礦山機電設備中變頻控制技術原理及應用探析

崔慶美

（玉溪飛亞礦業開發管理有限責任公司，云南 玉溪 653100）

礦山采礦中所應用的設備較為多樣，整體采礦作業機電系統極為復雜，需要以自動化的形式，對機電設備予以控制，才能保證設備運行的穩定性。而變頻控制技術是自動控制技術體系中一個重要組成部分，因此，為了更好地實現機電設備自動控制，必須深入研究變頻技術的原理，并總結出科學、有效的技術應用方案，以提升礦山機電設備的自動化作業水平。

1 礦山機電設備中變頻控制技術的應用優勢

從總體上來看，變頻控制技術在礦山機電設備控制中運用的主要優勢在于以下幾個方面：第一，生產效益方面，變頻控制技術可以讓設備運行更加靈活，而且變頻控制系統支持速度調節、自動化控制、遠程控制、啟停控制等大部分機電自動控制功能，因此，在該技術的助力下，機電運行管理所需的人力資源數量將急劇減少，實現了成本的壓縮，同時，該技術可以讓系統在不需要工作的時候，進入低功率狀態，減少了能耗，提高了成本控制力度，由此為企業創造了更大的生產效益空間；第二，作業狀態方面，目前為止，變頻控制技術以及配套設施的發展已經達到了比較成熟的水平，在礦山機電設備控制中具有較強的可行性，而且故障幾率較低，能夠保證各項控制功能的可靠運作，因此，可以使設備作業狀態更加穩定；第三，環保方面，伴隨著能量的消耗，機電設備通常會向外釋放大量的煙氣，導致環境污染，而變頻控制具有降低能耗的作用，可以減少污染氣體排放。此外，變頻控制技術對機電設備功率的控制，能夠極大地減少機電設備的運行磨損，控制后期運維帶來的能耗以及污染。

2 礦山機電設備中變頻控制技術原理

2.1 變頻控制基礎原理

變頻控制有兩種模式，第一種為將直流電轉化為不同頻率的交流電。第二種為將交流電轉化為直流電，之后再轉化為不同頻率的交流電，但無論以哪種模式實現變頻控制，變頻控制技術的基礎原理均為：在不改變電能的情況下，改變電流頻率，由此改變電機轉速，實現對電機運行的控制。其中，逆變方式的基礎原理為，根據傅里葉級數公式，uo=4Ud/π，可知，電壓的變化會改變基波幅值，而幅值決定電流的頻率，然后基于此，構建一個橋式逆變電路，通過控制電路中的開關開合，改變電壓，以引起基波幅值的變化，最終改變電流頻率，實現逆變。但如果涉及到交流電向直流電的轉化，那么在變頻控制基礎原理中，除了包含逆變原理內容以外，還包含整流原理內容。在此過程中，整流原理為，通過利用整流電路中開關的開合，改變電流頻率，使交流電轉化成為直流電，實現整流。此外，在變頻控制技術基礎原理中，控制運行部分的基礎原理可以被概括為公式，，其中，n為電動機轉速、p為極對數、f為電流頻率、k為滑差系數。由此可見，n受f所影響，因此，可以通過變化電流頻率來控制電機轉速，實現變頻控制。

2.2 交流變頻控制技術原理

在變頻控制技術中，交流變頻控制技術是其中一個重要組成部分，總體上來說，該技術的基礎原理可以被闡釋為公式，同步轉速表達式、異步電機轉差率定義式，異步電機轉速表達式。但如果從細化的技術基礎原理層面上來看，需要將該技術分為三種類型，即恒壓頻比控制技術、矢量控制技術、直接轉矩控制技術。其中，恒壓頻比控制技術原理為，將相電勢近似為定子相電壓，然后通過控制定子相電壓，保持電動勢與頻率之間的比值恒定，由此，使調速控制時，氣隙磁通更加恒定，實現恒壓頻比控制，增強變頻控制功能的穩定性。矢量控制技術原理為，通過運用VFD對三相交流電機進行控制，來操控變頻器的輸出電壓、功率等矢量，由此實現對設備的變頻控制。直接轉矩控制技術的原理為，通過直接控制馬達的磁通、轉矩，來控制馬達的速度，由此改變電路頻率，實現機電控制。根據上述理論論述，變頻控制技術的運用可以有效改善電網、控制系統、電機的運行水平，如減小啟動電流、啟動電流對電網影響較小等。

2.3 整體變頻控制技術原理

如果從礦山機電設備體系的整體來看，變頻控制技術原理可以被宏觀地闡釋為：當技術配套物理結構接收到工頻信號后，物理結構會將該工頻信號轉化為可以被識別、讀取的工頻信號，然后按照信號中所表述的控制指令，運用逆變器，將直流電轉化為既定頻率的交流電，由此控制機電的轉速，達到機電設備控制的效果。基于上述對技術原理的闡釋，可以了解到，運用該控制技術，僅需要在電源系統中設置一個逆變器以及工頻信號識別裝置，作為技術配套的物理結構，即可有效運用此技術，完成礦山作業中復雜機電設備的控制，并借此減低作業能耗、改善作業效益水平。但需要根據所用的具體控制技術，如矢量控制技術、恒壓頻比控制技術等，來選用相應的技術物理結構，由此保證上述技術原理的有效落實。

