變頻技術(shù)在煤礦井下帶式輸送機(jī)智能視頻調(diào)速中的應(yīng)用

溫麗娟

摘? ?要：本文講述了變頻調(diào)速技術(shù)在國家能源集團(tuán)寧東礦區(qū)紅柳煤礦用以煤礦井下帶式輸送機(jī)智能視頻調(diào)速中的應(yīng)用。分析了使用變頻技術(shù)對煤礦生產(chǎn)所帶來的節(jié)能增效，為煤礦膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化開辟了新思路，指明了煤礦智慧化礦山發(fā)展的方向。

關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速? 電動(dòng)機(jī)? 節(jié)能降耗

中圖分類號(hào)：TD63+4.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）07（a）-0020-02

煤炭企業(yè)是用電大戶，而煤礦生產(chǎn)的節(jié)能降耗至關(guān)重要。在煤礦生產(chǎn)過程中，運(yùn)輸、提升等系統(tǒng)會(huì)浪費(fèi)大量的電能，同時(shí)會(huì)加速機(jī)械傳動(dòng)磨損，縮短設(shè)備、材料、配件等的使用壽命。因此節(jié)能降耗勢在必行，利用變頻調(diào)速不僅可優(yōu)化調(diào)速性能，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、提高設(shè)備生產(chǎn)自動(dòng)化程度，而且實(shí)現(xiàn)了節(jié)約能源、降低生產(chǎn)成本的功效。

1? 變頻調(diào)速技術(shù)的原理

交流變頻調(diào)速技術(shù)是將計(jì)算機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)和電機(jī)傳動(dòng)技術(shù)、可編程控制器緊密結(jié)合，是機(jī)電一體化技術(shù)的綜合性應(yīng)用。其實(shí)質(zhì)是利用全控型器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，在交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速控制中，為了保持額定磁通基本不變，在調(diào)節(jié)定子頻率時(shí)必須同時(shí)改變定子的電壓，因此，必須配備變壓變頻裝置。而變壓變頻裝置的核心部分就是變頻電路。其基本原理就是利用的交-直-交變頻技術(shù)，是通過整流橋?qū)⒑銐汉泐l交流電變?yōu)橹绷麟妷海绷髦虚g電路對整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波，再由逆變器轉(zhuǎn)換為頻率、電壓可調(diào)的交流電壓作為交流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源，使電動(dòng)機(jī)獲得無級(jí)調(diào)速所需的電壓和電流，是一種無附加轉(zhuǎn)差損耗的高效調(diào)速方式之一。變頻調(diào)速技術(shù)之所以在能源危機(jī)中應(yīng)運(yùn)而生，就是因?yàn)樗芨鶕?jù)電機(jī)負(fù)載的變化實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、平滑的增速、減速，實(shí)現(xiàn)高水平的自動(dòng)控制，能夠利用模擬器與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場控制，從而大幅度提高工作效率，降低生產(chǎn)成本。

從理論上我們可知，電機(jī)的轉(zhuǎn)速 n與供電頻率 f 有以下關(guān)系：

n=（1 s）? r/min

其中：f—電源頻率 Hz;P—電機(jī)磁極對數(shù)

由公式可知，轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比，如果不改變電動(dòng)機(jī)的極對數(shù)，只需改變頻率f即可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)頻率f在0～50Hz的范圍內(nèi)變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可以在0～50Hz的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)變化。變頻技術(shù)就是通過改變電動(dòng)機(jī)的電源頻率，從而實(shí)現(xiàn)速度連續(xù)平滑調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，同時(shí)可節(jié)省電能，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速方法。

2? 變頻技術(shù)的特點(diǎn)

變頻技術(shù)常見的類型主要有4種：交-直變頻技術(shù)，直-直變頻技術(shù)，交-直-交變頻技術(shù)，交-交變頻技術(shù)等，目前絕大多數(shù)變頻器為交-直-交型變頻器，它是眾多高新技術(shù)的綜合應(yīng)用，其主要特點(diǎn)如下。

2.1 節(jié)能降耗

變頻技術(shù)利用計(jì)算機(jī)-可編程控制器-變頻器之間的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、機(jī)電一體化控制技術(shù)以及變頻器與PLC通過軟件來改變其控制過程，可提高產(chǎn)品性能指標(biāo)，使得電機(jī)物料流量和壓力達(dá)到最佳參數(shù)，不僅編程簡單、可靠性高，應(yīng)用方便等優(yōu)點(diǎn)逐步替代了直流調(diào)速技術(shù)和電磁調(diào)速技術(shù)，而且利用變頻可以降低了調(diào)速本身的損耗，節(jié)省了穩(wěn)定速度設(shè)備和反饋控制設(shè)備節(jié)約了成本。

