變頻技術在現(xiàn)代煤礦機電工程中的應用實踐

趙海鴻

（開灤（集團）蔚州礦業(yè)有限責任公司單侯礦，河北 張家口 075700）

目前，對能源需求也有所增加。當前的能源形勢，依然以煤炭為主體，如何增加煤炭開采效率，降低煤礦成本，提高煤炭的競爭力顯得尤為重要。在煤炭開采期間，如果能有效控制電力使用，將極大降低煤炭開采成本。變頻技術在煤礦企業(yè)機電上的應用，有效降低了煤炭開采期間的電力使用，提高開采效率，降低成本的前提下，有效保障了煤礦企業(yè)的健康發(fā)展。

1 變頻技術應用價值

1.1 提高資源利用效率

社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，離不開各類能源的支持，煤炭作為化石能源中的一種，目前，已經(jīng)廣泛應用于生產(chǎn)制造業(yè)中。雖然煤炭資源屬于不可再生能源，如果不能對其進行高效利用，勢必會限制社會經(jīng)濟的長久發(fā)展。變頻技術的應用，可以對機械設備的工作模式進行動態(tài)調整，如在煤層較薄的作業(yè)區(qū)域，可以降低開采設備的工作功率，使其以恰當?shù)木蜻M方式進行開采，減少機械空轉的情況。例如，在風機結構的應用過程中，可以適當提高機械設備的輸出功率，其節(jié)能效果可以達到50%～70%，進而提高資源利用效率。

1.2 降低煤礦開采成本

現(xiàn)階段，越來越多的先進開采技術流入市場中，這也在很大程度上提高了煤礦的工作效率，并且很多煤礦企業(yè)已經(jīng)率先完成了生產(chǎn)模式轉型，進入自動化生產(chǎn)階段。與此同時，如何在可控范圍內降低煤礦的開采成本，也成為人們重點關注的內容。在上文中已經(jīng)提到，變頻技術可以結合作業(yè)區(qū)域的實際情況，對機械設備的輸出功率進行調整，這樣可以提高開采過程的持續(xù)性。尤其是在一些煤層分布情況相對復雜的作業(yè)區(qū)域，動態(tài)調整的作業(yè)模式，不僅可以順利地完成煤層開采任務，而且還能夠降低開采過程中降低5%～15%的成本投入，從而提高企業(yè)在市場中的核心競爭力。

2 變頻技術工作原理

變頻技術是將三相380V(220V)/50Hz 交流電通過整流橋整流變成脈動直流電，通過電解電容濾波后變成平滑的直流電，控制板對IPM、IGBT 或模塊的控制后將平滑的直流電變成三相頻率可變的交流電。通常變頻流程為整流器將交流電轉變?yōu)橹绷麟?，之后將該直流電調整為頻率可以控制的交流電，最后，從電動機輸出?？刂齐娐房梢栽谙嚓P運行需求條件下，對逆變器和整流器進行輸出控制，達到改變電流頻率的目的。

對于煤礦來說，礦井中要使用到的電力設備占到絕大多數(shù)，變頻技術的應用可以調整電流頻率，控制設備輸出，讓設備可以在更穩(wěn)定的環(huán)境中工作。并且還可以通過控制設備輸出，迎合目前的生產(chǎn)需求，達到了節(jié)能減排的目的。

3 變頻技術在現(xiàn)代煤礦機電工程中的具體應用

3.1 空氣壓縮機運轉

除了極少數(shù)煤炭資源所處位置距離地表較近以外，大部分煤炭資源都位于礦山或地下深處，這也在一定程度上增加了開采過程的困難度。而且煤炭資源在開采的過程中還存在著附帶物，如瓦斯、地下水等。

瓦斯作為有害氣體，若開采環(huán)境中含量過高，那么，很容易發(fā)生瓦斯爆炸事故，威脅到人們的生命財產(chǎn)安全。

對此，在煤礦開采過程中，空壓機主要作用是壓風自救系統(tǒng)，在礦井發(fā)生災難時為井下提供新鮮風流，其次，是輔助供風，為井下風動水泵、風動錨桿鉆機、等提供風能。

但是，壓縮機一直處于高頻率的工作狀態(tài)，這樣不僅會增加運行故障的發(fā)生概率，而且還容易增加電網(wǎng)的工作負擔，影響其他機械設備的正常工作。將變頻技術應用到空氣壓縮機運轉過程中，可以對結構運行狀態(tài)進行監(jiān)控，提高系統(tǒng)的運行效果。尤其是在煤礦開采中期，煤層結構的復雜性也會增加開采難度，在其他設備出現(xiàn)運行故障的情況時，為了確保正常開采進度和確保開采人員的生命安全，通常會采用替換法在其他區(qū)域臨時設置新的工作設備，但是，很容易忽略一直處于運行狀態(tài)的空氣壓縮機，造成了較大的資源浪費。而變頻技術的應用可以結合實際情況，及時停止空氣壓縮機的工作狀態(tài)，能夠節(jié)電30%～40%，從而起到降低資源損耗的作用。

