煤礦機電設備中變頻節(jié)能技術

王懷智 國家能源集團神東煤炭公司榆家梁煤礦

作為一個豐富煤礦資源擁有的大國，我國地表層中具備大量的煤礦資源，開展煤礦產(chǎn)業(yè)的開發(fā)和運用，在提高國民經(jīng)濟中發(fā)揮巨大的促進作用。但是從現(xiàn)階段開發(fā)狀況來看，中小型煤礦由于技術落后等問題，在實際生產(chǎn)中出現(xiàn)的能耗增大、整體生產(chǎn)效率降低等問題，嚴重影響著煤礦企業(yè)的發(fā)展。逐漸利用技術創(chuàng)新對機電設備升級節(jié)能技術加以優(yōu)化，在煤礦企業(yè)運行中得到很好的使用效果。結合實踐和理論進行煤礦機電設備的變頻節(jié)能技術的應用，還是有很多的課題需要去解決，目標是全面實現(xiàn)煤礦安全可靠的生產(chǎn)，增加生產(chǎn)效率。

一、變頻節(jié)能技術概述

（一）變頻調(diào)速理論基礎的研究

目前，變頻器在工業(yè)生產(chǎn)中的應用相對頻繁且應用范圍較為廣泛，其主要功能是實現(xiàn)對交流異步電機的軟啟動、變頻調(diào)速、過載保護和過流保護功能團。

變頻調(diào)速原理如式（1）所示：

n=60f（1-s）/p．

（1）式中：n為提升機電機的轉(zhuǎn)速；f為提升機電機的頻率；s為提升機電機的轉(zhuǎn)差率；p為提升機電機的極數(shù)。由公式（1）可知，通過調(diào)整電機的頻率實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，進而可實現(xiàn)提升機轉(zhuǎn)速的平滑調(diào)節(jié)。

（二）變頻調(diào)速的控制機理

帶式輸送機、提升機、通風機等均為綜采工作面的關鍵設備，為解決煤礦機電設備的節(jié)能生產(chǎn)并滿足實際生產(chǎn)的需求，需根據(jù)實際工況對設備電機的轉(zhuǎn)速進行控制，從而達到對設備的節(jié)能控制。比如，就帶式輸送機而言，通過對帶式輸送機所運送物料的狀態(tài)及帶式輸送機的溫度、壓力等參數(shù)的實時監(jiān)測和采集，并將上述所采集的數(shù)據(jù)上傳于PLC和上位機中，通過對上述參數(shù)的對比分析對變頻器的輸出頻率進行調(diào)整，從而達到對電機轉(zhuǎn)速的控制，最終實現(xiàn)對帶式輸送機帶速的控制。

隨著技術的不斷應用和理論研究的深入，變頻器的調(diào)節(jié)技術得到了優(yōu)化，為煤礦機電設備的運行、提高壽命、節(jié)約能源提供了技術支持，真正的做到了提高設備、降低能耗和提高設備使用年限。我國煤礦開采行業(yè)改革發(fā)展，節(jié)能減排是主要方向，在提升機、采煤機和皮帶機等機電設備中應用變頻節(jié)能技術，可以有效降低電能損耗，提升開采效率。根據(jù)變頻節(jié)能技術原理，采用交流定周方式調(diào)節(jié)機電設備的運行功率，采用智能電氣系統(tǒng)，推動機電設備智能變頻?；谧冾l節(jié)能技術，有助于推動機電設備智能化操控，減少勞動強度和工作量，降低生產(chǎn)成本和設備維護成本，推動采煤過程自動化、智能化發(fā)展。

