變頻技術(shù)在礦山機(jī)電設(shè)施的運(yùn)用及發(fā)展趨勢(shì)研究

摘 要：變頻技術(shù)是近年來在各機(jī)電行業(yè)成長(zhǎng)起來的新興技術(shù)。因?yàn)槠湔{(diào)節(jié)和控制性能較優(yōu)越，在各類礦山的礦石運(yùn)輸、提升機(jī)、通風(fēng)、水泵等各類機(jī)電設(shè)備控制系統(tǒng)中獲得非常普遍的應(yīng)用。首先論述了變頻技術(shù)的基本原理，再?gòu)膸讉€(gè)方面總結(jié)了變頻技術(shù)在礦山機(jī)械電子設(shè)備中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：礦山；機(jī)電設(shè)施；變頻技術(shù)；運(yùn)用；發(fā)展趨勢(shì)

隨著計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化控制、電氣化信息、電工電子等各類技術(shù)在國(guó)內(nèi)的快速發(fā)展，以及全球能源短缺等客觀因素，機(jī)械和電氣設(shè)備的變頻技術(shù)已受到歐洲和發(fā)展中國(guó)家的高度重視，也獲得了很大突破。在采礦行業(yè)中，采礦機(jī)械設(shè)備和電氣的能源耗損比率是非常大的，這勢(shì)必給資源和自然環(huán)境帶來巨大的壓力，其中換氣等能源設(shè)施的損失，浪費(fèi)更加嚴(yán)重。因?yàn)楣?jié)能社會(huì)的要求，其極大地推動(dòng)了變頻技術(shù)在石油、煤礦、電力、機(jī)電等行業(yè)的應(yīng)用。

一、變頻技術(shù)的原理

變頻技術(shù)在礦山機(jī)電設(shè)備的應(yīng)用，是建立在現(xiàn)代應(yīng)用科學(xué)的全面基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，這是計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、電力電子技術(shù)和其他高新技術(shù)的集合。經(jīng)過多年的研究，其工作原理體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。首先，通過半導(dǎo)體元件的電流信號(hào)的頻率被轉(zhuǎn)換成不同的頻率；第二，頻率將被轉(zhuǎn)換成交流電變?yōu)橹绷?；第三，采用逆變器進(jìn)行控制，來調(diào)節(jié)電壓和電流，機(jī)電設(shè)備便進(jìn)入無極調(diào)速功能。機(jī)械和電氣設(shè)備在工作中，為能夠有效地對(duì)電機(jī)速率進(jìn)行操作，變頻技術(shù)需要減少采礦設(shè)備中的能量耗損，提高施工效率和自動(dòng)化程度。

二、變頻技術(shù)在礦山機(jī)電上的運(yùn)用

本文通過皮帶機(jī)、提升機(jī)、水泵、通風(fēng)機(jī)等方面來分析變頻技術(shù)在礦山機(jī)電上的應(yīng)用。

（一） 變頻技術(shù)在皮帶機(jī)中的應(yīng)用

皮帶機(jī)的工作原理是，驅(qū)動(dòng)輪轂產(chǎn)生摩擦力，進(jìn)而帶動(dòng)皮帶轉(zhuǎn)動(dòng)，皮帶通過特殊的張力及摩擦力來拉動(dòng)滾軸。其主要原理是電機(jī)通過轉(zhuǎn)子對(duì)繞組降壓開始后工頻得到運(yùn)行，經(jīng)過藕合器切換到皮帶機(jī)。皮帶機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間是很短暫的，其中轉(zhuǎn)子串接電阻減小轉(zhuǎn)矩和減壓空載啟動(dòng)等方式，若皮帶韌性太小，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行可能導(dǎo)致皮帶老化等故障。由于在啟動(dòng)時(shí)會(huì)由大電流產(chǎn)生加熱現(xiàn)象甚至導(dǎo)致嚴(yán)重的電壓波動(dòng)。液力藕合器在工作過程中，其內(nèi)部的油溫可能上升更快，還會(huì)增大內(nèi)部部件摩擦力，這顯著增加了維修成本。但是利用變頻調(diào)速能很好地改變傳輸機(jī)軟起、軟停等不良狀況，皮帶機(jī)的性能將會(huì)更穩(wěn)定。皮帶機(jī)使用變頻技術(shù)之后，其工作頻率便可根據(jù)自身負(fù)荷狀況來調(diào)節(jié)和改變，工頻運(yùn)行均衡，運(yùn)行將會(huì)更加安全而高效。采用變頻技術(shù)，能提高皮帶輸送機(jī)的應(yīng)用，大幅提高施工效率。此外，使用高壓變頻器能達(dá)到能量回饋，可以減少對(duì)其他設(shè)施的維護(hù)成本開支，在環(huán)境保護(hù)得到實(shí)現(xiàn)的同時(shí)，進(jìn)一步提升能源利用率。

