變頻技術(shù)在現(xiàn)代煤礦機(jī)電工程中的應(yīng)用

章紅全 淮南礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司老礦區(qū)事務(wù)管理處

煤礦變頻控制技術(shù)的應(yīng)用隨著煤礦生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，設(shè)備裝機(jī)總功率持續(xù)增加，自動化程度越來越高，驅(qū)動設(shè)備的性能要求也在提升并廣泛使用。變頻器控制電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、啟動轉(zhuǎn)矩大、啟停平穩(wěn)、功率損耗小、啟動電流小、調(diào)速性能良好等特點(diǎn)，使變頻控制技術(shù)在煤礦機(jī)電設(shè)備中應(yīng)用越來越廣泛。文章通過分析變頻器的優(yōu)越性能，討論其在煤礦采煤機(jī)、刮板運(yùn)輸機(jī)、膠帶輸送機(jī)以及乳化液泵站的應(yīng)用效果，闡述了變頻控制技術(shù)對煤礦實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的生產(chǎn)工藝、多負(fù)載動態(tài)平衡自動調(diào)節(jié)、低成本維護(hù)和保養(yǎng)、電力能源節(jié)約、消除機(jī)械及電氣沖擊、提高設(shè)備使用壽命等方面的優(yōu)良效果，為大型煤礦驅(qū)動裝備的選型提供依據(jù)。

一、變頻節(jié)能技術(shù)概述

變頻節(jié)能技術(shù)是利用變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)節(jié)能的。變頻技術(shù)是基于電力電子器件的一種技術(shù)，利用變頻技術(shù)可以改變電流的頻率。中國電網(wǎng)電流的頻率為50Hz，利用變頻技術(shù)可以將交流電變成直流電，或者將直流電變成任意頻率的交流電。變頻裝置由交流電源、整流器、逆變器、控制器和驅(qū)動電路等構(gòu)成，利用變頻裝置可以改變電機(jī)的工作頻率，進(jìn)而使電機(jī)處于節(jié)能狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)。而傳統(tǒng)電源裝置不能夠改變電機(jī)的工作頻率，機(jī)電設(shè)備始終以一種模式運(yùn)轉(zhuǎn)，不能夠隨著工作狀況的改變而改變，導(dǎo)致機(jī)電設(shè)備能耗增大，而且也大大影響到設(shè)備壽命。利用變頻技術(shù)可以根據(jù)需要靈活地調(diào)整機(jī)電設(shè)備的工作狀態(tài)，延長機(jī)電設(shè)備的使用年限，降低機(jī)電設(shè)備的功耗，進(jìn)而降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，提高企業(yè)的競爭力和經(jīng)濟(jì)效益。現(xiàn)在變頻器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于煤礦機(jī)電設(shè)備中，由變頻器原理可知：變頻器基本的技術(shù)路線為“交-直-交”。首先將電網(wǎng)交流電整流成直流電，再利用逆變器將直流電逆變成所需要的交流電。變頻技術(shù)又包括直接將交流電變換成另一頻率的交流電的技術(shù)，但是在實(shí)際應(yīng)用中存在著一定的局限性，在煤礦機(jī)電設(shè)備中幾乎沒有應(yīng)用。交-直-交型變頻器一般由整流器、濾波器、逆變器和控制器構(gòu)成。其中，整流器用于將電網(wǎng)電壓變換成直流電；濾波器負(fù)責(zé)濾除整流器輸出的直流電壓中的諧波；逆變器負(fù)責(zé)將直流電變換成任意頻率的交流電；控制器是整個裝置的控制中心，根據(jù)采集到的信號向逆變器發(fā)出不同的驅(qū)動波形，控制逆變器的工作狀態(tài)。

