煤礦機(jī)電設(shè)備中的變頻技術(shù)節(jié)能改造技術(shù)

張瑞昭

(國(guó)能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司石圪臺(tái)煤礦，陜西 神木 719315)

0 引言

煤炭作為中國(guó)最重要的能源之一，如何有效地使用和消費(fèi)煤炭資源將直接影響著中國(guó)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展?，F(xiàn)代煤礦公司經(jīng)常使用大量的機(jī)電設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)高效的采礦作業(yè)，以及大功率連續(xù)開(kāi)采地下生產(chǎn)通常會(huì)導(dǎo)致礦山的機(jī)電設(shè)備在高負(fù)載下運(yùn)行，從而導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行能源消耗的增加，嚴(yán)重影響采礦作業(yè)的安全和運(yùn)行進(jìn)度。因此，有效的節(jié)約和減少能耗是每個(gè)煤礦企業(yè)都應(yīng)正視的問(wèn)題。通過(guò)實(shí)施能源轉(zhuǎn)換來(lái)提高礦山的綜合利益至關(guān)重要，文章就該能源轉(zhuǎn)換將電氣和機(jī)械設(shè)備引入變頻技術(shù)，以減少能源的消耗做一簡(jiǎn)述。

1 變頻技術(shù)基本概述及工作原理

變頻技術(shù)通常是在各種技術(shù)的基礎(chǔ)上形成的，例如傳統(tǒng)的電力技術(shù)，電力電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)技術(shù)。變頻技術(shù)通常具有高度的完整性[1]。該技術(shù)可通過(guò)更改電源頻率和調(diào)整負(fù)載來(lái)降低功耗，減少損耗并延長(zhǎng)設(shè)備壽命。變頻技術(shù)是依靠整流橋?qū)?dāng)前頻率的電流轉(zhuǎn)換為直流電壓，然后將直流電壓轉(zhuǎn)換為頻率。輸入電壓是可調(diào)節(jié)的交流電，用于驅(qū)動(dòng)電壓操作交流電動(dòng)機(jī)，以便通過(guò)適當(dāng)?shù)乃俣瓤刂苼?lái)調(diào)整電壓和電流以適應(yīng)設(shè)備。通過(guò)使用變頻技術(shù)來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)電設(shè)備的速度，在速度調(diào)節(jié)過(guò)程中的轉(zhuǎn)差消耗為零，具有節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，也符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。在一定程度上提高機(jī)電設(shè)備的工作效率是可再生節(jié)能機(jī)電煤礦的發(fā)展方向[2]。

2 變頻技術(shù)作用及其成果

2.1 有利于提高系統(tǒng)效率

變頻技術(shù)有利于提高系統(tǒng)效率，液力耦合器主要用于連接減速器和電機(jī)，但是由于其是利用液體來(lái)進(jìn)行傳動(dòng)的，因此，其傳動(dòng)效率相較于電機(jī)和減速器直接連接的傳動(dòng)效率明顯要低，而變頻器的應(yīng)用能夠減少耦合器應(yīng)用，同時(shí)也能夠使系統(tǒng)效率得到有效提升。同時(shí)，由于變電站距離礦井比較遠(yuǎn)，電壓存在波動(dòng)現(xiàn)象，但是應(yīng)用變頻器能夠穩(wěn)定電壓，起到節(jié)能作用。

2.2 提高系統(tǒng)功率因數(shù)

變頻技術(shù)有利于提高系統(tǒng)功率因數(shù)。通過(guò)對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)以及運(yùn)行情況分析可得，若是負(fù)載不符合標(biāo)準(zhǔn)，會(huì)導(dǎo)致電能損失，只有接近滿載時(shí)，電機(jī)運(yùn)行效率才能夠提升，這是由于電機(jī)在輕載時(shí)，電流有功分量較小，其產(chǎn)生的功率較低，但是電機(jī)所規(guī)定的余量又較大，多臺(tái)機(jī)械運(yùn)行時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)滿載，電機(jī)也無(wú)法實(shí)現(xiàn)滿速、滿電壓運(yùn)行，甚至?xí)霈F(xiàn)時(shí)空載運(yùn)行。而采用變頻器能夠解決這一問(wèn)題，提高系統(tǒng)功率因數(shù)，同時(shí)節(jié)省電能。

