變頻控制技術(shù)在煤礦機(jī)電中的應(yīng)用研究

何新建

(河南省煤層氣開發(fā)利用有限公司，河南 鄭州 450016)

變頻器是一種具有無沖擊啟動(dòng)與軟停機(jī)優(yōu)良控制特性的新型電力變換裝置，近年來已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的不同層面，實(shí)現(xiàn)了較好的效果。但是，在煤礦環(huán)境中，由于生產(chǎn)環(huán)境的特殊性，變頻控制技術(shù)在煤礦中的應(yīng)用相對(duì)較晚，而在國家節(jié)能減排目標(biāo)的號(hào)召下，煤礦機(jī)電應(yīng)用變頻控制技術(shù)已經(jīng)勢(shì)在必行——主通風(fēng)機(jī)、空氣壓縮機(jī)、水泵、提升絞車、牽引電機(jī)車等——都將把該技術(shù)應(yīng)用其中，改善工況點(diǎn)，提高運(yùn)行效率［1］。可見，隨著煤礦生產(chǎn)過程復(fù)雜性的不斷增強(qiáng)和現(xiàn)代電力電子技術(shù)與微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，變頻控制技術(shù)在煤礦機(jī)電中的應(yīng)用逐漸成熟，煤礦設(shè)備的可靠性、操作性和節(jié)能型得到了不同程度的提升，對(duì)采礦業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)行效率起到了極大的促進(jìn)作用。基于此，本文首先對(duì)煤礦機(jī)電設(shè)備中變頻技術(shù)進(jìn)行了闡述，然后討論了變頻技術(shù)在煤礦機(jī)電中的作用和具體應(yīng)用。相信隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，變頻控制技術(shù)將得到進(jìn)一步的發(fā)展，也將在煤礦機(jī)電中得到更加廣泛的應(yīng)用，使煤礦企業(yè)的生產(chǎn)更加科學(xué)、理性和安全。

1 變頻控制技術(shù)及其在煤礦機(jī)電中的重要性

1.1 變頻控制技術(shù)原理

變頻控制是一綜合性的技術(shù)門類，涉及到電機(jī)傳動(dòng)技術(shù)、電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等，主要應(yīng)用于強(qiáng)弱電和機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行之中［2］。對(duì)變頻控制技術(shù)而言，其工作原理是經(jīng)由半導(dǎo)體元件把工頻電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成其他的頻率，而后再把轉(zhuǎn)換成的工頻交流電轉(zhuǎn)換為直流電，并在這一過程中通過逆變器實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓與電流的控制和調(diào)節(jié)，使機(jī)電設(shè)備處于無級(jí)調(diào)速的狀態(tài)之中。在煤礦機(jī)電中，變頻控制技術(shù)的應(yīng)用就是要通過電機(jī)轉(zhuǎn)速和電流頻率之間的同步增長關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和機(jī)電設(shè)備的有效控制。同時(shí)，將變頻控制技術(shù)應(yīng)用于煤礦機(jī)電中，該可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的平穩(wěn)和自動(dòng)加、減速控制，從而提高煤礦的工作效率，降低能耗。

1.2 變頻控制技術(shù)的發(fā)展

近年來，在科學(xué)技術(shù)尤其是電子信息技術(shù)的推動(dòng)下，變頻控制技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，無論是在理論研究還是在實(shí)踐應(yīng)用方面，都獲得了長足的進(jìn)步，所取得的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益都是非?？捎^的［3］。比如，隨著變頻控制技術(shù)在節(jié)能減排領(lǐng)域中的突出表現(xiàn)得到越來越廣泛的認(rèn)可，越來越多的生產(chǎn)企業(yè)和行業(yè)領(lǐng)域都試圖嘗試使用變頻控制實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的控制;再如，變頻控制技術(shù)中智能控制模塊的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了控制方式和控制功能的拓展，生產(chǎn)活動(dòng)的綜合化水平得到了前所未有的提高，同時(shí)也促進(jìn)了變頻控制技術(shù)在更為廣闊空間內(nèi)的應(yīng)用。而在自動(dòng)化控制與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的輔助下，變頻控制技術(shù)的集成程度也不斷提高。

