變頻節能技術在煤礦機電設備中的應用

李興林

（陜西銀河煤業開發有限公司，陜西 榆林 719000）

現代社會的發展，使人們生活水平提高的同時，對煤炭資源的需求量也日益增長，這使得越來越多的煤礦企業逐步擴大生產規模，通過改造煤礦機電設備來提高原煤產量。當然，煤礦企業在對煤礦機電設備進行技術改造過程中，人們也越來越重視煤礦機電設備的運行可靠性與穩定性。電耗作為煤礦成本中的一項重要構成指標，在煤礦機電設備改造中必須要盡可能降低噸煤電耗量，這對整個煤礦領域的發展有著重大影響。在此背景下，將變頻節能技術應用到煤礦機電設備改造工作中，可使其能源消耗得到大幅降低，進而使機電設備取得更高的運轉效率，有效延長了煤礦機電設備的使用壽命，保證了其運轉穩定性，更重要的是能夠減少煤礦生產成本的投入，從而為煤礦企業創造更多的利潤。

一、變頻節能技術及其應用原理

現如今，各國對于資源、能源的需求與消耗逐年遞增，但煤礦、天然氣等能源開采會耗費大量的電能，進而進入一種高效能的死循環。因此，我國大力開發研究變頻節能技術在煤礦機電設備中的應用，如今在煤礦生產中的采煤機、提升機、流體負荷設備、風機與水泵中得到了廣泛應用。該技術的工作原理是將某些機電設備使用交流電的功率固定的規律所打破，根據人們的意愿、程序的設定以及現場環境的變化進行調節。簡單來說，就是利用半導體元件的通斷作用，將工頻電流的信號在整流器中轉變為直流電壓，再利用整流器可調節電壓的原理進行交流電壓的頻率轉換設置，從而使得電流電機的驅動電源能夠獲得無級調速電壓與電流。其中，變頻器的設置與結構較其他元件更為復雜，其組成部分也較多，涉及的元件種類繁多，需要相關企業根據實際情況與條件進行選擇安裝。

二、變頻節能技術在煤礦機電設備應用的效能

（一）提高經濟效益

首先，變頻節能技術應用于煤炭機電設備，可以通過改變電頻適應煤炭機電設備的工作，減少機器的磨損，增強機器的靈活性與實用性。煤礦機電設備是一些巨大的機器，工作原理復雜并且機器結構繁雜，長時間在不適宜的電流頻度及電壓下工作容易增加機器負擔，影響機器壽命，造成機器的折損，增加生產成本。其次，變頻節能技術的應用能夠避免新機械的購置，減少生產成本的投入。煤礦機電設備屬于大型機械，一旦購置需要使用一定時間才能進行更新，但是隨著煤電技術發展，會出現設備與技術不匹配現象，需要對設備機械進行更新，變頻節能技術可以避免頻繁的更新機械，通過安裝變頻器就可以節省新機械的購置費用，減少成本。再次，煤礦機電工作人員在實際操作過程中，易操作，工序簡單，需要人力較少，可以減少員工的支出成本。

（二）提高環保效能

變頻節能技術的應用可以提升煤礦機電設備的電能應用效率，具備節能的功能，將節約的電能應用于其他環節，實現電能資源利用最大化，實現優化的生產過程，符合綠色發展節能的生產要求；變頻節能技術的應用還可以起到減少廢氣排放的功能，電流頻率與所需相符的情況下，減少機器磨損，是生產環節實現燃燒殆盡的效果，減少排放氣體中的殘余物質，減少廢氣對環境的污染。

（三）改善設備性能

首先，根據變頻節能技術的工作原理，其改變電流的頻率使其固定在設備所需的電頻階段，實現機器設備的充分做功，保障機器在限度內進行工作，既能發揮最大作用又不會影響其設備本身。其次，變頻節能技術實現擺脫信息數字處理的限制，在傳統電路領域能夠根據所需形成電子集成電路，適應技術的應用，有助于創新。變頻節能技術在煤礦機電設備的應用，改善設備性能，并且突破限制對技術創新提出無限可能。