二、煤礦機電設備應用變頻節(jié)能技術的現(xiàn)狀

煤礦機電設備中推行變頻節(jié)能技術，需要充分契合煤礦生產(chǎn)情況，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，提升開采效率的同時，減少機電設備能耗。變頻節(jié)能技術實際應用，交流電周期固定模式更換頻率，在后續(xù)具體工作中依據(jù)工作負荷、工作環(huán)境和工作內(nèi)容來動態(tài)調(diào)整。結合可持續(xù)發(fā)展相關要求，煤礦行業(yè)引進變頻節(jié)能技術是必然選擇，尤其是煤礦機電設備類型和規(guī)模不斷增加，充分發(fā)揮變頻技術優(yōu)勢，可以大大降低電能損耗和企業(yè)生產(chǎn)成本，賦予企業(yè)可持續(xù)發(fā)展動力。隨著我國工業(yè)化進程不斷加快，對煤炭資源需求度急劇增長，但是從我國煤礦行業(yè)開采情況來看，電能損耗問題居高不下，致使企業(yè)成本較高，而變頻節(jié)能技術可以在機電設備中加以應用。如：在提升機、采煤機和皮帶機等設備中應用，會使電能損耗顯著下降。故此，新時期煤礦企業(yè)應該深入研究和分析變頻節(jié)能技術，明確其應用重要性，在不影響開采效率、效益基礎上，靈活運用變頻節(jié)能技術，降低電能損耗，謀求可持續(xù)發(fā)展。

三、煤礦機電設備中變頻節(jié)能技術的應用

（一）采煤機應用變頻節(jié)能技術

煤礦機電設備中，采煤機作為重要組成部分，電能損耗量較大，其中包含電氣系統(tǒng)、機械系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)等，基于變頻節(jié)能技術，可以實現(xiàn)各系統(tǒng)能耗降低。其組成部分可劃分為采煤機，包括裝載系統(tǒng)、切割部、行走裝置和其他控制裝置等。切割裝置結合不同工作面動態(tài)調(diào)整設備運行功率，大功率適合大工作面作業(yè)需要，將煤礦快速納入到裝載系統(tǒng)中，小工作面下減少切割工作面，以此來實現(xiàn)節(jié)能減排的目的。裝載系統(tǒng)需要結合采煤量來調(diào)整設備運行功率，促使裝載速度和采煤速度匹配。行走裝置，采煤機作業(yè)時牽引力有所偏差，需要變頻調(diào)節(jié)行走裝置頻率，保證牽引力足夠基礎上，將電能損耗降到最低。另外，通過變頻節(jié)能技術合理運用，除了降低采煤機能耗，還可以減少采煤機運行負荷，提升設備使用性能、使用壽命。

（二）風機設備應用變頻節(jié)能技術

煤礦開采中，風機設備不可或缺，主要是由于井下環(huán)境相較于封閉，有很多有毒有害氣體，應借助通風設備將有害氣體稀釋、排出，創(chuàng)設安全的井下作業(yè)環(huán)境。通常情況下，礦井下風機設備主要是用于換氣操作，伴隨煤礦開采不斷深入，礦井下的氣體含量有所變化，通過風機設備中應用變頻節(jié)能技術，在創(chuàng)設安全開采環(huán)境下，減少風機設備的運行壓力。保證井下空氣質(zhì)量符合要求，井下沒有瓦斯等有毒、易爆氣體后，風機設備可以停止運行，減少不必要能耗。同時，將變頻節(jié)能技術和空氣檢測設備結合在一起，動態(tài)依據(jù)井下空氣質(zhì)量自動調(diào)節(jié)，自動化水平較高。通過變頻節(jié)能技術在風機設備中應用，煤礦企業(yè)取得了可觀的成果。

（三）提升機中應用變頻節(jié)能技術

不同礦山類型不同，對于一些開采難度大，礦井深的礦山，需要借助提升機將煤炭資源運輸?shù)降孛?，然后進行后續(xù)加工。提升機是煤礦企業(yè)主要生產(chǎn)設備之一，為了大大提升煤礦開采效率，必須要保證設備不間斷進行。但如果設備滿載或是空載運行狀態(tài)會有電能損耗，如何改善此類問題，推動提升機和變頻節(jié)能技術融合應用，在智能化操控平臺下來調(diào)整提升機運行功率，提升設備運行效率的同時，為煤礦企業(yè)減少了能耗。一般情況下，煤礦企業(yè)中常見的提升機為JDBP32-185P型號，在實際應用中節(jié)能效果可觀，可以為企業(yè)帶來更為可觀的經(jīng)濟效益。