（二）變頻技術(shù)在礦井提升機(jī)上的應(yīng)用

煤礦提升機(jī)變頻技術(shù)，主要是利用了高壓變頻系統(tǒng)以及可編程邏輯控制器控制系統(tǒng)。首先，在電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，采取串聯(lián)單元多電平回饋高壓變頻系統(tǒng)。采用光纖信號(hào)傳輸來確保高電壓主線路和低電壓電路控制的通信，以及電的隔離安全功能。系統(tǒng)具有抗干擾力。其次，提升機(jī)系統(tǒng)采取可編程邏輯控制器控制，實(shí)現(xiàn)全過程的速度控制位置控制、監(jiān)視等各項(xiàng)功能。

（三）變頻技術(shù)在水泵中的應(yīng)用

多級(jí)離心泵在礦井中的應(yīng)用也很廣。水泵電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)多級(jí)離心泵運(yùn)轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，將井下的水排到地面。水泵在井底工作時(shí)，工作條件差，傳統(tǒng)的供電方式故障較多，運(yùn)營(yíng)成本高。一方面，當(dāng)水泵起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流較大，電機(jī)和電纜壓降差大，使得電機(jī)及電纜該過程中的反壓較其他情況高，使其絕緣能力下降，開機(jī)次數(shù)越多，水泵壽命越受損。另一方面，當(dāng)泵開始工作后，電機(jī)的負(fù)載程度較低的情況較為普遍，水泵的電功率因數(shù)較小，功率消耗大。若改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，則可降低在同一時(shí)刻的水流量，能較好地減少電力消耗。

（四）變頻技術(shù)在通風(fēng)機(jī)的應(yīng)用

在通風(fēng)機(jī)中，主扇風(fēng)機(jī)的地位非常重要。作為主要的通風(fēng)設(shè)施，運(yùn)行過程長(zhǎng)。隨著勘探和開采的進(jìn)行，礦井中壓力增大所需的風(fēng)扇機(jī)功率也越來越大。變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用到礦井通風(fēng)機(jī)后，速度可根據(jù)礦井巷道的風(fēng)量需求進(jìn)行調(diào)整，減小無用功耗，效果明顯。此時(shí)，通過該驅(qū)動(dòng)器變換的風(fēng)扇來實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)，防止啟動(dòng)電流的影響，既對(duì)電路網(wǎng)絡(luò)設(shè)備沒有影響，同時(shí)還可自由開啟關(guān)閉。在大多數(shù)情況下，通風(fēng)機(jī)在較慢的速度下運(yùn)行，于是大大降低了通風(fēng)機(jī)工作壓力，能使通風(fēng)機(jī)的壽命加長(zhǎng)，進(jìn)而避免不必要的損害。同時(shí)，為了確保電機(jī)轉(zhuǎn)速一致，要求兩個(gè)電機(jī)的頻率盡可能保持同步，以免空氣阻力的產(chǎn)生，以確保風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行。

三、礦山機(jī)電中變頻技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)及展望

變頻技術(shù)在各類礦山機(jī)械和電氣設(shè)備中的應(yīng)用較多，但仍未普及，如露天開采牙輪鉆頭，美國(guó)已申請(qǐng)中55 R型旋挖鉆機(jī)，我國(guó)尚處于開發(fā)測(cè)試，暫未推廣應(yīng)用。因此，變頻控制技術(shù)在我國(guó)各類礦山的機(jī)械和電氣設(shè)備仍有非常好的發(fā)展前景。

（一）需求很大。我國(guó)各類金屬礦、煤礦中有很多機(jī)電設(shè)備需改造換代升級(jí)，從而將需要大量的變頻設(shè)備，這將大大推動(dòng)變頻技術(shù)的應(yīng)用。

（二）促進(jìn)更廣泛的推廣。礦山中各類機(jī)械和電氣設(shè)備品種花樣多，若變頻器可解決好匹配問題，則它的推廣將被更加廣泛。

（三）多功能，網(wǎng)絡(luò)更新。信息技術(shù)、電工電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，逆變器在礦山和改造過程中的使用將出現(xiàn)多功能化的趨勢(shì)，變頻器的控制在礦山網(wǎng)絡(luò)化管理中將越來越重要。

（四）專業(yè)化得以加強(qiáng)。礦山有很多特殊的工作環(huán)境，如井下作業(yè)等，對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行合理配置，則需有專業(yè)的具有特殊功能的變頻器來與之配合。

（五）人工智能。隨著人工智能在機(jī)器人等領(lǐng)域的突飛猛進(jìn)的發(fā)展。今后人工智能將進(jìn)一步與變頻技術(shù)逐步融合，為礦山的各種動(dòng)力機(jī)電設(shè)備提供非常大的技術(shù)支持，極大提高生產(chǎn)效率并減少安全生產(chǎn)成本。

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