2.2 啟動(dòng)平穩(wěn)性能好

在煤礦供電系統(tǒng)中，瞬間的啟動(dòng)會(huì)造成電流突然增大，整個(gè)系統(tǒng)電壓下降，電壓的過大變化會(huì)使礦井正常運(yùn)行的機(jī)電設(shè)備受到干擾或影響，而且由于井下正常運(yùn)行的設(shè)備突然受得很大電流的沖擊會(huì)給設(shè)備造成一定的損害甚至于不能正常工作，還有可能引發(fā)生產(chǎn)事故，給煤礦井下生產(chǎn)帶來安全隱患。采用變頻技術(shù)時(shí)可以增大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，避免電壓波動(dòng)，采用變頻調(diào)速可以實(shí)現(xiàn)零頻零電壓時(shí)逐步啟動(dòng)，能減緩電壓的波動(dòng)。另外，工頻啟動(dòng)時(shí)對電機(jī)或相連的機(jī)械部分軸或齒輪都會(huì)產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)，加劇機(jī)械磨損，降低機(jī)械部件和電機(jī)的壽命，而變頻控制可以做到零速或低速啟動(dòng)，并根據(jù)生產(chǎn)要求進(jìn)行平滑加速。

2.3 調(diào)速性能好

改變變頻設(shè)備對電機(jī)控制是依據(jù)電機(jī)帶載能力變化和實(shí)際工作環(huán)境及參數(shù)的變化，來進(jìn)行電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)連續(xù)運(yùn)行的平滑性及調(diào)速的可控性。變頻調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)的特點(diǎn)都是從低速開始，而頻率與速度成正比，因此啟動(dòng)頻率較低。加、減速時(shí)間可以自由設(shè)定，故加、減速控制時(shí)間比較平緩，而啟動(dòng)電流也比較平緩，可以進(jìn)行較高頻率的啟停。這樣不僅可以使電能損耗減小，還能使調(diào)速系統(tǒng)自動(dòng)補(bǔ)償無功功率，提高了電網(wǎng)系統(tǒng)的用電效率，使總的視在功率下降，降低了無功損耗，提高功率因數(shù)。

2.4 控制電機(jī)的啟動(dòng)電流

當(dāng)電機(jī)通過f=50Hz的交流電直接啟動(dòng)時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生很大的啟動(dòng)電流，啟動(dòng)電流過大會(huì)增加電機(jī)繞組的電應(yīng)力產(chǎn)生熱量，降低電機(jī)的壽命。而通過變頻控制可以降低電機(jī)的啟動(dòng)電流，實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，提高繞組承受力，使電機(jī)的維護(hù)、維修成本降低，增加電機(jī)的使用壽命。

2.5 進(jìn)行速度可控

利用變頻調(diào)速能完善設(shè)備的生產(chǎn)過程，優(yōu)化生產(chǎn)工藝過程中對速度的要求。利用變頻器中的PID的調(diào)節(jié)功能使電機(jī)可以連續(xù)平滑的調(diào)節(jié)速度，實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，還能通過與單片機(jī)技術(shù)、可編程控制技術(shù)和觸摸屏有效地結(jié)合來實(shí)現(xiàn)電機(jī)遠(yuǎn)程速度的調(diào)節(jié)，形成完整的機(jī)電一體化控制技術(shù)。

3? 早期煤礦帶式輸送機(jī)的特點(diǎn)

國家能源集團(tuán)寧東礦區(qū)紅柳煤礦主運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)有10部運(yùn)輸膠帶機(jī)長達(dá)13000m，其中CST驅(qū)動(dòng)的輸送機(jī)3部，變頻驅(qū)動(dòng)的輸送機(jī)7部。

3.1 早期膠帶機(jī)耗能分析

傳統(tǒng)的帶式輸送機(jī)，一般使用調(diào)速型液力耦合器，或CST等機(jī)械和液壓方式的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，具有工作效率低、維修、維護(hù)復(fù)雜、速度不可控、啟動(dòng)電流大等缺點(diǎn)，而且由于啟動(dòng)加速度大，使皮帶容易波動(dòng)，造成皮帶的張力特性較差，無法滿足對長距離輸送的動(dòng)態(tài)優(yōu)化，以及對安全啟動(dòng)提供有效的保證。

3.2 煤礦現(xiàn)有的主運(yùn)輸系統(tǒng)存在的問題主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面

（1）受采區(qū)布局、采掘工藝等因素限制，主運(yùn)輸膠帶機(jī)運(yùn)行負(fù)荷率很低。

（2）無論煤流量多少膠帶機(jī)始終長時(shí)間保持固定高速運(yùn)轉(zhuǎn)，無法根據(jù)煤流量實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)膠帶機(jī)輸送機(jī)運(yùn)行速度。