二、變頻技術(shù)在現(xiàn)代煤礦機(jī)電工程中的應(yīng)用

（一）煤礦提升機(jī)中變頻技術(shù)的應(yīng)用

提升機(jī)在運(yùn)行過程中其象限共有四種：第一種，每當(dāng)運(yùn)行速度降低以后，運(yùn)行時間也會隨之縮短。第二種，如果兩臺提升機(jī)向相反方向開始運(yùn)行，那么會改變運(yùn)行方式，由此也就改變了電機(jī)的運(yùn)動形式。第三種，提升機(jī)在不同的運(yùn)動形式下會受到電機(jī)的影響，此時電機(jī)會因?yàn)檫\(yùn)動形式的轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生一定能源消耗，這一點(diǎn)在提升機(jī)的上升和下降中有很大不同。比如提升機(jī)在上升過程中能源消耗更大，因?yàn)橥瑫r要克服重力和摩擦力的影響，而在下降過程中能力消耗會有所降低，這是因?yàn)橹恍枰朔Σ亮Φ挠绊?。第四種，動態(tài)性的變化，指的是無法對提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)做出有效判斷，但依然想輸送同一種頻率和強(qiáng)度的能源，從而使其處在穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)下。應(yīng)用變頻技術(shù)的目的就是以原有提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)為基礎(chǔ)，同時結(jié)合提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)向其輸送能源，以此達(dá)到提升運(yùn)行穩(wěn)定性的目的。實(shí)際應(yīng)用過程中，可以在提升機(jī)內(nèi)加裝信號反饋裝置，然后通過信號反饋裝置行像能源供應(yīng)系統(tǒng)輸送當(dāng)前提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，而能源輸送系統(tǒng)在接收到數(shù)據(jù)以后可以對提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)做出準(zhǔn)確判斷，然后為其提供所需的能源。比如提升機(jī)在下降過程中，其所需的能源更小，那么能源輸送系統(tǒng)在接收到信號以后不需要輸送過多能源即可令提升機(jī)保持穩(wěn)定下降。而且變頻技術(shù)在提升機(jī)的作用是連續(xù)性的，也就是說其可以各種高精度的測量設(shè)備為基礎(chǔ)，在提升機(jī)初始位置開始就全程監(jiān)測運(yùn)行狀態(tài)，然后根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)輸出能源。因此在煤礦提升機(jī)中應(yīng)用變頻技術(shù)需要家裝信號傳輸、運(yùn)動狀態(tài)監(jiān)測等高精度的設(shè)備，這樣才能獲取提升機(jī)最準(zhǔn)確的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并對能源輸入開展合理規(guī)劃，以此保證提升機(jī)能夠更加平穩(wěn)的運(yùn)行。

（二）通風(fēng)機(jī)調(diào)速技術(shù)方案

1）恒速改變?nèi)~扇風(fēng)門角度調(diào)節(jié)風(fēng)量對于雙軸流式葉扇通風(fēng)機(jī)來說，通過轉(zhuǎn)速增大葉扇通風(fēng)機(jī)構(gòu)和葉片的旋轉(zhuǎn)角度大小來同時調(diào)整葉扇風(fēng)壓，也就是能夠通過轉(zhuǎn)速改變?nèi)~片和輪片的齒數(shù)大小來同時調(diào)節(jié)葉扇風(fēng)量。但是需要通風(fēng)機(jī)停機(jī)后才能夠進(jìn)行調(diào)整設(shè)備，需要長時間的調(diào)整才能實(shí)現(xiàn)，沒辦法實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)節(jié)的通風(fēng)量，也不能隨時隨地根據(jù)通風(fēng)狀況進(jìn)行改變。離心式的通風(fēng)機(jī)指的是通過手動調(diào)節(jié)整個通風(fēng)機(jī)口的整體形狀及其通風(fēng)道口的大小，或調(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)管道里手動開關(guān)的風(fēng)口開啟關(guān)閉程度，手動調(diào)節(jié)減小了通風(fēng)道的流動橫斷面，以直接增加風(fēng)道通風(fēng)的流動阻力，從而直接改變了整個通風(fēng)機(jī)組管網(wǎng)系統(tǒng)的性能特性變化曲線，最后再用來直接改變整個通風(fēng)機(jī)組在生產(chǎn)工作時的狀態(tài)，以此來實(shí)現(xiàn)整機(jī)風(fēng)量的自動調(diào)節(jié)，這種手動調(diào)節(jié)風(fēng)量方法其實(shí)缺乏可操性。2）變速調(diào)節(jié)風(fēng)量通過變速改變驅(qū)動通風(fēng)機(jī)的橫向轉(zhuǎn)軸角和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動速度，改變驅(qū)動通風(fēng)機(jī)自身的各種特性運(yùn)動曲線從而調(diào)整了通風(fēng)量的大小，有效地調(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)性能。