3 變頻技術(shù)對(duì)煤礦機(jī)電設(shè)備的節(jié)能改造研究

3.1 對(duì)提升機(jī)電控制系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造

當(dāng)前，一些煤礦公司使用的舊式采礦提升機(jī)通過(guò)繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子來(lái)控制阻力。這種類型的提升機(jī)具有幾個(gè)缺陷。首先，在使用過(guò)程中，該提升機(jī)具有相當(dāng)大的電能消耗，提升機(jī)操作越慢，其轉(zhuǎn)差功率就越大[3]。其次，提升控制系統(tǒng)非常復(fù)雜，故障率很高，因此不能保證它在煤礦開(kāi)采中能安全工作。另外，舊式提升機(jī)控制系統(tǒng)的速度不能很好地調(diào)節(jié)，速度控制也不能連續(xù)進(jìn)行，這些因素是限制煤礦高效發(fā)展的因素。使用變頻技術(shù)對(duì)其進(jìn)行能量改造以提高舊式提升機(jī)控制系統(tǒng)的節(jié)能效果，可以提高礦井開(kāi)采操作的自動(dòng)化水平和效率，同時(shí)減少采礦工作的運(yùn)行時(shí)間，減少煤礦系統(tǒng)和提升機(jī)控制系統(tǒng)的能耗[4]。

3.2 對(duì)井下局扇進(jìn)行節(jié)能改造

大多數(shù)煤礦公司通常在地下風(fēng)機(jī)上使用全速模式。這種操作模式無(wú)法根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的煤礦開(kāi)采操作來(lái)調(diào)整設(shè)備的速度，并且沒(méi)有節(jié)能降耗的效果。在這種情況下，有必要通過(guò)減少煤礦機(jī)電設(shè)備的消耗并利用局扇變頻調(diào)速技術(shù)來(lái)進(jìn)行節(jié)能變化[5]。在煤礦井下局扇的監(jiān)管有幾個(gè)目標(biāo)，這些目標(biāo)可以節(jié)省能源并降低能耗。這是因?yàn)樵摷夹g(shù)的變速控制器的風(fēng)扇可以根據(jù)氣體傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)道路上相應(yīng)位置的氣體濃度變化，并且還可以自動(dòng)調(diào)節(jié)井下局扇速度以合理地調(diào)節(jié)送風(fēng)量。它不僅保證了將煤礦機(jī)電設(shè)備應(yīng)用于煤礦的安全性，而且還減少了機(jī)電采礦設(shè)備的電能消耗，從而延長(zhǎng)了井下局扇設(shè)備的使用壽命，減少了煤礦機(jī)電設(shè)備的損耗投資[6]。將井下局扇的節(jié)能改造已轉(zhuǎn)換為變頻技術(shù)，機(jī)電設(shè)備的風(fēng)扇全年不需要全負(fù)荷運(yùn)行，因此可以有效利用煤礦中的機(jī)電設(shè)備，這對(duì)減少設(shè)備的能耗有促進(jìn)作用。

3.3 對(duì)井下電機(jī)車進(jìn)行節(jié)能改造

在以前的煤礦井下作業(yè)中，傳統(tǒng)的電力機(jī)車經(jīng)常采用電阻調(diào)節(jié)的方式，這種方式不僅能耗大，穩(wěn)定性差，而且經(jīng)常引起機(jī)械事故，需要經(jīng)常進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)。通過(guò)使用帶有變頻技術(shù)調(diào)節(jié)器的電動(dòng)機(jī)車，可以將直流轉(zhuǎn)換為交流電，并將直流轉(zhuǎn)換為電壓和頻率[7]。通過(guò)控制這三者，可以大大提高電力機(jī)車的穩(wěn)定性。同時(shí)，在電機(jī)車中使用變頻技術(shù)可以提高牽引效率和機(jī)器效率，確保足夠的動(dòng)力并降低能耗。企業(yè)過(guò)去使用的傳統(tǒng)井下機(jī)車通常采用調(diào)節(jié)電阻的方法，該方法消耗大量的電能并且浪費(fèi)很多的電力[8]。傳統(tǒng)的高壓井下電機(jī)車采煤失敗的頻率很高，需要經(jīng)常維護(hù)并且技術(shù)性能差。為改善這種情況，可以使用交流變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)，該變頻器可以將直流驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)換為交流驅(qū)動(dòng)器，即使用直流到交流電源的牽引技術(shù)，可以將直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電，因此達(dá)到了運(yùn)行牽引電動(dòng)機(jī)的目的[9]。利用技術(shù)轉(zhuǎn)化率和直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，可以有效地提高電機(jī)車的牽引力，其在使用過(guò)程中具有實(shí)用性強(qiáng)、動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、節(jié)約能源、降低能耗等諸多優(yōu)點(diǎn)。此外，當(dāng)電機(jī)車在下坡路段處于通電狀態(tài)時(shí)，可以控制運(yùn)動(dòng)并有節(jié)能的雙重作用[10]。

