變頻節(jié)能技術(shù)在煤礦機電設(shè)備中的應(yīng)用

李興林

（陜西銀河煤業(yè)開發(fā)有限公司，陜西 榆林 719000）

現(xiàn)代社會的發(fā)展，使人們生活水平提高的同時，對煤炭資源的需求量也日益增長，這使得越來越多的煤礦企業(yè)逐步擴大生產(chǎn)規(guī)模，通過改造煤礦機電設(shè)備來提高原煤產(chǎn)量。當然，煤礦企業(yè)在對煤礦機電設(shè)備進行技術(shù)改造過程中，人們也越來越重視煤礦機電設(shè)備的運行可靠性與穩(wěn)定性。電耗作為煤礦成本中的一項重要構(gòu)成指標，在煤礦機電設(shè)備改造中必須要盡可能降低噸煤電耗量，這對整個煤礦領(lǐng)域的發(fā)展有著重大影響。在此背景下，將變頻節(jié)能技術(shù)應(yīng)用到煤礦機電設(shè)備改造工作中，可使其能源消耗得到大幅降低，進而使機電設(shè)備取得更高的運轉(zhuǎn)效率，有效延長了煤礦機電設(shè)備的使用壽命，保證了其運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，更重要的是能夠減少煤礦生產(chǎn)成本的投入，從而為煤礦企業(yè)創(chuàng)造更多的利潤。

一、變頻節(jié)能技術(shù)及其應(yīng)用原理

現(xiàn)如今，各國對于資源、能源的需求與消耗逐年遞增，但煤礦、天然氣等能源開采會耗費大量的電能，進而進入一種高效能的死循環(huán)。因此，我國大力開發(fā)研究變頻節(jié)能技術(shù)在煤礦機電設(shè)備中的應(yīng)用，如今在煤礦生產(chǎn)中的采煤機、提升機、流體負荷設(shè)備、風機與水泵中得到了廣泛應(yīng)用。該技術(shù)的工作原理是將某些機電設(shè)備使用交流電的功率固定的規(guī)律所打破，根據(jù)人們的意愿、程序的設(shè)定以及現(xiàn)場環(huán)境的變化進行調(diào)節(jié)。簡單來說，就是利用半導(dǎo)體元件的通斷作用，將工頻電流的信號在整流器中轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妷?，再利用整流器可調(diào)節(jié)電壓的原理進行交流電壓的頻率轉(zhuǎn)換設(shè)置，從而使得電流電機的驅(qū)動電源能夠獲得無級調(diào)速電壓與電流。其中，變頻器的設(shè)置與結(jié)構(gòu)較其他元件更為復(fù)雜，其組成部分也較多，涉及的元件種類繁多，需要相關(guān)企業(yè)根據(jù)實際情況與條件進行選擇安裝。

二、變頻節(jié)能技術(shù)在煤礦機電設(shè)備應(yīng)用的效能

（一）提高經(jīng)濟效益

首先，變頻節(jié)能技術(shù)應(yīng)用于煤炭機電設(shè)備，可以通過改變電頻適應(yīng)煤炭機電設(shè)備的工作，減少機器的磨損，增強機器的靈活性與實用性。煤礦機電設(shè)備是一些巨大的機器，工作原理復(fù)雜并且機器結(jié)構(gòu)繁雜，長時間在不適宜的電流頻度及電壓下工作容易增加機器負擔，影響機器壽命，造成機器的折損，增加生產(chǎn)成本。其次，變頻節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用能夠避免新機械的購置，減少生產(chǎn)成本的投入。煤礦機電設(shè)備屬于大型機械，一旦購置需要使用一定時間才能進行更新，但是隨著煤電技術(shù)發(fā)展，會出現(xiàn)設(shè)備與技術(shù)不匹配現(xiàn)象，需要對設(shè)備機械進行更新，變頻節(jié)能技術(shù)可以避免頻繁的更新機械，通過安裝變頻器就可以節(jié)省新機械的購置費用，減少成本。再次，煤礦機電工作人員在實際操作過程中，易操作，工序簡單，需要人力較少，可以減少員工的支出成本。

