煤礦機電設備中的變頻技術節能改造技術

張瑞昭

(國能神東煤炭集團有限責任公司石圪臺煤礦，陜西 神木 719315)

0 引言

煤炭作為中國最重要的能源之一，如何有效地使用和消費煤炭資源將直接影響著中國的經濟和社會發展。現代煤礦公司經常使用大量的機電設備來實現高效的采礦作業，以及大功率連續開采地下生產通常會導致礦山的機電設備在高負載下運行，從而導致設備運行能源消耗的增加，嚴重影響采礦作業的安全和運行進度。因此，有效的節約和減少能耗是每個煤礦企業都應正視的問題。通過實施能源轉換來提高礦山的綜合利益至關重要，文章就該能源轉換將電氣和機械設備引入變頻技術，以減少能源的消耗做一簡述。

1 變頻技術基本概述及工作原理

變頻技術通常是在各種技術的基礎上形成的，例如傳統的電力技術，電力電子技術和微型計算機技術。變頻技術通常具有高度的完整性[1]。該技術可通過更改電源頻率和調整負載來降低功耗，減少損耗并延長設備壽命。變頻技術是依靠整流橋將當前頻率的電流轉換為直流電壓，然后將直流電壓轉換為頻率。輸入電壓是可調節的交流電，用于驅動電壓操作交流電動機，以便通過適當的速度控制來調整電壓和電流以適應設備。通過使用變頻技術來調節機電設備的速度，在速度調節過程中的轉差消耗為零，具有節能的優點，也符合技術標準。在一定程度上提高機電設備的工作效率是可再生節能機電煤礦的發展方向[2]。

2 變頻技術作用及其成果

2.1 有利于提高系統效率

變頻技術有利于提高系統效率，液力耦合器主要用于連接減速器和電機，但是由于其是利用液體來進行傳動的，因此，其傳動效率相較于電機和減速器直接連接的傳動效率明顯要低，而變頻器的應用能夠減少耦合器應用，同時也能夠使系統效率得到有效提升。同時，由于變電站距離礦井比較遠，電壓存在波動現象，但是應用變頻器能夠穩定電壓，起到節能作用。

2.2 提高系統功率因數

變頻技術有利于提高系統功率因數。通過對電機設計特點以及運行情況分析可得，若是負載不符合標準，會導致電能損失，只有接近滿載時，電機運行效率才能夠提升，這是由于電機在輕載時，電流有功分量較小，其產生的功率較低，但是電機所規定的余量又較大，多臺機械運行時無法實現滿載，電機也無法實現滿速、滿電壓運行，甚至會出現時空載運行。而采用變頻器能夠解決這一問題，提高系統功率因數，同時節省電能。

3 變頻技術對煤礦機電設備的節能改造研究

3.1 對提升機電控制系統進行節能改造

當前，一些煤礦公司使用的舊式采礦提升機通過繞線式電動機轉子來控制阻力。這種類型的提升機具有幾個缺陷。首先，在使用過程中，該提升機具有相當大的電能消耗，提升機操作越慢，其轉差功率就越大[3]。其次，提升控制系統非常復雜，故障率很高，因此不能保證它在煤礦開采中能安全工作。另外，舊式提升機控制系統的速度不能很好地調節，速度控制也不能連續進行，這些因素是限制煤礦高效發展的因素。使用變頻技術對其進行能量改造以提高舊式提升機控制系統的節能效果，可以提高礦井開采操作的自動化水平和效率，同時減少采礦工作的運行時間，減少煤礦系統和提升機控制系統的能耗[4]。

3.2 對井下局扇進行節能改造

大多數煤礦公司通常在地下風機上使用全速模式。這種操作模式無法根據現場的煤礦開采操作來調整設備的速度，并且沒有節能降耗的效果。在這種情況下，有必要通過減少煤礦機電設備的消耗并利用局扇變頻調速技術來進行節能變化[5]。在煤礦井下局扇的監管有幾個目標，這些目標可以節省能源并降低能耗。這是因為該技術的變速控制器的風扇可以根據氣體傳感器實時檢測道路上相應位置的氣體濃度變化，并且還可以自動調節井下局扇速度以合理地調節送風量。它不僅保證了將煤礦機電設備應用于煤礦的安全性，而且還減少了機電采礦設備的電能消耗，從而延長了井下局扇設備的使用壽命，減少了煤礦機電設備的損耗投資[6]。將井下局扇的節能改造已轉換為變頻技術，機電設備的風扇全年不需要全負荷運行，因此可以有效利用煤礦中的機電設備，這對減少設備的能耗有促進作用。