3.2 采煤機械設備

在煤炭資源開采的過程中，采煤機械設備屬于主要的執(zhí)行載體，其工作狀態(tài)也將直接影響到煤炭的開采效率和開采質量。機械設備都有固定的使用壽命，受到工作環(huán)境、操作人員水平、設備生產(chǎn)質量等因素影響，其使用壽命還會縮減。一旦設備出現(xiàn)了停擺的情況，由于作業(yè)區(qū)域位于地下，其維修的難度非常大，此類情況也將直接影響整個開采活動推進的順暢性。結合以往的管理經(jīng)驗，導致設備運行壽命不斷降低的主要原因與高負荷運轉情況有關，而變頻技術的應用，可以對采煤機的輸出功率進行動態(tài)調控，結合開采區(qū)域煤層厚度，適當加大或減小設備的輸出功率，故障發(fā)生概率較以往也下調了60%，使設備的運行情況保持在穩(wěn)定的狀態(tài)。另外，變頻技術的應用還可以適當降低采煤機械設備操作的復雜程度，提升了設備工作狀態(tài)的可靠性。

3.3 煤礦皮帶裝置

在煤礦開采的過程中，煤礦皮帶裝置屬于常用的運輸載體，即將煤炭資源從開采區(qū)與運輸?shù)降V外。其工作原理是在電能的驅動下，皮帶與輪轂之間所產(chǎn)生的摩擦作用會帶動整個設備的運行，如果想保持皮帶高速的運行狀態(tài)，需要損耗掉大量的電力，這也在很大程度上造成了資源的浪費。

目前，常用的煤礦皮帶裝置以液壓耦合裝置來促進設備的正常運行，但是，該過程會消耗掉大量的電能，并且裝置上還會附加較多的電壓，增加了安全隱患的發(fā)生概率。變頻技術的應用，可以對液壓耦合裝置的工作狀態(tài)進行優(yōu)化，引入了軟啟動模式，這樣在皮帶裝置正常運行的過程中，電路網(wǎng)結構的功能損耗可以下調30%～55%，從而起到節(jié)能減排、提升資源利用效率的作用。而且在設備維護的過程中，變頻技術可以輔助數(shù)據(jù)信息采集，借助傳感器設備運輸設備的工作狀態(tài)進行監(jiān)督，在檢修時，也可以快速定位故障部位，加快了故障檢修速度。另外，變頻技術還可以避免由于液力耦合器損壞，電機控制失靈的情況。

3.4 提升機械設備

結合以往的開采經(jīng)驗，現(xiàn)階段我國在開采煤炭資源時，一般會采用垂直軸開采或斜軸開采的方式來完成既定的開采任務。在此過程中，需要借助提升機械設備來將貨物或人員從地面上輸送到作業(yè)區(qū)域，隨后再繼續(xù)開展相關的煤炭開采任務。在以往開采過程中，所開采的煤炭資源主要位于淺層，但是，在煤炭資源損耗速度加快的背景下，煤礦企業(yè)對淺層煤炭資源的損耗速度也在加快，而且還需要對深層煤礦資源進行的開采，這也對提升機械設備的運轉性能提出了新的要求。變頻技術在該環(huán)節(jié)的主要任務是合理管控設備本身的運行速度，結合實際運行狀態(tài)下設備實際的運行情況，合理調整設備的對外輸出功率，減少設備空轉情況的出現(xiàn)。同時，對于設備關機功能可以進行適當調整，在確定完成開采任務之后，能夠在第一時間完成關機操作，從而在確保機械設備運行穩(wěn)定性的基礎上，降低運行成本的支出。

3.5 安全防護方面

在煤礦開采深度不斷增加的背景下，安全防護工作的重要性也在凸顯，如何采取積極有效的措施來保護開采人員的生命安全，也成為煤礦企業(yè)需要重點衡量的問題。結合以往的應用經(jīng)驗，變頻技術應用到該環(huán)節(jié)中，可以和自動化監(jiān)控系統(tǒng)關聯(lián)在一起，同時，在大數(shù)據(jù)技術、專家系統(tǒng)、云計算技術等幫助下，協(xié)調各機械設備的工作狀態(tài)，減少設備啟動與停止的次數(shù)，這樣可以降低設備慣性所帶來的影響，延長結構的使用壽命。并且變頻技術的應用，可以滲透到多個安全防護層面，如最基礎也是最關鍵的通風裝置上，變頻技術可以結合空氣中有害氣體濃度，適當調整通風量大小，從而在確保工作環(huán)境安全性的基礎上，降低能源的損耗速度。另外，變頻技術還可以調節(jié)其他輔助系統(tǒng)正常的工作狀態(tài)，減少重復作業(yè)情況的發(fā)生概率，如提升機工作狀態(tài)、電路網(wǎng)工作狀態(tài)等，確保各個系統(tǒng)之間工作的穩(wěn)定性，從而提高整個工作過程的安全性。

4 結語

綜上所述，在資源損耗速度不斷加劇的背景下，如何提升資源利用效率已經(jīng)成為社會關注的焦點問題之一。煤炭資源作為不可再生資源，為了確保煤礦企業(yè)經(jīng)濟的穩(wěn)定發(fā)展，需要從充分發(fā)揮變頻技術的應用優(yōu)勢，將其合理地應用到機械設備運行過程中，從而提高確保整個煤礦生產(chǎn)過程的安全性，降低整個過程的能耗，促進煤礦產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。