器是整個裝置的控制中心，根據(jù)采集到的信號向逆變器發(fā)出不同的驅(qū)動波形，控制逆變器的工作狀態(tài)。

二、變頻技術(shù)在現(xiàn)代煤礦機電工程中的應(yīng)用

（一）煤礦提升機中變頻技術(shù)的應(yīng)用

提升機在運行過程中其象限共有四種：第一種，每當(dāng)運行速度降低以后，運行時間也會隨之縮短。第二種，如果兩臺提升機向相反方向開始運行，那么會改變運行方式，由此也就改變了電機的運動形式。第三種，提升機在不同的運動形式下會受到電機的影響，此時電機會因為運動形式的轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生一定能源消耗，這一點在提升機的上升和下降中有很大不同。比如提升機在上升過程中能源消耗更大，因為同時要克服重力和摩擦力的影響，而在下降過程中能力消耗會有所降低，這是因為只需要克服摩擦力的影響。第四種，動態(tài)性的變化，指的是無法對提升機運行狀態(tài)做出有效判斷，但依然想輸送同一種頻率和強度的能源，從而使其處在穩(wěn)定的運行狀態(tài)下。應(yīng)用變頻技術(shù)的目的就是以原有提升機的運行狀態(tài)為基礎(chǔ)，同時結(jié)合提升機的運行狀態(tài)向其輸送能源，以此達到提升運行穩(wěn)定性的目的。實際應(yīng)用過程中，可以在提升機內(nèi)加裝信號反饋裝置，然后通過信號反饋裝置行像能源供應(yīng)系統(tǒng)輸送當(dāng)前提升機的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，而能源輸送系統(tǒng)在接收到數(shù)據(jù)以后可以對提升機的運行狀態(tài)做出準(zhǔn)確判斷，然后為其提供所需的能源。比如提升機在下降過程中，其所需的能源更小，那么能源輸送系統(tǒng)在接收到信號以后不需要輸送過多能源即可令提升機保持穩(wěn)定下降。而且變頻技術(shù)在提升機的作用是連續(xù)性的，也就是說其可以各種高精度的測量設(shè)備為基礎(chǔ)，在提升機初始位置開始就全程監(jiān)測運行狀態(tài)，然后根據(jù)運行狀態(tài)輸出能源。因此在煤礦提升機中應(yīng)用變頻技術(shù)需要家裝信號傳輸、運動狀態(tài)監(jiān)測等高精度的設(shè)備，這樣才能獲取提升機最準(zhǔn)確的運行數(shù)據(jù)，并對能源輸入開展合理規(guī)劃，以此保證提升機能夠更加平穩(wěn)的運行。

（二）通風(fēng)機調(diào)速技術(shù)方案

1）恒速改變?nèi)~扇風(fēng)門角度調(diào)節(jié)風(fēng)量對于雙軸流式葉扇通風(fēng)機來說，通過轉(zhuǎn)速增大葉扇通風(fēng)機構(gòu)和葉片的旋轉(zhuǎn)角度大小來同時調(diào)整葉扇風(fēng)壓，也就是能夠通過轉(zhuǎn)速改變?nèi)~片和輪片的齒數(shù)大小來同時調(diào)節(jié)葉扇風(fēng)量。但是需要通風(fēng)機停機后才能夠進行調(diào)整設(shè)備，需要長時間的調(diào)整才能實現(xiàn)，沒辦法實現(xiàn)平滑調(diào)節(jié)的通風(fēng)量，也不能隨時隨地根據(jù)通風(fēng)狀況進行改變。離心式的通風(fēng)機指的是通過手動調(diào)節(jié)整個通風(fēng)機口的整體形狀及其通風(fēng)道口的大小，或調(diào)節(jié)通風(fēng)機管道里手動開關(guān)的風(fēng)口開啟關(guān)閉程度，手動調(diào)節(jié)減小了通風(fēng)道的流動橫斷面，以直接增加風(fēng)道通風(fēng)的流動阻力，從而直接改變了整個通風(fēng)機組管網(wǎng)系統(tǒng)的性能特性變化曲線，最后再用來直接改變整個通風(fēng)機組在生產(chǎn)工作時的狀態(tài)，以此來實現(xiàn)整機風(fēng)量的自動調(diào)節(jié)，這種手動調(diào)節(jié)風(fēng)量方法其實缺乏可操性。2）變速調(diào)節(jié)風(fēng)量通過變速改變驅(qū)動通風(fēng)機的橫向轉(zhuǎn)軸角和旋轉(zhuǎn)運動速度，改變驅(qū)動通風(fēng)機自身的各種特性運動曲線從而調(diào)整了通風(fēng)量的大小，有效地調(diào)節(jié)通風(fēng)機性能。

