探析煤礦機(jī)電設(shè)備中變頻技術(shù)的節(jié)能改造

楊光

（上海大屯能源股份有限公司江蘇分公司，江蘇 徐州 221600）

1 變頻技術(shù)的原理和應(yīng)用

變頻技術(shù)是一種電力電子技術(shù)，通過改變電源頻率，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出功率。基本原理是將輸入的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，然后再通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為可調(diào)頻的交流電。，從而實現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速控制。在煤礦機(jī)電設(shè)備中，變頻技術(shù)被廣泛應(yīng)用于提高機(jī)械設(shè)備的效率、降低能耗、減少機(jī)械損耗和提高生產(chǎn)效率等方面[1]。

變頻技術(shù)的應(yīng)用范圍非常廣泛，包括空調(diào)、電梯、機(jī)床、水泵、風(fēng)機(jī)等機(jī)電設(shè)備。在煤礦行業(yè)中，變頻技術(shù)被廣泛應(yīng)用于采掘機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、通風(fēng)機(jī)、提升機(jī)、水泵、壓縮機(jī)等設(shè)備中，變頻技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備的精準(zhǔn)調(diào)速和節(jié)能控制，從而提高設(shè)備的工作效率和生產(chǎn)能力。

2 煤礦機(jī)電設(shè)備的能耗特點和節(jié)能潛力

2.1 煤礦機(jī)電設(shè)備的能耗特點

眾所周知，在煤礦生產(chǎn)中煤礦機(jī)電是不可或缺的設(shè)備，能耗比較高，根據(jù)煤礦機(jī)電設(shè)備的特點，其能耗主要表現(xiàn)在以下4 個方面。

（1）啟動能耗。煤礦機(jī)電設(shè)備在啟動時，電機(jī)的電流會瞬間達(dá)到較高值，導(dǎo)致啟動時的能耗較大。

（2）滯后能耗。煤礦機(jī)電設(shè)備在停止后，電機(jī)的轉(zhuǎn)速并不會立即降為零，而是需要消耗一定的電能才能停止轉(zhuǎn)動。

（3）空載能耗。煤礦機(jī)電設(shè)備在空載狀態(tài)下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速仍然會保持一定的值，從而消耗一定的電能。

（4）部分負(fù)載能耗。煤礦機(jī)電設(shè)備在部分負(fù)載狀態(tài)下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流并不是恒定的，而是隨著負(fù)載的變化而變化，從而導(dǎo)致能耗的變化。

2.2 節(jié)能改造的必要性和優(yōu)勢

隨著環(huán)保意識的不斷提高和能源價格的不斷攀升，煤礦企業(yè)越來越關(guān)注節(jié)能減排的問題。煤礦機(jī)電設(shè)備的節(jié)能改造對于煤礦企業(yè)來說，有以下4 個方面的優(yōu)勢。

（1）節(jié)約能源成本。可以降低能耗，從而減少企業(yè)的能源成本。

（2）提高設(shè)備效率。可以提高設(shè)備的效率，從而提高煤礦的生產(chǎn)能力。

（3）延長設(shè)備壽命。能夠減少設(shè)備的損耗和磨損，從而延長設(shè)備的使用壽命。

（4）提升企業(yè)形象。提高企業(yè)的環(huán)保形象，增強(qiáng)企業(yè)的社會責(zé)任感。

3 對煤礦機(jī)電設(shè)備中變頻技術(shù)進(jìn)行節(jié)能改造的意義

3.1 節(jié)約能源

變頻技術(shù)可以實現(xiàn)電機(jī)的無級調(diào)速，使得設(shè)備能夠根據(jù)實際負(fù)載情況實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)，從而避免了傳統(tǒng)電機(jī)啟動時高速度、低效率的問題。因此，采用變頻技術(shù)可以大大降低設(shè)備的能耗，實現(xiàn)節(jié)能效果。

3.2 提高設(shè)備穩(wěn)定性

傳統(tǒng)的電機(jī)在啟動過程中會產(chǎn)生大的沖擊電流和機(jī)械應(yīng)力，容易導(dǎo)致設(shè)備損壞。而采用變頻技術(shù)可以實現(xiàn)平滑啟動和停止，避免了電機(jī)啟動時的沖擊問題，同時提高了設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。

3.3 延長設(shè)備壽命

變頻技術(shù)可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使得設(shè)備在長時間使用過程中不會受到過高的機(jī)械應(yīng)力，從而減少了設(shè)備的磨損和損壞。所以，科學(xué)且合理的應(yīng)用變頻技術(shù)，能夠進(jìn)一步延長設(shè)備壽命，也能降低成本，避免維護(hù)所產(chǎn)生的影響[2]。