三、煤礦機電設備中變頻節能裝置的類別

（一）礦用變頻器

考慮到變頻器是一種能夠調節機電設備輸出頻率的電子類設備，這能夠幫助機電設備減少運行能耗，從而使機電設備變得更加自動化、智能化，同時相關人員也能夠在遠程操作過程中變得更加便利。

（二）交流四象限變頻器

根據交流電動機在運行過程中的機械性能變化情況，并利用數學軸來進行象限劃分，可將象限分成四個，分別是正傳電動狀態、反轉電動狀態、回饋制動狀態以及反接制動狀態。無論電動機處于哪個象限，其均可正常運行，不過電動機在正傳電動狀態和反轉電動狀態這兩個象限中的運行是以電動狀態存在的，而在回饋制動狀態和反接制動狀態這兩個象限中的運行則呈現出發電狀態，電動狀態和發電狀態的區別在于前者的能量消耗來自電網，而后者則是將能量回饋給電網。有些變頻器能夠在電動機四象限中得以正常運行，對于這類變頻器，也稱為交流四象限變頻器，通過將交流四象限變頻器運用到具備位勢負載特性的電動機中，能夠使電動機隨著系統勢能的增加或減少而實現電動狀態和發電狀態的切換。在沒有應用交流四象限變頻器之前，許多能量都會通過電阻發熱的方式被損耗掉，這便造成了大量能量的浪費，而在應用交流四象限變頻器以后，則可利用逆變回路將電動機的電力逆向輸入到電網中，從而有效減少了電能的損耗。能量在流動過程時，可以通過四象限變頻器中內置的功率模塊來達到雙向流動目的。四象限變頻器中內置了微處理模塊，能防止電網被諧波污染。

四、變頻節能技術的發展

變頻技術最早出現于20世紀60年代，當時社會對于無極調速、節能降耗的需求性提升，最終促使變頻技術的出現。最初出現的變頻技術主要是通過晶閘管來實現變頻效果，隨著變頻技術的不斷深入研發，相關產品也在快速發展和升級，但以晶閘管為關鍵部件的變頻技術，其實際調速性能卻無法滿足實際應用要求。對于此問題，部分學者研制出了脈寬調制變壓變頻技術，并在20世紀80年代時，美國和德國科學家就對相關算法進行進一步優化完善，促使應用變頻技術參數的變頻器逐步在市場中進行普及。在進入信息時代以后，隨著信息技術、電子技術以及相關控制理論的快速發展，如今變頻技術的控制精度、調頻性能、使用耐用性均得到進一步提升。在變頻器元器件研發和應用方面，如今變頻器已經開始逐步應用智能化控制模塊;在控制技術方面，結合當今的先進控制理論，不僅出現了諸如壓頻比等先進控制技術，還可以實現矢量控制、轉矩控制效，極大地拓展了變頻技術的可應用范圍以及控制成效。此外，隨著人工智能、自動化等技術在變頻節能技術領域的逐步應用，不僅產生了諸多基于新型控制理論的變頻節能設備，而且在實際應用過程中還表現出了極為優秀的自動化控制和節能降耗效果。并且，近些年來科研人員還將通信編程技術與變頻節能技術相結合，集成智能化信號處理、專用集成電路等新型技術手段，促使變頻節能技術的可應用范圍也在不斷拓展，未來甚至可能會有著更為良好的發展空間。

五、變頻調速技術在礦山機電中的運用

（一）變頻調速技術在膠帶輸送機中的應用

變頻調速技術在膠帶運送機中的運用主要是通過減少設備損耗，將摩擦力進行合理的運用為主，在膠帶運輸機中運用變頻調速，將膠帶運輸機中產生的摩擦力轉變為牽引力，對膠帶運輸機中產生的牽引力的大小根據需要進行人為干預。此外變頻調節技術的運用還能夠有效降低膠帶運輸機的故障率，提高運輸機的整體穩定性，減少運輸機運輸過程中產生的電流波動，提高了礦山開采的安全系數，使膠帶傳輸機的功率能夠得到最大的運用。