（3）浪費(fèi)了大量電能，也加速了機(jī)械傳動(dòng)磨損，縮短了設(shè)備、材料、配件使用壽命。

（4）增加了維護(hù)、維修量加大了企業(yè)職工的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)管理風(fēng)險(xiǎn)和管控難度。

因此節(jié)能降耗勢在必行，利用變頻技術(shù)控制設(shè)備來實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速可以大大提高工作效率，延長設(shè)備的正常工作周期和使用壽命，同時(shí)降低電能損耗。

4? 利用變頻技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)節(jié)能降耗

2015年8月，紅柳煤礦利用“智能視頻控制技術(shù)”對膠帶運(yùn)輸機(jī)控制程序進(jìn)行研究改進(jìn)，根據(jù)負(fù)載流量的變化實(shí)時(shí)調(diào)整變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速。基本上達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，實(shí)際測算節(jié)電率為17.8%。而且裝置功率越大的膠帶運(yùn)輸機(jī)節(jié)電效果越高。

該系統(tǒng)以虛擬方式標(biāo)示負(fù)載流量變化，提高了檢測靈敏度，克服了物理檢測方式在惡劣環(huán)境下容易失靈的弊端。同時(shí)為最大限度實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)，進(jìn)行了二次研發(fā)，將原煤運(yùn)輸系統(tǒng)原有的逆煤流啟動(dòng)改變?yōu)轫樏毫鲉?dòng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化集中控制“一鍵啟?！保岣吡松a(chǎn)設(shè)備自動(dòng)化程度。

該系統(tǒng)工作特點(diǎn)是系統(tǒng)在運(yùn)輸膠帶機(jī)現(xiàn)場傳輸?shù)囊曨l中設(shè)置檢測區(qū)域，當(dāng)煤流通過檢測區(qū)域時(shí)，智能檢測器實(shí)時(shí)檢測煤流量情況，當(dāng)膠帶機(jī)煤流量滿足PLC內(nèi)預(yù)設(shè)的高、中、低、怠速運(yùn)行條件時(shí)，PLC發(fā)出調(diào)速信號(hào)輸出給膠帶機(jī)變頻器，自動(dòng)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整為高、中、低及怠速運(yùn)行。通過視頻分析異物形狀和在此處停留的時(shí)間，給膠帶機(jī)控制系統(tǒng)信號(hào)，是預(yù)警還是停機(jī)，并且有激光幕后備保護(hù)，確保膠帶機(jī)完好運(yùn)行，有效減少了主運(yùn)膠帶被異物劃傷撕扯膠帶事故的發(fā)生。大幅度提高了主運(yùn)系統(tǒng)的安全保障系數(shù)。

該系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)是能根據(jù)皮帶轉(zhuǎn)速與磨損的比例關(guān)系測算，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降一半時(shí)，皮帶及各種滾筒的磨損相應(yīng)減輕30%。使用智能視頻調(diào)速系統(tǒng)后，可節(jié)約配件及材料費(fèi)用，同時(shí)延長了膠帶運(yùn)輸機(jī)的整機(jī)使用壽命。節(jié)能降耗效果顯著 ，同時(shí)為礦井膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)自動(dòng)化、智能化開辟了新思路。

5? 結(jié)語

如今變頻調(diào)速技術(shù)已成為一種節(jié)能增效、改善作業(yè)環(huán)境和推進(jìn)煤礦自動(dòng)化生產(chǎn)的重要手段，被多數(shù)煤炭企業(yè)認(rèn)可和推廣。相信隨著電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和可編程控制器技術(shù)的迅速發(fā)展，新技術(shù)、新工藝、新手段不斷改進(jìn)并應(yīng)用到煤礦生產(chǎn)中，不僅會(huì)淘汰一批老舊的生產(chǎn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)升級(jí)換代，而且會(huì)提高產(chǎn)品的可靠性與實(shí)用性，極大的提高煤礦生產(chǎn)自動(dòng)化程度與生產(chǎn)效率，促進(jìn)煤礦生產(chǎn)設(shè)備的發(fā)展，提高煤礦機(jī)電設(shè)備的工作性能，有效地減少能源損耗，利用變頻調(diào)速不僅可優(yōu)化調(diào)速性能，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、提高設(shè)備生產(chǎn)自動(dòng)化程度，降低生產(chǎn)成本的功效，為煤礦生產(chǎn)的高效節(jié)能提供一個(gè)質(zhì)的飛躍平臺(tái)，使煤礦產(chǎn)業(yè)向智慧化礦山發(fā)展指明了方向 。

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