3.4 提高生產(chǎn)效率

有效的應(yīng)用變頻技術(shù)能夠進(jìn)一步實現(xiàn)設(shè)備的無級調(diào)速，從而使設(shè)備能夠根據(jù)實際負(fù)載情況進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，保證了設(shè)備的運(yùn)行效率。同時，變頻技術(shù)還可以實現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和監(jiān)控，方便管理人員對設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)度，提高了生產(chǎn)效率。

3.5 減少環(huán)境污染

采用變頻技術(shù)可以減少設(shè)備的能耗，從而減少了燃煤等能源的消耗，降低了CO2等排放物的排放量，減少了對環(huán)境的污染，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。

4 煤礦機(jī)電設(shè)備中變頻技術(shù)的節(jié)能改造內(nèi)容

4.1 提升式皮帶輸送機(jī)變頻技術(shù)節(jié)能改造

作為煤礦生產(chǎn)中的重要設(shè)備，提升式皮帶輸送機(jī)能耗占到煤礦總能耗的比例較大。傳統(tǒng)的提升式皮帶輸送機(jī)通常采用定速電機(jī)進(jìn)行控制，而這往往會導(dǎo)致生產(chǎn)過程無法滿足實際的負(fù)載要求，出現(xiàn)浪費(fèi)能源的不良現(xiàn)象，由于提升式皮帶輸送機(jī)的負(fù)載變化大，定速電機(jī)在啟動和停止時產(chǎn)生的沖擊電流和機(jī)械應(yīng)力也會影響設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。

通過安裝變頻器控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)提升式皮帶輸送機(jī)的無級調(diào)速，而且也能依據(jù)實際的生產(chǎn)情況做到自動調(diào)節(jié)，滿足節(jié)能的基本要求與目的。變頻器控制系統(tǒng)通過改變電機(jī)的頻率和電壓，可以實現(xiàn)對提升式皮帶輸送機(jī)的無級調(diào)速，在運(yùn)行過程中，變頻器可以根據(jù)實際負(fù)載變化來調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，保證設(shè)備始終處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。與傳統(tǒng)的定速電機(jī)相比，變頻器可以實現(xiàn)節(jié)能效果高達(dá)30%以上。同時，采用變頻器控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)提升式皮帶輸送機(jī)的平滑啟停，避免了傳統(tǒng)啟停方式產(chǎn)生的沖擊電流和機(jī)械應(yīng)力，提高了設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性，變頻器控制系統(tǒng)可以通過控制電機(jī)的加速度和減速度，使得設(shè)備在啟動和停止時能夠平穩(wěn)地運(yùn)行，避免了傳統(tǒng)啟停方式對設(shè)備的損傷。

在提升式皮帶輸送機(jī)的變頻技術(shù)節(jié)能改造中，需要考慮的因素較多。首先，需要考慮提升式皮帶輸送機(jī)的特點和實際工況，確定變頻器的選型和安裝位置。其次，需要考慮提升式皮帶輸送機(jī)的工作狀態(tài)和負(fù)載特點，進(jìn)行變頻器參數(shù)的設(shè)置和調(diào)整。在實際應(yīng)用中，還需要加強(qiáng)對變頻器的維護(hù)和管理，保證設(shè)備的正常運(yùn)行和節(jié)能效果的持續(xù)發(fā)揮。

4.2 煤礦通風(fēng)機(jī)的變頻技術(shù)節(jié)能改造

煤礦通風(fēng)機(jī)也是其中的設(shè)備之一，其作用是在礦井中為礦工提供充足的新鮮空氣，同時將礦井中的有害氣體、粉塵等物質(zhì)排出礦井，保證礦工的生命安全和生產(chǎn)環(huán)境，但通風(fēng)機(jī)長時間工作的能耗較高，是煤礦能耗的重要來源之一。眾所周知，傳統(tǒng)的通風(fēng)機(jī)通常采用常規(guī)啟停方式進(jìn)行控制，啟動過程中電流較大，啟動時間長，能耗較高，而采用變頻器控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)通風(fēng)機(jī)的無級調(diào)速，使得設(shè)備能夠根據(jù)實際需要進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，達(dá)到節(jié)能的效果。變頻器的主要功能是改變電機(jī)的運(yùn)行頻率和電壓，以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，采用變頻器控制系統(tǒng)可以將通風(fēng)機(jī)的電機(jī)控制在最佳運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