（四）皮帶機應用變頻節(jié)能技術

皮帶機主要是用于輸送煤炭資源到地面，而皮帶機運行荷載并非是不變的，設備長期運行會導致電能損耗過大，基于變頻節(jié)能技術調(diào)整皮帶機功率，促使皮帶機變頻運行，合理配置荷載，減少電能損耗。變頻節(jié)能技術的應用，可以避免皮帶機長期超負荷運行，減少設備故障幾率，保障設備正常運轉(zhuǎn)，使用壽命也將大大延長。

（五）負載荷設備應用變頻節(jié)能技術

在負載荷設備中應用變頻節(jié)能技術，結合煤礦特殊作業(yè)環(huán)境，不斷加強變頻調(diào)速設備研發(fā)，實現(xiàn)采礦設備變頻操作。結合風機設備運行情況逐步改造和完善操作，提升設備使用性能。改造前，綜合檢查和分析風機設備運行情況，在此基礎上調(diào)整風機的風量、風壓，通過變頻改造后，節(jié)能效果較為顯著，是改造前的3倍。

四、煤礦機電設備中變頻節(jié)能技術維護措施

變頻節(jié)能技術在煤礦機電設備中應用，盡管一定程度上可以提升煤礦開采效率、質(zhì)量，應注重合理的措施來保障變頻節(jié)能技術效應得以發(fā)揮，維護機電設備安全穩(wěn)定運行。在機電設備中應用變頻節(jié)能技術，立足于機電設備運行情況，結合設備型號規(guī)格加強設備檢修和維護，安裝前調(diào)試好，合理運用變頻節(jié)能技術。

（一）制定完善的機電設備維護管理制度體系

煤礦企業(yè)的機電設備類型多樣，長時間在煤礦這一特殊環(huán)境下高負荷運行，可能受到客觀因素影響出現(xiàn)故障問題。鑒于此，應加強機電設備維護管理力度，轉(zhuǎn)變理念來健全和完善維護管理制度體系，持續(xù)深化技術研發(fā)，推動設備技術更新，便于變頻節(jié)能技術充分在機電設備中應用。通過日常巡查和維護，便于及時發(fā)現(xiàn)、解決設備故障問題，將安全隱患消滅在萌芽狀態(tài)。同時，檢查機電設備變頻工作情況，預測分析可能產(chǎn)生的變頻異常故障，制定防控方案，及時解決。相關維修管理人員要注重技術的學習和運用，分析可能出現(xiàn)的設備故障問題，并尋求合理方法予以解決，促使機電設備逐步恢復使用。只有保證機電設備正常運行，才能保證變頻節(jié)能技術應有效應充分發(fā)揮，改善潛在的機電設備安全隱患。

（二）推動機電設備和技術更新

機電設備和變頻技術不斷推陳出新，技術更新頻率加快，不斷涌現(xiàn)出先進機電設備。這就需要煤礦企業(yè)高度關注變頻節(jié)能技術更新和完善，順應時代發(fā)展趨勢，積極運用變頻節(jié)能技術到實處，改善傳統(tǒng)技術不足和缺陷，賦予變頻技術更強的兼容性，為機電設備安全穩(wěn)定運行提供支持。新設備、新技術融合運用，對于提升煤礦機電設備運行效率和運行性能意義深遠。煤礦企業(yè)要注重資源的合理配置，投入資金用于設備的更新?lián)Q代中，提升機電設備整體靈活性、可靠性，減少設備能耗，對于延長機電設備使用壽命具有積極作用。