（二）提高環(huán)保效能

變頻節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用可以提升煤礦機電設(shè)備的電能應(yīng)用效率，具備節(jié)能的功能，將節(jié)約的電能應(yīng)用于其他環(huán)節(jié)，實現(xiàn)電能資源利用最大化，實現(xiàn)優(yōu)化的生產(chǎn)過程，符合綠色發(fā)展節(jié)能的生產(chǎn)要求；變頻節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用還可以起到減少廢氣排放的功能，電流頻率與所需相符的情況下，減少機器磨損，是生產(chǎn)環(huán)節(jié)實現(xiàn)燃燒殆盡的效果，減少排放氣體中的殘余物質(zhì)，減少廢氣對環(huán)境的污染。

（三）改善設(shè)備性能

首先，根據(jù)變頻節(jié)能技術(shù)的工作原理，其改變電流的頻率使其固定在設(shè)備所需的電頻階段，實現(xiàn)機器設(shè)備的充分做功，保障機器在限度內(nèi)進行工作，既能發(fā)揮最大作用又不會影響其設(shè)備本身。其次，變頻節(jié)能技術(shù)實現(xiàn)擺脫信息數(shù)字處理的限制，在傳統(tǒng)電路領(lǐng)域能夠根據(jù)所需形成電子集成電路，適應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用，有助于創(chuàng)新。變頻節(jié)能技術(shù)在煤礦機電設(shè)備的應(yīng)用，改善設(shè)備性能，并且突破限制對技術(shù)創(chuàng)新提出無限可能。

三、煤礦機電設(shè)備中變頻節(jié)能裝置的類別

（一）礦用變頻器

考慮到變頻器是一種能夠調(diào)節(jié)機電設(shè)備輸出頻率的電子類設(shè)備，這能夠幫助機電設(shè)備減少運行能耗，從而使機電設(shè)備變得更加自動化、智能化，同時相關(guān)人員也能夠在遠程操作過程中變得更加便利。

（二）交流四象限變頻器

根據(jù)交流電動機在運行過程中的機械性能變化情況，并利用數(shù)學軸來進行象限劃分，可將象限分成四個，分別是正傳電動狀態(tài)、反轉(zhuǎn)電動狀態(tài)、回饋制動狀態(tài)以及反接制動狀態(tài)。無論電動機處于哪個象限，其均可正常運行，不過電動機在正傳電動狀態(tài)和反轉(zhuǎn)電動狀態(tài)這兩個象限中的運行是以電動狀態(tài)存在的，而在回饋制動狀態(tài)和反接制動狀態(tài)這兩個象限中的運行則呈現(xiàn)出發(fā)電狀態(tài)，電動狀態(tài)和發(fā)電狀態(tài)的區(qū)別在于前者的能量消耗來自電網(wǎng)，而后者則是將能量回饋給電網(wǎng)。有些變頻器能夠在電動機四象限中得以正常運行，對于這類變頻器，也稱為交流四象限變頻器，通過將交流四象限變頻器運用到具備位勢負載特性的電動機中，能夠使電動機隨著系統(tǒng)勢能的增加或減少而實現(xiàn)電動狀態(tài)和發(fā)電狀態(tài)的切換。在沒有應(yīng)用交流四象限變頻器之前，許多能量都會通過電阻發(fā)熱的方式被損耗掉，這便造成了大量能量的浪費，而在應(yīng)用交流四象限變頻器以后，則可利用逆變回路將電動機的電力逆向輸入到電網(wǎng)中，從而有效減少了電能的損耗。能量在流動過程時，可以通過四象限變頻器中內(nèi)置的功率模塊來達到雙向流動目的。四象限變頻器中內(nèi)置了微處理模塊，能防止電網(wǎng)被諧波污染。