（三）礦井皮帶輸送機(jī)變頻技術(shù)的應(yīng)用價值

皮帶輸送機(jī)是礦井上下運(yùn)輸?shù)暮诵臋C(jī)器，其每日運(yùn)行時間長，運(yùn)行距離遠(yuǎn)，消耗功率巨大，傳統(tǒng)控制方式無疑會消耗巨大的電能。變頻技術(shù)的應(yīng)用可以降低皮帶輸送機(jī)的能耗，而且皮帶輸送機(jī)變頻器已經(jīng)取得飛速發(fā)展。現(xiàn)在皮帶輸送機(jī)的變頻啟動技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用，再配合選用低耗能的變頻電機(jī)，結(jié)合電控系統(tǒng)的變頻調(diào)速原理，可進(jìn)一步降低煤礦皮帶輸送機(jī)的能耗。皮帶輸送機(jī)變頻技術(shù)的應(yīng)用使得皮帶輸送機(jī)可以自主調(diào)整轉(zhuǎn)速，減少空載耗能和啟動損耗，效率得到很大的提高。運(yùn)輸同樣噸位、同樣距離的煤炭，研究利用變頻技術(shù)來降低皮帶輸送機(jī)的能耗、提高皮帶輸送機(jī)的效率，對于礦井來說具有重大的經(jīng)濟(jì)效益，同時在很大程度上能夠?qū)崿F(xiàn)能耗的降低。

（四）變頻器在綜采采煤機(jī)上的應(yīng)用

采煤機(jī)是煤礦綜采工作面不可缺少的設(shè)備，長壁式采煤機(jī)按牽引方式可分為3種類型，即機(jī)械牽引、液壓牽引、電牽引。機(jī)械牽引采煤機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性差、效率低，現(xiàn)基本淘汰；液壓牽引采用液壓泵、液壓馬達(dá)及閥組管路系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，液壓件要求精度高，而且液壓系統(tǒng)阻力大、泄露損耗大，總效率只有60%～70%左右；電牽引采煤機(jī)可分為直流電牽引采煤機(jī)和交流電牽引采煤機(jī)2種，具有控制簡單、傳動效率高，能夠適用于各種地質(zhì)條件，電牽引采煤機(jī)已成為采煤機(jī)發(fā)展主導(dǎo)方向。采用直流電動機(jī)，用晶閘管調(diào)速裝置改變直流電動機(jī)電樞回路的電壓或磁通實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)牽引速度的無級調(diào)速，具有調(diào)速性能好、控制響應(yīng)快，能夠?qū)崿F(xiàn)各種保護(hù)、檢測和顯示，但直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電動機(jī)電刷、整流子易磨損。如今礦用采煤機(jī)牽引多采用交流電牽引方式，利用變頻調(diào)速裝置改變輸入電機(jī)的頻率、電壓進(jìn)行調(diào)速，大多采用交-直-交變頻器控制。以美國JOY7LS采煤機(jī)為例，該采煤機(jī)變頻系統(tǒng)由1個交-直整流電源模塊BSM、2個直-交逆變器模塊組成，控制2臺交流牽引電機(jī)。當(dāng)采煤機(jī)割煤時，由遙控器啟動采煤機(jī)變頻器，三相整流模塊BSM將電源575V交流電整流為800V直流電壓，經(jīng)過電容器濾波，送至2個逆變器，逆變器將直流電壓逆變可控三相交流輸出頻率、電壓，給定牽引速度，可使采煤機(jī)在運(yùn)輸機(jī)上勻速往返割煤，當(dāng)采煤機(jī)截割電機(jī)電流、溫度超過額定值時，采煤機(jī)主機(jī)給變頻器發(fā)出命令，強(qiáng)制減速，直到采煤機(jī)截割電機(jī)電流、工作溫度在額定值以內(nèi)，牽引速度恢復(fù)設(shè)定值；當(dāng)采煤機(jī)牽引電機(jī)電流、溫度超過額定值時，變頻器自動降低輸出頻率，直到采煤機(jī)牽引電機(jī)電流、工作溫度在額定值以內(nèi)。

三、結(jié)語

根據(jù)變頻器實(shí)際應(yīng)用可知，將變頻器應(yīng)用于煤礦提升機(jī)、皮帶輸送機(jī)、風(fēng)機(jī)、采煤機(jī)等大功率煤礦機(jī)電設(shè)備中，在節(jié)能方面取得了很好的效果，據(jù)有關(guān)統(tǒng)計，可以降耗30%左右。變頻技術(shù)全面取代傳統(tǒng)調(diào)速技術(shù)是大勢所趨，也是國家發(fā)展、社會進(jìn)步的需求。變頻技術(shù)的應(yīng)用不僅能直接降低機(jī)電設(shè)備的損耗，還能降低設(shè)備的故障率，直接提升作業(yè)效率，間接實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。但是，目前變頻器的應(yīng)用存在著一定的問題，比如變頻器本身損耗較大，可以進(jìn)一步研究變頻器的控制算法，使用低損耗的器件，在實(shí)現(xiàn)性能提升的同時，降低變頻器自身損耗。