（二）變頻節能技術在采煤機中的應用

采煤機是一個煤礦進行煤炭開采挖掘中的必要設備。一個功能完備的采煤機應包括電氣系統、液壓系統以及機械反應系統。采煤機可以根據組成結構的不同，分為切割系統、裝載系統、運輸裝置以及其他機械控制系統。在采煤機中積極應用變頻節能技術，有利于從以下三個方面來降低能耗。首先，就切割部分而言，可以將不同切割面設置為不同的功率。若煤炭切割面較大，可以使用最大功率進行切割，進而高效的將大工作面下的煤炭納入裝載系統進行后續的運輸。而在切割面較小時，并可適當調低功率，進而節約能源。其次，就裝載系統而言，可以根據需運輸的煤炭數量來調節其運作功率，將裝載的速度與采煤的速度設置為同一頻率。再次，在采煤階段與運輸階段，其牽引力的大小不同。因此，運輸裝置的頻率也應進行不同階段進行調整。在保障牽引力充足的前提條件下，盡可能降低能耗。這樣一來，變頻節能式的采煤機能夠避免長時間的超負荷運作，降低其故障率，延長其使用壽命。

（三）變頻節能技術在流體負荷設備中的應用

流體負荷設備的變頻節能應用，表現在風機變頻與水泵變頻這兩部分上。與傳統的風機做對比，變頻節能式的風機具有最低轉速、目的性強、效果較優的優勢。因此，煤礦企業逐漸在自家的風機中應用變頻節能技術與調速功能。經過改造的風機，可以適應當前礦井下的特殊環境與條件，盡可能地節約礦井開采的使用電能。另一部分就是在煤礦生產過程中的水泵中設置變頻節能技術。這樣一來，既可以提高煤礦的高效給水量，有利于提升液體用泵的靈活使用度，進而大幅度地提高水泵用品的整體質量。與此同時，變頻節能技術的應用有利于幫助抽水泵進行平滑啟動、暫停等靈活智控。由此，礦井下層的液位也可以始終保持穩定狀態。抽水泵空轉與過度使用都會導致電能的浪費與耗用，變頻器的應用能夠切實降低空轉對抽水泵的損耗，保障礦井的開采活動穩定安全。

（四）變頻節能技術在風機設備中的應用

風機作為礦山生產中重要設備組成，其主要包括壓縮機、拖動風機等。在實際礦山生產過程中，風機運行所產生的能耗將會占據礦山生產機電設備總能耗的 40%～50%左右。結合實際情況來看，不同的礦山生產階段，對于風機類機電設備的實際需求情況也不盡相同，為滿足此要求，便需要采用變頻技術，通過技術調控來控制風險的實際輸出功率。傳統的變頻方式是結合各生產階段的實際情況，對風機進行有效替換。但此種情況不僅會影響到礦山的生產效率，而且還會增加礦山生產的設備成本。相比較之下，應用變頻節能技術不僅不需要對風機進行替換，提高風機的輸出功率控制效果，滿足各生產階段的實際要求，而且還可以有效降低風機的運行能耗，據科學研究發現，應用變頻節能技術后，風機的節能效果將可以達到20～40，并且風機的性能曲線還可以得到有效優化，更符合礦山生產的實際操作要求。

結束語：隨著我們國家科技的不斷進步和發展，礦山行業的高科技也應該被運用于礦山的生產中去，以此來滿足礦山的發展和進步，滿足礦山的生產效益，提高礦山的生產能力，并且降低其工作時的耗能。最后礦山行業的發展其實跟我們的日常生活是息息相關的，通過變頻調速技術的運用提高礦山行業的工作效率，提高礦山開采的安全性，為我國的能源帶來強有力的穩定供給。