3.3 對井下電機車進行節能改造

在以前的煤礦井下作業中，傳統的電力機車經常采用電阻調節的方式，這種方式不僅能耗大，穩定性差，而且經常引起機械事故，需要經常進行維護和保養。通過使用帶有變頻技術調節器的電動機車，可以將直流轉換為交流電，并將直流轉換為電壓和頻率[7]。通過控制這三者，可以大大提高電力機車的穩定性。同時，在電機車中使用變頻技術可以提高牽引效率和機器效率，確保足夠的動力并降低能耗。企業過去使用的傳統井下機車通常采用調節電阻的方法，該方法消耗大量的電能并且浪費很多的電力[8]。傳統的高壓井下電機車采煤失敗的頻率很高，需要經常維護并且技術性能差。為改善這種情況，可以使用交流變頻調速電動機，該變頻器可以將直流驅動器轉換為交流驅動器，即使用直流到交流電源的牽引技術，可以將直流電轉換為三相交流電，因此達到了運行牽引電動機的目的[9]。利用技術轉化率和直接轉矩控制技術，可以有效地提高電機車的牽引力，其在使用過程中具有實用性強、動轉矩大、節約能源、降低能耗等諸多優點。此外，當電機車在下坡路段處于通電狀態時，可以控制運動并有節能的雙重作用[10]。

3.4 對風泵類煤礦輔助生產系統進行節能改造

在煤礦井中水泵和風扇是煤礦生產系統中最重要的設備也是主要能耗設備。這些設備不僅在長時間的高負載條件下容易失效，而且經常導致設備處于滿負荷狀態[11]。在調節水量和風量時，大都采用了調節風門開度和門開幅度的方法。這種修復方法不能理想地滿足不同的采煤要求，必須使用變頻技術對風泵煤礦的輔助系統進行能量交換，這是確保風扇和水泵控制系統安全運行的關鍵方式[12]。

3.5 對煤礦皮帶運輸機進行節能改造

帶式運輸機將交流電作為電動機動力，將液力耦合器作為傳動，通過工頻拖動來運行工作，其作為煤礦運輸主體設備之一，對煤礦的運輸起著重要的作用。但是，帶式運輸機當前存在啟動電流過大、傳動效率低、機械沖擊大等不足，在利用變頻技術來改造煤礦皮帶運輸機后，能夠解決其在重載和啟停情況下出現的跑帶、斷帶等安全問題，使帶式運輸機的工作效率得以提升，同時也能夠增加煤礦的經濟和社會效益。首先，利用變頻技術能夠使其帶強降低，變頻器開啟時間可以調節，因此，在變頻器應用驅動時，帶式運輸機啟動的時間可以延長，能夠使其帶強降低，也能夠降低設備投入成本。其次，變頻器具備軟啟動能力，能夠更好地驅動運輸機，利用變頻器可以將運輸機和電機結合起來，緩緩啟動電機并將運輸機帶動起來。這時，運輸機張力較小，不會產生損壞，同時能夠將皮帶內存儲的能量釋放出來。同時，變頻器應用在多電機驅動時主要利用主從控制法進行驅動，可以保證功率平衡。最后，降低檢修工作量，利用變頻器能夠避免帶式運輸機啟動時沖擊機械，降低對運輸機械的損壞。

4 變頻器節能技術發展前景

隨著經濟體系的完善，各種變頻節能技術的應用越發廣泛，其在煤礦機電設備中也得到了普及。為適應當前經濟可持續發展的需求，我國政府制定了環保節能和綠色發展策略，為推動變頻節能技術的發展和完善起到了積極作用。實踐證明，變頻節能技術具有環保性、節能性，該技術在不斷優化的基礎上可以滿足我國節能技術需求，同時也能夠為煤礦企業經濟效益的增加起到促進作用，實現我國資源節約型和環境友好型社會的建設目標。

5 結語

煤礦機電設備的開采是有效發展煤礦生產的關鍵因素，能耗運營一直是礦山日常運營的主要消耗成本。能源消耗運行的降低將有助于提高礦山的綜合效益，這是我國可持續發展戰略的關鍵要求。采礦施工的管理人員應考慮相關問題，并將變頻技術有效地應用于煤礦生產的各個方面。通過變頻改造來改變煤礦機電設備的現狀。在提高設備運行的穩定性和效率的情況下，減少能耗，實現煤礦綜合效益的同時，有效促進礦井的長期發展。