四、變頻節(jié)能技術(shù)的發(fā)展

變頻技術(shù)最早出現(xiàn)于20世紀60年代，當時社會對于無極調(diào)速、節(jié)能降耗的需求性提升，最終促使變頻技術(shù)的出現(xiàn)。最初出現(xiàn)的變頻技術(shù)主要是通過晶閘管來實現(xiàn)變頻效果，隨著變頻技術(shù)的不斷深入研發(fā)，相關(guān)產(chǎn)品也在快速發(fā)展和升級，但以晶閘管為關(guān)鍵部件的變頻技術(shù)，其實際調(diào)速性能卻無法滿足實際應(yīng)用要求。對于此問題，部分學者研制出了脈寬調(diào)制變壓變頻技術(shù)，并在20世紀80年代時，美國和德國科學家就對相關(guān)算法進行進一步優(yōu)化完善，促使應(yīng)用變頻技術(shù)參數(shù)的變頻器逐步在市場中進行普及。在進入信息時代以后，隨著信息技術(shù)、電子技術(shù)以及相關(guān)控制理論的快速發(fā)展，如今變頻技術(shù)的控制精度、調(diào)頻性能、使用耐用性均得到進一步提升。在變頻器元器件研發(fā)和應(yīng)用方面，如今變頻器已經(jīng)開始逐步應(yīng)用智能化控制模塊;在控制技術(shù)方面，結(jié)合當今的先進控制理論，不僅出現(xiàn)了諸如壓頻比等先進控制技術(shù)，還可以實現(xiàn)矢量控制、轉(zhuǎn)矩控制效，極大地拓展了變頻技術(shù)的可應(yīng)用范圍以及控制成效。此外，隨著人工智能、自動化等技術(shù)在變頻節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域的逐步應(yīng)用，不僅產(chǎn)生了諸多基于新型控制理論的變頻節(jié)能設(shè)備，而且在實際應(yīng)用過程中還表現(xiàn)出了極為優(yōu)秀的自動化控制和節(jié)能降耗效果。并且，近些年來科研人員還將通信編程技術(shù)與變頻節(jié)能技術(shù)相結(jié)合，集成智能化信號處理、專用集成電路等新型技術(shù)手段，促使變頻節(jié)能技術(shù)的可應(yīng)用范圍也在不斷拓展，未來甚至可能會有著更為良好的發(fā)展空間。

五、變頻調(diào)速技術(shù)在礦山機電中的運用

（一）變頻調(diào)速技術(shù)在膠帶輸送機中的應(yīng)用

變頻調(diào)速技術(shù)在膠帶運送機中的運用主要是通過減少設(shè)備損耗，將摩擦力進行合理的運用為主，在膠帶運輸機中運用變頻調(diào)速，將膠帶運輸機中產(chǎn)生的摩擦力轉(zhuǎn)變?yōu)闋恳?，對膠帶運輸機中產(chǎn)生的牽引力的大小根據(jù)需要進行人為干預(yù)。此外變頻調(diào)節(jié)技術(shù)的運用還能夠有效降低膠帶運輸機的故障率，提高運輸機的整體穩(wěn)定性，減少運輸機運輸過程中產(chǎn)生的電流波動，提高了礦山開采的安全系數(shù)，使膠帶傳輸機的功率能夠得到最大的運用。

（二）變頻節(jié)能技術(shù)在采煤機中的應(yīng)用

采煤機是一個煤礦進行煤炭開采挖掘中的必要設(shè)備。一個功能完備的采煤機應(yīng)包括電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)以及機械反應(yīng)系統(tǒng)。采煤機可以根據(jù)組成結(jié)構(gòu)的不同，分為切割系統(tǒng)、裝載系統(tǒng)、運輸裝置以及其他機械控制系統(tǒng)。在采煤機中積極應(yīng)用變頻節(jié)能技術(shù)，有利于從以下三個方面來降低能耗。首先，就切割部分而言，可以將不同切割面設(shè)置為不同的功率。若煤炭切割面較大，可以使用最大功率進行切割，進而高效的將大工作面下的煤炭納入裝載系統(tǒng)進行后續(xù)的運輸。而在切割面較小時，并可適當調(diào)低功率，進而節(jié)約能源。其次，就裝載系統(tǒng)而言，可以根據(jù)需運輸?shù)拿禾繑?shù)量來調(diào)節(jié)其運作功率，將裝載的速度與采煤的速度設(shè)置為同一頻率。再次，在采煤階段與運輸階段，其牽引力的大小不同。因此，運輸裝置的頻率也應(yīng)進行不同階段進行調(diào)整。在保障牽引力充足的前提條件下，盡可能降低能耗。這樣一來，變頻節(jié)能式的采煤機能夠避免長時間的超負荷運作，降低其故障率，延長其使用壽命。