4.3 煤礦提升機(jī)的變頻技術(shù)節(jié)能改造

煤礦提升機(jī)是煤礦井下重要的物資和人員輸送設(shè)備，其運(yùn)行所需的能量消耗較大，傳統(tǒng)的提升機(jī)采用常規(guī)啟停方式進(jìn)行控制，每次啟動時電機(jī)都需要消耗大量電能，造成能源的浪費(fèi)。此外，由于提升機(jī)在運(yùn)行過程中所需的能量大小存在較大差異，常規(guī)控制方式很難滿足設(shè)備無級調(diào)速的要求，也會浪費(fèi)大量電能，在此背景下通過變頻技術(shù)的節(jié)能改造，可以實現(xiàn)提升機(jī)的節(jié)能控制，降低煤礦的能源消耗和成本支出。

（1）無級調(diào)速控制。傳統(tǒng)的提升機(jī)采用定速電機(jī)進(jìn)行控制，很難滿足設(shè)備在不同負(fù)載下的運(yùn)行要求，會造成能源的浪費(fèi)。通過安裝變頻器控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)提升機(jī)的無級調(diào)速，使得設(shè)備能夠根據(jù)實際需要進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，達(dá)到節(jié)能的效果。

（2）平滑啟動和停止。傳統(tǒng)的提升機(jī)啟動時電機(jī)需要消耗大量電能，并且啟動時間長，容易造成電網(wǎng)電壓的波動和電機(jī)的損壞。而采用變頻器控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)提升機(jī)的平滑啟動和停止，避免了傳統(tǒng)啟停方式產(chǎn)生的沖擊電流和機(jī)械應(yīng)力，提高了設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性[3]。

（3）節(jié)能效果顯著。煤礦提升機(jī)采用變頻器控制系統(tǒng)后，能夠?qū)崿F(xiàn)無級調(diào)速和平滑啟動停止，從而達(dá)到節(jié)能效果。實際應(yīng)用中，變頻器控制系統(tǒng)可使提升機(jī)的能耗降低20%～30%，能夠為煤礦帶來顯著的節(jié)能效益。

4.4 煤礦破碎機(jī)的變頻技術(shù)節(jié)能改造

煤礦破碎機(jī)是煤礦生產(chǎn)中必不可少的關(guān)鍵設(shè)備之一，它的工作原理是利用破碎機(jī)刀片對煤炭進(jìn)行破碎，將大塊的煤炭破碎成小顆粒，方便后續(xù)的物料處理。然而傳統(tǒng)的破碎機(jī)采用定速電機(jī)控制，導(dǎo)致在實際生產(chǎn)過程中，往往不能滿足不同負(fù)載的要求，浪費(fèi)能源。此外，破碎機(jī)啟停時，電機(jī)電流瞬間升高，電網(wǎng)壓降加大，這不僅增加了設(shè)備的機(jī)械應(yīng)力，而且對電力系統(tǒng)的影響也不可忽視。為了解決上述問題，可以采用變頻器技術(shù)來對煤礦破碎機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造。具體來說，通過安裝變頻器控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)破碎機(jī)的無級調(diào)速，使得設(shè)備能夠根據(jù)實際需要進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，達(dá)到節(jié)能的效果。同時，采用變頻器控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)破碎機(jī)的平滑啟停，避免了傳統(tǒng)啟停方式產(chǎn)生的沖擊電流和機(jī)械應(yīng)力，提高了設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。

在變頻器控制系統(tǒng)中，電機(jī)通過變頻器接受來自控制系統(tǒng)的調(diào)速信號，實現(xiàn)破碎機(jī)的調(diào)速功能，變頻器可以根據(jù)負(fù)載的變化自動調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到節(jié)能的效果。同時，變頻器還具有啟動和停止的平滑控制功能，可以通過軟啟動和軟停止技術(shù)，逐漸增加或減少電機(jī)的轉(zhuǎn)速，避免了傳統(tǒng)啟停方式帶來的沖擊電流和機(jī)械應(yīng)力[4]。

4.5 井下電機(jī)車的變頻技術(shù)節(jié)能改造

井下電機(jī)車是煤礦井下主要的物資和人員運(yùn)輸設(shè)備之一，其能耗占到煤礦機(jī)電設(shè)備能耗的相當(dāng)大比例，傳統(tǒng)的電機(jī)車通常采用常規(guī)啟停方式進(jìn)行控制，導(dǎo)致電機(jī)在啟動過程中電流較大，啟動時間長，能耗較高，在運(yùn)行過程中由于負(fù)載的變化，電機(jī)的轉(zhuǎn)速也需要隨之變化，如果采用定速電機(jī)進(jìn)行控制則會浪費(fèi)大量的能源。通過安裝變頻器控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)電機(jī)車的無級調(diào)速，設(shè)備能夠根據(jù)實際需要進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，達(dá)到節(jié)能的效果。同時，采用變頻器控制系統(tǒng)可以平滑啟動和停止電機(jī)車，避免了傳統(tǒng)啟停方式產(chǎn)生的沖擊電流和機(jī)械應(yīng)力，提高了設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性，變頻器控制系統(tǒng)還可以實現(xiàn)電機(jī)車的動態(tài)制動，將制動能量回饋到電網(wǎng)，進(jìn)一步提高能源利用效率。