1.3 變頻控制技術(shù)在煤礦生產(chǎn)中的重要性

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷進(jìn)步，尤其是工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，社會(huì)對(duì)能源的需求量長期處于高漲的趨勢(shì)。雖然最近幾年在國內(nèi)外因素的共同作用下，我國能源的需求量處于較為平穩(wěn)的態(tài)勢(shì)，但是最為基礎(chǔ)性資源的煤炭還是在國民經(jīng)濟(jì)中充當(dāng)重要的不可替代的角色［4］。在這種情況下，煤礦資源得到了不斷的甚至是過度的開采，煤礦資源的儲(chǔ)量越來越有限，煤礦開采企業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)也表現(xiàn)出了前所未有的激烈程度。能否在提高產(chǎn)量的同時(shí)，進(jìn)一步的提高機(jī)械設(shè)備的利用效率，最大限度的節(jié)約資源，減少污染物的排放，就成為決定煤炭企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)成敗的重要因素［5］。在這種情況下，開始有煤炭企業(yè)注意到了科學(xué)技術(shù)對(duì)于上述目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的重要性，有意識(shí)的在煤礦機(jī)械電設(shè)備中融入變頻控制技術(shù)，以此來實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力和保護(hù)環(huán)境的目的，也唯有如此，才能保證煤炭企業(yè)獲得長期的穩(wěn)定發(fā)展。并且，變頻控制技術(shù)在煤炭企業(yè)得到應(yīng)用之后，因其良好的可控性與節(jié)能性受到了越來越多企業(yè)的關(guān)注，更多種類的變頻設(shè)備應(yīng)用到了這一領(lǐng)域之中［6］。

2 變頻控制技術(shù)在煤礦機(jī)電中的適用層面

2.1 流體負(fù)荷設(shè)備對(duì)變頻控制技術(shù)的適用性

在煤礦機(jī)電設(shè)備中，將變頻控制技術(shù)應(yīng)用到流體負(fù)荷設(shè)備中，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的自動(dòng)化水平和運(yùn)行效率：(1)在掘進(jìn)的整個(gè)過程中，風(fēng)量在變頻控制技術(shù)的作用下，能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)的控制，以此滿足不同情況下的需求，這樣一來，除了能夠節(jié)省寶貴的時(shí)間外，還能夠在很大程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的節(jié)約;(2)如果出現(xiàn)了計(jì)劃性停風(fēng)或者意外停電的情況，此時(shí)是不必由人來進(jìn)行瓦斯排放的，只需通過自動(dòng)調(diào)速裝置的功能就能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo);(3)在串聯(lián)通風(fēng)狀態(tài)下，能夠通過自動(dòng)調(diào)速裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)上級(jí)風(fēng)量的有效控制，下級(jí)通風(fēng)也會(huì)因此得到必要的保障;(4)在供電正常的情況下，通風(fēng)機(jī)自動(dòng)調(diào)速裝置可以根據(jù)掘進(jìn)工作面涌出的瓦斯量，對(duì)風(fēng)速進(jìn)行自行的調(diào)整，降低瓦斯超限的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 采煤機(jī)層面使用交流四象限變頻器