3.4 對(duì)風(fēng)泵類煤礦輔助生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造

在煤礦井中水泵和風(fēng)扇是煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)中最重要的設(shè)備也是主要能耗設(shè)備。這些設(shè)備不僅在長(zhǎng)時(shí)間的高負(fù)載條件下容易失效，而且經(jīng)常導(dǎo)致設(shè)備處于滿負(fù)荷狀態(tài)[11]。在調(diào)節(jié)水量和風(fēng)量時(shí)，大都采用了調(diào)節(jié)風(fēng)門開(kāi)度和門開(kāi)幅度的方法。這種修復(fù)方法不能理想地滿足不同的采煤要求，必須使用變頻技術(shù)對(duì)風(fēng)泵煤礦的輔助系統(tǒng)進(jìn)行能量交換，這是確保風(fēng)扇和水泵控制系統(tǒng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵方式[12]。

3.5 對(duì)煤礦皮帶運(yùn)輸機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造

帶式運(yùn)輸機(jī)將交流電作為電動(dòng)機(jī)動(dòng)力，將液力耦合器作為傳動(dòng)，通過(guò)工頻拖動(dòng)來(lái)運(yùn)行工作，其作為煤礦運(yùn)輸主體設(shè)備之一，對(duì)煤礦的運(yùn)輸起著重要的作用。但是，帶式運(yùn)輸機(jī)當(dāng)前存在啟動(dòng)電流過(guò)大、傳動(dòng)效率低、機(jī)械沖擊大等不足，在利用變頻技術(shù)來(lái)改造煤礦皮帶運(yùn)輸機(jī)后，能夠解決其在重載和啟停情況下出現(xiàn)的跑帶、斷帶等安全問(wèn)題，使帶式運(yùn)輸機(jī)的工作效率得以提升，同時(shí)也能夠增加煤礦的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。首先，利用變頻技術(shù)能夠使其帶強(qiáng)降低，變頻器開(kāi)啟時(shí)間可以調(diào)節(jié)，因此，在變頻器應(yīng)用驅(qū)動(dòng)時(shí)，帶式運(yùn)輸機(jī)啟動(dòng)的時(shí)間可以延長(zhǎng)，能夠使其帶強(qiáng)降低，也能夠降低設(shè)備投入成本。其次，變頻器具備軟啟動(dòng)能力，能夠更好地驅(qū)動(dòng)運(yùn)輸機(jī)，利用變頻器可以將運(yùn)輸機(jī)和電機(jī)結(jié)合起來(lái)，緩緩啟動(dòng)電機(jī)并將運(yùn)輸機(jī)帶動(dòng)起來(lái)。這時(shí)，運(yùn)輸機(jī)張力較小，不會(huì)產(chǎn)生損壞，同時(shí)能夠?qū)⑵?nèi)存儲(chǔ)的能量釋放出來(lái)。同時(shí)，變頻器應(yīng)用在多電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)主要利用主從控制法進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，可以保證功率平衡。最后，降低檢修工作量，利用變頻器能夠避免帶式運(yùn)輸機(jī)啟動(dòng)時(shí)沖擊機(jī)械，降低對(duì)運(yùn)輸機(jī)械的損壞。

4 變頻器節(jié)能技術(shù)發(fā)展前景

隨著經(jīng)濟(jì)體系的完善，各種變頻節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用越發(fā)廣泛，其在煤礦機(jī)電設(shè)備中也得到了普及。為適應(yīng)當(dāng)前經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的需求，我國(guó)政府制定了環(huán)保節(jié)能和綠色發(fā)展策略，為推動(dòng)變頻節(jié)能技術(shù)的發(fā)展和完善起到了積極作用。實(shí)踐證明，變頻節(jié)能技術(shù)具有環(huán)保性、節(jié)能性，該技術(shù)在不斷優(yōu)化的基礎(chǔ)上可以滿足我國(guó)節(jié)能技術(shù)需求，同時(shí)也能夠?yàn)槊旱V企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的增加起到促進(jìn)作用，實(shí)現(xiàn)我國(guó)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)的建設(shè)目標(biāo)。

5 結(jié)語(yǔ)

煤礦機(jī)電設(shè)備的開(kāi)采是有效發(fā)展煤礦生產(chǎn)的關(guān)鍵因素，能耗運(yùn)營(yíng)一直是礦山日常運(yùn)營(yíng)的主要消耗成本。能源消耗運(yùn)行的降低將有助于提高礦山的綜合效益，這是我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的關(guān)鍵要求。采礦施工的管理人員應(yīng)考慮相關(guān)問(wèn)題，并將變頻技術(shù)有效地應(yīng)用于煤礦生產(chǎn)的各個(gè)方面。通過(guò)變頻改造來(lái)改變煤礦機(jī)電設(shè)備的現(xiàn)狀。在提高設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和效率的情況下，減少能耗，實(shí)現(xiàn)煤礦綜合效益的同時(shí)，有效促進(jìn)礦井的長(zhǎng)期發(fā)展。