（三）變頻節(jié)能技術(shù)在流體負荷設(shè)備中的應(yīng)用

流體負荷設(shè)備的變頻節(jié)能應(yīng)用，表現(xiàn)在風機變頻與水泵變頻這兩部分上。與傳統(tǒng)的風機做對比，變頻節(jié)能式的風機具有最低轉(zhuǎn)速、目的性強、效果較優(yōu)的優(yōu)勢。因此，煤礦企業(yè)逐漸在自家的風機中應(yīng)用變頻節(jié)能技術(shù)與調(diào)速功能。經(jīng)過改造的風機，可以適應(yīng)當前礦井下的特殊環(huán)境與條件，盡可能地節(jié)約礦井開采的使用電能。另一部分就是在煤礦生產(chǎn)過程中的水泵中設(shè)置變頻節(jié)能技術(shù)。這樣一來，既可以提高煤礦的高效給水量，有利于提升液體用泵的靈活使用度，進而大幅度地提高水泵用品的整體質(zhì)量。與此同時，變頻節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用有利于幫助抽水泵進行平滑啟動、暫停等靈活智控。由此，礦井下層的液位也可以始終保持穩(wěn)定狀態(tài)。抽水泵空轉(zhuǎn)與過度使用都會導(dǎo)致電能的浪費與耗用，變頻器的應(yīng)用能夠切實降低空轉(zhuǎn)對抽水泵的損耗，保障礦井的開采活動穩(wěn)定安全。

（四）變頻節(jié)能技術(shù)在風機設(shè)備中的應(yīng)用

風機作為礦山生產(chǎn)中重要設(shè)備組成，其主要包括壓縮機、拖動風機等。在實際礦山生產(chǎn)過程中，風機運行所產(chǎn)生的能耗將會占據(jù)礦山生產(chǎn)機電設(shè)備總能耗的 40%～50%左右。結(jié)合實際情況來看，不同的礦山生產(chǎn)階段，對于風機類機電設(shè)備的實際需求情況也不盡相同，為滿足此要求，便需要采用變頻技術(shù)，通過技術(shù)調(diào)控來控制風險的實際輸出功率。傳統(tǒng)的變頻方式是結(jié)合各生產(chǎn)階段的實際情況，對風機進行有效替換。但此種情況不僅會影響到礦山的生產(chǎn)效率，而且還會增加礦山生產(chǎn)的設(shè)備成本。相比較之下，應(yīng)用變頻節(jié)能技術(shù)不僅不需要對風機進行替換，提高風機的輸出功率控制效果，滿足各生產(chǎn)階段的實際要求，而且還可以有效降低風機的運行能耗，據(jù)科學研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用變頻節(jié)能技術(shù)后，風機的節(jié)能效果將可以達到20～40，并且風機的性能曲線還可以得到有效優(yōu)化，更符合礦山生產(chǎn)的實際操作要求。

結(jié)束語：隨著我們國家科技的不斷進步和發(fā)展，礦山行業(yè)的高科技也應(yīng)該被運用于礦山的生產(chǎn)中去，以此來滿足礦山的發(fā)展和進步，滿足礦山的生產(chǎn)效益，提高礦山的生產(chǎn)能力，并且降低其工作時的耗能。最后礦山行業(yè)的發(fā)展其實跟我們的日常生活是息息相關(guān)的，通過變頻調(diào)速技術(shù)的運用提高礦山行業(yè)的工作效率，提高礦山開采的安全性，為我國的能源帶來強有力的穩(wěn)定供給。