將變頻控制技術(shù)應(yīng)用于采煤機(jī)層面時(shí)期又一個(gè)主要的應(yīng)用層面。其工作原理為，整流電路能夠依據(jù)四象限變頻器對(duì)全波整流橋進(jìn)行調(diào)整，使其以可控整流橋的狀態(tài)出現(xiàn)。當(dāng)電機(jī)位于具體的電動(dòng)狀態(tài)之下時(shí)，四象限變頻器與兩象限變頻器之間并不存在明顯的差異，但是當(dāng)電機(jī)表現(xiàn)為發(fā)電狀態(tài)時(shí)，四象限變頻器中的逆變電路將以整流電路的形式開始具體工作，而原來的整流電路則以逆變電路的形式工作［7］。在當(dāng)前情況下，我國采煤機(jī)在能量回饋型四象限中使用交流變頻控制技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了世界領(lǐng)先水平，不但能夠在額定轉(zhuǎn)速下實(shí)現(xiàn)對(duì)恒定轉(zhuǎn)矩的調(diào)速，還能夠在額定轉(zhuǎn)速之上完成恒定功率的調(diào)速。

3 變頻控制技術(shù)在煤礦機(jī)電設(shè)備中的具體應(yīng)用

3.1 變頻控制技術(shù)在煤礦主通風(fēng)機(jī)的應(yīng)用

伴隨著煤礦開采量的不斷增大，對(duì)通風(fēng)機(jī)功率的要求也越來越高，將變頻控制技術(shù)應(yīng)用到通風(fēng)機(jī)設(shè)備已經(jīng)成為一種明顯的趨勢(shì)。其目的在于根據(jù)實(shí)際情況改變風(fēng)量、降低能耗。因此，經(jīng)過改造之后的通風(fēng)機(jī)會(huì)在變頻控制技術(shù)的作用下，通過軟啟動(dòng)達(dá)到避免出現(xiàn)啟動(dòng)時(shí)電流過大的情況，減少對(duì)電網(wǎng)設(shè)備的沖擊，降低危險(xiǎn)事故發(fā)生的概率。更為重要的是，這樣做能夠視實(shí)際情況完成對(duì)設(shè)備的啟動(dòng)與停止操作，控制通風(fēng)機(jī)的強(qiáng)度，增加其使用壽命。

3.2 變頻控制技術(shù)在電控保護(hù)系統(tǒng)中應(yīng)用

在煤礦生產(chǎn)過程中，電控系統(tǒng)與保護(hù)系統(tǒng)也在采用變頻控制技術(shù)，控制箱一般采用快開門方式，電氣控制則采用雙PLC全數(shù)字控制系統(tǒng)［8］。該系統(tǒng)還具有相應(yīng)的保護(hù)試驗(yàn)功能。比如，聲光信號(hào)和控制回路具有閉鎖功能，在未接到信號(hào)時(shí)是不能開車的;深度指示也以數(shù)字的形式顯示出來，使得礦車在巷道中運(yùn)行位置能夠準(zhǔn)確的顯示出來，而當(dāng)深度指示失效時(shí)，還能夠完成迅速斷電、停車的功能;絞車控制可以通過手動(dòng)、自動(dòng)、檢修運(yùn)行以及遠(yuǎn)程控制等手段完成。

3.3 變頻控制技術(shù)在礦井提升機(jī)的應(yīng)用

在煤礦生產(chǎn)過程中，礦井提升機(jī)負(fù)責(zé)輸送物料與人員，其重要性不言而喻。而作為礦井生產(chǎn)四大運(yùn)轉(zhuǎn)部件中最為重要的設(shè)備，其傳統(tǒng)的調(diào)速模式為通過在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電路內(nèi)接入金屬電阻的方式完成。該類控制裝置的缺點(diǎn)是不容置疑的：不但電阻消耗大、還存在散熱難以解決的問題;此外，電阻只等完成有級(jí)調(diào)速，對(duì)于無極調(diào)速是難以實(shí)現(xiàn)的。將扁平控制技術(shù)應(yīng)用到這一領(lǐng)域中，將能夠很好的轉(zhuǎn)變這一狀況，實(shí)現(xiàn)在較大范圍內(nèi)的調(diào)速，提升提速的精度性和安全性。更為重要的是，它能夠在減速段與下放時(shí)保證設(shè)備的良性運(yùn)轉(zhuǎn)，避免設(shè)備的損壞和電能的浪費(fèi)。因此，將變頻控制技術(shù)應(yīng)用其中，能夠提升煤礦的安全生產(chǎn)與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，在無級(jí)平穩(wěn)變速的同時(shí)，提升系統(tǒng)的安全級(jí)別。