五、應用案例分析

在某礦山井下采煤設備中運用電牽引采煤機回饋制動四象限變頻器之后，傾角達到15度到30度，從現(xiàn)場運轉(zhuǎn)狀況來看，在大傾角下工作，依然能夠?qū)崿F(xiàn)電氣因采煤機的調(diào)理制動力句，維持牽引速度不變，構造非常簡單，而且操作非常便捷，速度調(diào)理牢靠。

首先在操作控制上借用動力電來控制芯線，控制回路以磁力起動機進行先導回路連接，組成遠程控制回路，送電后割電機和泵電機運行牽引變壓器，輸出400V交流電，啟動器延時57秒，之后經(jīng)過伺服、順從、磁力、截割電機運轉(zhuǎn)，左右端頭總停左右遙控器，總廳和變頻器湘贛上的總體串進截割電機和泵電機的溫度節(jié)點，啟動回路上接近PRC電機，溫度一旦發(fā)生超限和瓦斯?jié)舛瘸?，可以自保?jié)點接近啟動回路，經(jīng)過這些節(jié)點斷開之后，將電腦切斷，運輸機的控制上裝置的變頻器蓋板上的控制按鈕，可以控制運輸機的停機，在不控制啟動的情況下，可以完成自動化采煤機的檢修，對電磁閥的控制全部采用防爆電磁閥，分別控制左右搖臂、升降、控制、牽引電機、制動、松閘，啟動左右端頭站和左右遙控器上的上行升降。PLC程序控制系統(tǒng)可以進行左右端頭的遙控、控制和轉(zhuǎn)換隔離的切換，牽引控制達到自動化牽引電機的供電拖動游交流、變頻調(diào)控、電控安裝改動牽引電機的轉(zhuǎn)速，改動變頻器供電電壓頻率，從變頻器的設計上就設定了給定速度，將變頻器設置為轉(zhuǎn)矩給定，主變頻器由plc給出速度給定，轉(zhuǎn)矩輸出改為轉(zhuǎn)矩給定轉(zhuǎn)矩控制，由主變頻器進行控制，完成自動控制。單牽引采用變頻技術，所驅(qū)動的牽引采用齒式離合器。傳統(tǒng)的電機控制直接對風機進行調(diào)速是無法實現(xiàn)的，企業(yè)大量的花費資金投入到增加通風量、購買新設備，而應用變頻技術后可以根據(jù)實際工作需要對通風量的實時調(diào)整，避免風機在啟停過程中的沖擊，井下作業(yè)安全度大大提升，風機的使用壽命也得到了增加。機電設備在井下作業(yè)必須要經(jīng)歷頻繁的啟停環(huán)節(jié)，在應用變頻技術后，使其工作更加平穩(wěn)，能根據(jù)實際工作需要，實時對牽引速度進行調(diào)整，使其工作效率變得更高、更加節(jié)能，能有效避免其工作中出現(xiàn)的溜坡、打滑現(xiàn)象，還使操作更容易控制，操控更加精準。

六、結束語

煤礦企業(yè)是耗電大戶，風機、水泵、壓縮機等設備用電量占到整個煤礦生產(chǎn)用量的量的半數(shù)以上。采用變頻調(diào)速技術經(jīng)過幾十年的發(fā)展，從變頻技術在風機、提升機、空壓機、皮帶機中的應用效果看，變頻技術的應用以其卓越的調(diào)速性能和顯著的節(jié)電效果，在煤礦機電設備運行中得到廣泛推廣。隨著計算機技術、自動控制技術大功率輸出技術的不斷發(fā)展，變頻器調(diào)速技術將擁有突破性的進步。今后節(jié)電和推動技術進步將成為必然的發(fā)展趨勢。高可靠性的、大容量的多功能變頻器，能夠為煤礦節(jié)省能源達到60%以上。因此采用變頻調(diào)速技術，真正的提高煤礦生產(chǎn)效益，降低煤礦生產(chǎn)能耗，改造后的機電設備將在節(jié)能環(huán)保方面發(fā)揮更大的作用，為煤礦生產(chǎn)取得更加顯著的經(jīng)濟效益助力。