在電機(jī)車的節(jié)能改造中，還可以采用高效能的永磁同步電機(jī)替代傳統(tǒng)的異步電機(jī)，提高電機(jī)的效率和功率因數(shù)，進(jìn)一步降低能耗。當(dāng)然還可以采用能量回收系統(tǒng)，將電機(jī)車在制動過程中產(chǎn)生的能量回收并存儲，用于電機(jī)車的加速和運(yùn)行，從而進(jìn)一步提高能源利用效率。

4.6 井下局扇變頻技術(shù)節(jié)能改造

井下局扇是煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)中的重要組成部分，其能耗占到井下總能耗的比例較大。傳統(tǒng)的局扇通常采用定速電機(jī)進(jìn)行控制，導(dǎo)致在實際生產(chǎn)過程中不能滿足不同風(fēng)量的要求，浪費(fèi)能源，通過安裝變頻器控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)局扇的無級調(diào)速，使得設(shè)備能夠根據(jù)實際需要進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，達(dá)到節(jié)能的效果，變頻器控制系統(tǒng)可以使井下局扇的風(fēng)量和靜壓得到精確控制，不僅提高了局扇的控制精度和穩(wěn)定性，而且在控制風(fēng)量和靜壓的同時，能夠有效地減少能耗。換而言之，變頻器控制系統(tǒng)還可以平滑啟動和停止局扇，避免了傳統(tǒng)啟停方式產(chǎn)生的沖擊電流和機(jī)械應(yīng)力，提高了設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。在實際應(yīng)用中，變頻器控制系統(tǒng)還可以實現(xiàn)局扇的自動化控制，通過聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、故障診斷和預(yù)測維護(hù)，提高設(shè)備的運(yùn)行效率和生產(chǎn)安全性，在井下局扇的節(jié)能改造中廣泛采用變頻技術(shù)，實現(xiàn)節(jié)能降耗和智能化運(yùn)行[5]。

4.7 采煤機(jī)變頻技術(shù)節(jié)能改造

采煤機(jī)是煤礦井下采煤作業(yè)中的主要設(shè)備，其能耗占到煤礦總能耗的比例較大。傳統(tǒng)的采煤機(jī)通常采用定速電機(jī)進(jìn)行控制，然而卻無法依據(jù)實際情況滿足負(fù)載要求，進(jìn)而浪費(fèi)能源，通過采用變頻器控制系統(tǒng)對采煤機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造，可以實現(xiàn)以下效果。

（1）實現(xiàn)無級調(diào)速。變頻器可以根據(jù)實際需要對采煤機(jī)進(jìn)行無級調(diào)速，使設(shè)備能夠適應(yīng)不同的工作負(fù)載，提高設(shè)備的效率和能源利用率。

（2）平滑啟動和停止。采用變頻器控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)采煤機(jī)的平滑啟動和停止，避免了傳統(tǒng)啟停方式產(chǎn)生的沖擊電流和機(jī)械應(yīng)力，延長設(shè)備的使用壽命。

（3）實時監(jiān)測和調(diào)整。變頻器控制系統(tǒng)可以實時監(jiān)測采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，并通過調(diào)整參數(shù)來優(yōu)化設(shè)備的運(yùn)行效率和節(jié)能效果。

（4）減少能耗損失。采煤機(jī)在工作過程中常常會產(chǎn)生大量的慣性負(fù)載和回轉(zhuǎn)損失，然而合理的應(yīng)用變頻器控制系統(tǒng)，不僅可以實現(xiàn)節(jié)能改造，降低能耗，而且也能減少成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語

本文從煤礦機(jī)電設(shè)備中的變頻技術(shù)節(jié)能改造出發(fā)，詳細(xì)介紹了變頻技術(shù)在煤礦通風(fēng)機(jī)、提升機(jī)、破碎機(jī)、電機(jī)車、局扇、采煤機(jī)等設(shè)備中的應(yīng)用及其節(jié)能效果。通過對煤礦機(jī)電設(shè)備中變頻技術(shù)的應(yīng)用分析，可以發(fā)現(xiàn)變頻技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展趨勢，在未來的研究和實踐中，需要進(jìn)一步深入挖掘變頻技術(shù)的潛力，推動煤炭行業(yè)的節(jié)能減排工作，實現(xiàn)綠色發(fā)展。