煤礦機電設備中變頻技術發展及應用

劉 智 馬英輝

（陜西陜煤曹家灘礦業有限公司，陜西 榆林 719000）

1 前言

我國對于煤炭的開采歷史悠久，從最原始的手動開采，到借助各種工具，我國煤礦的開采工作經過了長時間的發展，目前已經全部實現了機械化開采。與傳統的開采方式相比，使用各種機電設備的開采使得生產效率得到了大幅度提升。但是機電設備在運行過程中所帶來的問題，不僅制約到了煤炭開采行業的可持續發展，也對我國的能源發展產生了一定的阻礙。比如機電設備在運行過程中帶來的能耗高、故障率高和安全系數低等問題。為了實現煤礦開采取得更進一步的效率，必須要解決這些問題。通過研究發現，采用變頻技術，可有效提高機電設備在運行中的能源利用率，降低能源消耗。不僅如此，還能極大提升機電設備運行的穩定性。

2 變頻技術含義、發展、原理及優勢

2.1 變頻技術的含義

變頻技術是指將直流電通過逆轉換變成不同頻率的交流電的一種轉換技術，整個技術的核心是變頻器設備。通過對工作電流頻率的改變實現控制交流電，在整個轉換過程中只有頻率發生了變化，電能是不會被改變的。作為核心設備，變頻器將電源中的電源進行改變，從而實現電壓的調節和變化，并確保正常工作下的電流和電壓能夠得到保障[1]。變頻的主要目的就是為了節省電能，由于其良好的穩定性，以及通過節約能源消耗而帶來巨大的經濟效益，廣泛被各行各業所使用。

2.2 變頻技術的發展

變頻技術的發展，是在電子元器件發展的基礎上衍生出來的。從上世紀60 年代開始，電子元器件的技術得到了空前發展，從儲器的晶閘管到技術程度較高的控制晶閘管，通過技術的不斷提升，給變頻技術的發展打下了扎實的基礎。技術發展到上世紀70 年點，開始出現了VVVF 調速技術，引起了相關行業的熱議。再到上世紀80 年代，出現了PWM 模式為技術核心的變頻技術，并在此基礎上不斷進行優化，這個階段變頻技術得到了空前的發展，并出現了各種優化模式，使用到市場中。隨著全球對環節保護以及能源危機的意識越來越強，變頻技術無論從技術上，還是從市場應用上都得到了很大的提升。

2.3 變頻技術的原理

在原有電壓條件下，通過對交流電的頻率進行改變，并自動控制設備。使用變頻器并利用電力半導體的元器件作為通斷作用，將交流電再轉換為可變交流電，從而達到了變頻調速的效果[2]。

2.4 變頻技術的優勢

在煤礦行業中，由于使用大量的機電設備，必然要消耗大量的電能。眾所周知，我國目前電能主要還是來源于火力發電，而火力發電使用的原材料就是煤炭。電力的需求提高，也就意味著要消耗更多的煤炭才能滿足社會的發展需求。地球下可開采的煤炭資源是有限的，待到消耗殆盡時，將會給社會的經濟發展帶來嚴重的制約。因此，通過變頻技術的使用，在保證創造同樣的社會價值前提下，減少煤炭的消耗，不僅能提升企業的經濟效益，從宏觀層面來說，延長了地球上可開采煤炭的使用年限。

不僅如此，變頻技術在機電設備的運行可靠性和穩定性方面都要高于傳統的技術。在機電設備工作過程中，變頻器和電機的運行機制與運行過程中所產生的實際符合相結合，從而能夠精確地控制電極的運行，達到穩定性的目的。如果運行過程中動電流要比額定電流值小，對電機進行控制，降低其運行速度，從而實現電機的損耗降低。

3 煤礦機電設備中變頻技術的使用原則

變頻技術作為一項高水平技術，不僅能夠促進機電設備能夠穩定的運行，提升設備運行壽命，而且降低設備運行過程中的損耗，通過節能減排，實現低碳環保，其應用范圍越廣泛，將會對企業的經濟效益以及我國的資源環境保護都會帶來很多好處。但是，變頻技術也不是在任何場合、任何機電設備都可以使用的。在煤礦機電設備中變頻技術的使用需要遵循下述幾項原則。

3.1 使用條件需要被滿足

我國的煤礦機電設備經過數年的發展，結合現代科學技術，已經在大多數機電設備上都使用到了變頻技術，在使用過程中必須使用到變頻器。煤礦機電設備不同于一般的機電設備，由于是要深入地下進行煤礦的開采，設備不僅體積龐大，數量眾多，而且為了實現各種功能，設備的零件眾多，構造復雜。使用變頻技術時，需要綜合考慮到設備的狀態和各電氣參數，尤其是要注意電容量，不滿足使用的情況下需要進行改造，包括時間和電壓的技術參數都要進行確認。