3.4 變頻控制技術(shù)在皮帶機(jī)中的應(yīng)用

皮帶機(jī)在煤礦生產(chǎn)中的運(yùn)作原理較為簡(jiǎn)單：通過對(duì)輪轂的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生摩擦力，以此帶動(dòng)皮帶進(jìn)行作業(yè)，而為了牽引滾軸進(jìn)行運(yùn)作，只需將皮帶施以特殊張力使其產(chǎn)生變形與摩擦力即可。傳統(tǒng)的方法在啟動(dòng)的過程中，時(shí)間間斷往往較短，這對(duì)皮帶的運(yùn)行提出了更嚴(yán)格的要求，除了要具備足夠大的韌性外，還應(yīng)該能夠避免皮帶的斷裂與老化。而將變頻控制技術(shù)應(yīng)用其中之后，皮帶機(jī)便能夠通過承受的重量對(duì)其運(yùn)作功率與力矩進(jìn)行動(dòng)態(tài)的調(diào)整，保證電機(jī)工頻恒速運(yùn)行。

4 結(jié)束語

隨著技術(shù)的普及和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，變頻控制技術(shù)在煤礦機(jī)電設(shè)備中的應(yīng)用越來越廣泛。但是，實(shí)際情況是，我國煤礦對(duì)于變頻控制技術(shù)的應(yīng)用還達(dá)不到普及的程度，一些大型的變頻設(shè)備和關(guān)鍵技術(shù)還未應(yīng)用其中，這與國外的實(shí)踐相比，還存在著較大的差距。從這個(gè)角度講，變頻控制技術(shù)在我國煤礦機(jī)電設(shè)備中還存在較大的發(fā)展和應(yīng)用空間。相信隨著隨著自動(dòng)化控制、電子技術(shù)、信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷在煤礦機(jī)電領(lǐng)域中得到應(yīng)用，煤礦機(jī)電設(shè)備的智能化水平也會(huì)越來越高，這將為變頻控制技術(shù)的應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，機(jī)電設(shè)備能耗會(huì)逐漸的降低，煤礦企業(yè)的生產(chǎn)成本也會(huì)得到較大的改善，煤礦企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益也會(huì)因此得到不同程度的提升。

［1］趙志宏.煤礦機(jī)電設(shè)備變頻控制技術(shù)［J］.中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2010(14)：125.

［2］王端煥.淺談煤礦機(jī)電設(shè)備中變頻技術(shù)的應(yīng)用［J］.中國高新技術(shù)企業(yè)，2012(27)：51-53.

［3］張?jiān)骑w.變頻技術(shù)在煤礦機(jī)電設(shè)備中的應(yīng)用［J］.煤炭技術(shù)，2011(1)：82-83.

［4］劉映武，李居鵬.四象限變頻調(diào)速提升機(jī)的開發(fā)應(yīng)用［J］.煤礦機(jī)電，2006(6)：90-92.

［5］黃琦.礦井排水泵的節(jié)能改造［J］.中國煤炭，2005(8)：34-35.

［6］董恒賢，陳定永.變頻技術(shù)在孔莊煤礦的應(yīng)用［J］.能源技術(shù)與管理，2007(1)：23-25.

［7］石樹君.淺談四象限交流變頻器在采煤機(jī)上的應(yīng)用［J］.山西焦煤科技，2006(10)：9-11.

［8］許洪杰，王方紅.變頻調(diào)速技術(shù)在煤礦露天生產(chǎn)中的應(yīng)用［J］.科技資訊，2007(21)：4-6.