3 礦山機電設備中變頻控制技術應用

3.1 提升系統機電設備應用

在變頻控制技術的應用中，最早人們構建逆變回路時，會設置一個電阻接入回路部分，并通過控制回路內鼓型控制器，在回路中將電阻接入、隔離，以改變電流頻率，由此運行變頻控制技術。但事實上，電阻的接入勢必會帶來一部分電能的損耗，使該技術的能耗控制作用受到限制，而且很容易在提升設備調速時，出現低頻電流的問題，影響了設備運行的穩定性。為此研發出了一種基于邏輯關系構建出的逆變回路，這種逆變回路主要依靠繼電器來完成電流頻率的調控，消除了電阻接入造成的電能損耗，而繼電器則遵循既定的程序運行，同時，工作者可以通過編程的方式，為繼電器的運行設置程序，由此實現了考慮具體控制需求的變頻控制技術。由于繼電器對程序的識別，主要依靠于將梯形圖轉化為控制電路圖，所以工作者運用梯形圖這種較為簡單的方式，即可完成編程，提高了技術的可行性[1]。

3.2 皮帶系統機電設備應用

在礦山機電設備系統中，皮帶設備屬于金屬、非金屬礦山水平傳送設備，由于大部分礦山的開礦區域規模較大，因此，水平傳送路程也比較遠，這在很大程度上增加了皮帶系統的能耗，凸顯出了變頻控制技術的應用價值。在變頻控制技術應用中，為了達到良好的控制效果，需要讓變頻控制系統根據負載的變化，進行輸出頻率、力矩的調整，因此，工作者應根據：

等公式，開展繼電器編程，然后通過控制繼電器的運行，使逆變器的輸出電流狀態，符合皮帶機電系統控制需求，由此，達到預期的控制效果。就目前來看，變頻控制技術在此處的應用，能夠使礦山作業節約大量的電力，而且消除了上下軸出力不均勻，造成的工作輥偏移、皮帶偏移等問題，改善了皮帶機電系統的使用性能，有助于礦山生產作業水平的發展[2]。

3.3 通風系統機電設備應用

通風系統是保證礦井內作業安全的重要設備，而長時間高負荷的運作容易加劇設備的磨損，增加故障幾率。由此人們會運用變頻控制技術，根據風量需求，對通風系統運作功率進行控制，控制長期高負荷運轉下，形成的故障風險，同時，也能夠借此，來降低通風設備的能耗量，以達到更好的設備運行效果。此外通風系統運行中，工作者還可以采用遠程控制的方式，對通風系統進行調控，以消除地理位置束縛對通風控制工作時效性的影響，由此大幅度減少通風不暢事故發生的幾率，壓縮此方面的人力資源消耗量。

3.4 采礦系統機電設備應用

采礦機電是礦山作業機電設備體系中的核心設備，其負責進行具體的礦石開采工作。從整體上來看，該設備的運行行為較為復雜，因此，變頻控制技術通常與PLC技術等自動化控制技術共同應用，在技術的應用中，需要將變頻控制配套設施接入到自動化控制系統中，并通過接收、識別中控系統下達的指令，來運行繼電器，使逆變器的輸出電流能夠控制指令要求，實現變頻控制。

3.5 井下絞車機電設備應用

在井下絞車機電設備應用中，借助變頻控制技術，工作者可以在電源660V、頻率50HZ的前提下，將井下絞車的輸出功率靈活控制在0～50之間。但考慮到整體電網供電運行，必須將電壓控制范圍設置在-15%～10%，并將頻率控制范圍設定在-2.5%～2.5%，以免變頻控制運行影響其他設備的作業。但由于絞車設備在低頻運行時容易出現元件過熱問題，因此，在運用該控制技術時，還需做好配套冷卻輔助裝置的設置，保持絞車設備在變頻控制下的良好運行狀態。此外，目前礦山自動化作業水平的發展，讓PLC等自動化技術逐步被引入到井下絞車機電設備的運作管理中，所以在此處，變頻控制技術也經常與電氣自動化技術聯合應用。

3.6 鏟運機及礦山輔助機電設備應用

鏟運機、礦山輔助機電設備的運行控制也是變頻控制技術常用領域。在技術應用中，可以將變頻控制系統設置到整體的中控系統中，讓變頻控制系統能夠按照中控系統統籌得出的控制方案，對鏟運車、礦山輔助機電設備的運行行為進行控制，以確保上述兩種設備能夠按照人們的需求，進行自動化運行，同時，由于中控系統支持人工操作，因此，工作者還可以根據實際情況，以人工操作的方式，直接向變頻控制系統下發指令，由此操控鏟運機、輔助機電設備的運行，提高控制系統的靈活性。

4 結論

綜上所述，增強變頻控制技術的應用效果，有助于礦山機電系統的建設優化。在礦山開采中，借助合理的變頻控制技術方案，來管控配套機電設備的運作，可以保證機電運作的準確性、壓縮人力資源成本、規避工作者人身安全風險、改善礦山開采機電設施條件，從而獲得更好的開采作業效果，為煤礦生產水平發展的加快推進夯實基礎。