3.2 機電設備運行時的負載模式要匹配

雖然在煤礦開采過程中會使用到大量的機電設備，但是這些機電設備根據開采過程中分擔的任務不同，設備的性能、參數均有著比較大的差異。因此這些人設備在運行過程中負載能力也各有差異。此時使用到變頻技術，顯然不能過于統一，必須要根據各機電設備的電動機實際參數進行匹配合適的變頻技術，同時還要考慮到變頻器設備，可能會涉及到設備的改造等工作。比如在選擇恒轉矩負載時，一般都要選擇運行穩定性高的變頻設備，風機泵由于性價比高，而且輸出的參數也比較精準，可以適當進行應用。為了更進一步提升設備運行的穩定性，通常需要對設備之間進行參數的精準確認和匹配，這樣才能做出最優的負載模式匹配。因此，機電設備需要根據各自特點進行匹配，不可一成不變。

3.3 嚴格按照操作規范進行安裝和使用

變頻技術之所以能降低設備的能源消耗，促進機電設備穩定運行，和變頻技術的嚴格操作規范也有著密不可分的關系。在設備使用變頻技術之前，首先需要做好變頻技術的安裝。設備和設備之間嚴格按照操作規范進行各參數、性能指標的比對確認，這樣才能提升設備的而運行效率，否正會影響到最終的操作結果。變頻技術在安裝時，為了保證設備的運行穩定性和使用壽命，設備的安裝環境也有一定的要求，比如不能置于潮濕的空氣中，外界的環境溫度也不能過低，一般要控制在10°C 以上[3]。另外還有一點容易被人們所忽略，為了發揮變頻技術的效率，最佳安裝地區的海拔在1000m 以內。當然不是說超過這個海拔就不能使用變頻技術了，而是需要對設備進行防護設置，這樣才能保證變頻技術不受影響。

4 煤礦機電設備中變頻技術的具體應用

煤炭機電設備中由于設備的種類眾多，很多環節都可以應用到變頻技術。

4.1 礦井提升機中應用變頻技術

作為煤礦生產過程中的一個重要環節，礦井提升機主要復雜運輸人員、開采材料和煤炭的運輸，不僅影響到了煤礦開采效率，其運行穩定性更直接影響到了煤炭企業員工的生命財產安全。傳統開采過程中，主要是通過切換相應的操作擋位來實現提升機的調速，它的工作原理和手動汽車的換擋有些類似。擋位和提升機上的轉子中的電阻相連接，通過對電阻的調節就可以實現調速。這種操作方法雖然比較監督，但是當電阻過大時，就會消耗較多的電能，而且電阻由于發熱，影響電阻的使用壽命。如果提升機在運行過程中遇到電阻故障，將直接影響到提升機的運行安全。因此，對提升機進行變頻技術改造，減少了因調節電阻而帶來的能量損耗。變頻技術可以實現無極調速，促進提升機更加平穩的運行。而且，變頻技術與傳統的機械開關調速不同，它不會出現機械故障，因此也就避免了設備因機械問題而造成安全事故了。

4.2 礦井通風中應用變頻技術

為了保證礦井下作業人員的安全，需要及時將地下氣體排除，這就要求通風設備必須不間斷工作，而且要具備超強的運行穩定性。如果電網中的電壓波動較大，容易造成通風機運行時風扇葉片出現晃動[4]，這樣就不利于風力的循環。而且長時間這種狀態，也很容易破壞風扇，造成安全事故的發生。傳統的通風機中通過對葉片安裝角度的角度來實現風機工況，操作不僅不方便，而且精確度也不高。甚至在一些情況下會對其他設備造成沖擊電流。通過變頻技術的改造，提高通風機的運行穩定性，延長通風機的使用壽命。更重要的是，給礦井作業人員的生命財產安全提供了可靠的保障。

4.3 皮帶運輸機中應用變頻技術

為了可靠地將開采出來的煤礦運輸到地上，需要使用到皮帶運輸機。它是通過皮帶的摩擦力，將放在皮帶上的物體進行運輸。由于煤礦開采過程的持續性，皮帶運輸機的運行持續時間非得長，一般不會停下來。傳統開采過程中，通過設備的調速能實現皮帶的調速，但是容易產生較大的沖擊力，一旦超過皮帶的承受力，就會拉斷皮帶，給運輸機的運行帶來安全隱患。通過變頻技術的改造，可以在啟動時以較低的頻率力控制皮帶運輸機，平緩將電能輸出，這樣不僅減少沖擊力，延長皮帶的使用壽命，而且還能提升工作效率。

5 結語

煤炭對于我國的經濟發展起到了非常重要的促進作用。同時由于地球的煤炭儲存量隨著開采的力度越來越大，能源危機的問題也越來越突出，這就要求各行各業從能源節約和可持續發展的戰略眼光來推動技術的革新。在煤炭機電設備中，合理應用變頻技術，不僅能夠提升設備的運行效率，降低企業能源消耗，還能夠促進機電設備安全平穩的運行，促進企業的良性發展。