（三）礦井皮帶輸送機變頻技術(shù)的應(yīng)用價值

皮帶輸送機是礦井上下運輸?shù)暮诵臋C器，其每日運行時間長，運行距離遠，消耗功率巨大，傳統(tǒng)控制方式無疑會消耗巨大的電能。變頻技術(shù)的應(yīng)用可以降低皮帶輸送機的能耗，而且皮帶輸送機變頻器已經(jīng)取得飛速發(fā)展。現(xiàn)在皮帶輸送機的變頻啟動技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用，再配合選用低耗能的變頻電機，結(jié)合電控系統(tǒng)的變頻調(diào)速原理，可進一步降低煤礦皮帶輸送機的能耗。皮帶輸送機變頻技術(shù)的應(yīng)用使得皮帶輸送機可以自主調(diào)整轉(zhuǎn)速，減少空載耗能和啟動損耗，效率得到很大的提高。運輸同樣噸位、同樣距離的煤炭，研究利用變頻技術(shù)來降低皮帶輸送機的能耗、提高皮帶輸送機的效率，對于礦井來說具有重大的經(jīng)濟效益，同時在很大程度上能夠?qū)崿F(xiàn)能耗的降低。

（四）變頻器在綜采采煤機上的應(yīng)用

采煤機是煤礦綜采工作面不可缺少的設(shè)備，長壁式采煤機按牽引方式可分為3種類型，即機械牽引、液壓牽引、電牽引。機械牽引采煤機結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性差、效率低，現(xiàn)基本淘汰；液壓牽引采用液壓泵、液壓馬達及閥組管路系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，液壓件要求精度高，而且液壓系統(tǒng)阻力大、泄露損耗大，總效率只有60%～70%左右；電牽引采煤機可分為直流電牽引采煤機和交流電牽引采煤機2種，具有控制簡單、傳動效率高，能夠適用于各種地質(zhì)條件，電牽引采煤機已成為采煤機發(fā)展主導(dǎo)方向。采用直流電動機，用晶閘管調(diào)速裝置改變直流電動機電樞回路的電壓或磁通實現(xiàn)采煤機牽引速度的無級調(diào)速，具有調(diào)速性能好、控制響應(yīng)快，能夠?qū)崿F(xiàn)各種保護、檢測和顯示，但直流電動機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電動機電刷、整流子易磨損。如今礦用采煤機牽引多采用交流電牽引方式，利用變頻調(diào)速裝置改變輸入電機的頻率、電壓進行調(diào)速，大多采用交-直-交變頻器控制。以美國JOY7LS采煤機為例，該采煤機變頻系統(tǒng)由1個交-直整流電源模塊BSM、2個直-交逆變器模塊組成，控制2臺交流牽引電機。當(dāng)采煤機割煤時，由遙控器啟動采煤機變頻器，三相整流模塊BSM將電源575V交流電整流為800V直流電壓，經(jīng)過電容器濾波，送至2個逆變器，逆變器將直流電壓逆變可控三相交流輸出頻率、電壓，給定牽引速度，可使采煤機在運輸機上勻速往返割煤，當(dāng)采煤機截割電機電流、溫度超過額定值時，采煤機主機給變頻器發(fā)出命令，強制減速，直到采煤機截割電機電流、工作溫度在額定值以內(nèi)，牽引速度恢復(fù)設(shè)定值；當(dāng)采煤機牽引電機電流、溫度超過額定值時，變頻器自動降低輸出頻率，直到采煤機牽引電機電流、工作溫度在額定值以內(nèi)。

三、結(jié)語

根據(jù)變頻器實際應(yīng)用可知，將變頻器應(yīng)用于煤礦提升機、皮帶輸送機、風(fēng)機、采煤機等大功率煤礦機電設(shè)備中，在節(jié)能方面取得了很好的效果，據(jù)有關(guān)統(tǒng)計，可以降耗30%左右。變頻技術(shù)全面取代傳統(tǒng)調(diào)速技術(shù)是大勢所趨，也是國家發(fā)展、社會進步的需求。變頻技術(shù)的應(yīng)用不僅能直接降低機電設(shè)備的損耗，還能降低設(shè)備的故障率，直接提升作業(yè)效率，間接實現(xiàn)節(jié)能降耗。但是，目前變頻器的應(yīng)用存在著一定的問題，比如變頻器本身損耗較大，可以進一步研究變頻器的控制算法，使用低損耗的器件，在實現(xiàn)性能提升的同時，降低變頻器自身損耗。