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

李興林

（陜西銀河煤業(yè)開(kāi)發(fā)有限公司，陜西 榆林 719000）

現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，使人們生活水平提高的同時(shí)，對(duì)煤炭資源的需求量也日益增長(zhǎng)，這使得越來(lái)越多的煤礦企業(yè)逐步擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，通過(guò)改造煤礦機(jī)電設(shè)備來(lái)提高原煤產(chǎn)量。當(dāng)然，煤礦企業(yè)在對(duì)煤礦機(jī)電設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造過(guò)程中，人們也越來(lái)越重視煤礦機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行可靠性與穩(wěn)定性。電耗作為煤礦成本中的一項(xiàng)重要構(gòu)成指標(biāo)，在煤礦機(jī)電設(shè)備改造中必須要盡可能降低噸煤電耗量，這對(duì)整個(gè)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(jī)電設(shè)備改造工作中，可使其能源消耗得到大幅降低，進(jìn)而使機(jī)電設(shè)備取得更高的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，有效延長(zhǎng)了煤礦機(jī)電設(shè)備的使用壽命，保證了其運(yùn)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(rùn)。

一、變頻節(jié)能技術(shù)及其應(yīng)用原理

現(xiàn)如今，各國(guó)對(duì)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(kāi)采會(huì)耗費(fèi)大量的電能，進(jìn)而進(jìn)入一種高效能的死循環(huán)。因此，我國(guó)大力開(kāi)發(fā)研究變頻節(jié)能技術(shù)在煤礦機(jī)電設(shè)備中的應(yīng)用，如今在煤礦生產(chǎn)中的采煤機(jī)、提升機(jī)、流體負(fù)荷設(shè)備、風(fēng)機(jī)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(jī)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(chǎng)環(huán)境的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是利用半導(dǎo)體元件的通斷作用，將工頻電流的信號(hào)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(jìn)行交流電壓的頻率轉(zhuǎn)換設(shè)置，從而使得電流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源能夠獲得無(wú)級(jí)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(lèi)繁多，需要相關(guān)企業(yè)根據(jù)實(shí)際情況與條件進(jìn)行選擇安裝。

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

（一）提高經(jīng)濟(jì)效益

首先，變頻節(jié)能技術(shù)應(yīng)用于煤炭機(jī)電設(shè)備，可以通過(guò)改變電頻適應(yīng)煤炭機(jī)電設(shè)備的工作，減少機(jī)器的磨損，增強(qiáng)機(jī)器的靈活性與實(shí)用性。煤礦機(jī)電設(shè)備是一些巨大的機(jī)器，工作原理復(fù)雜并且機(jī)器結(jié)構(gòu)繁雜，長(zhǎng)時(shí)間在不適宜的電流頻度及電壓下工作容易增加機(jī)器負(fù)擔(dān)，影響機(jī)器壽命，造成機(jī)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(jī)械的購(gòu)置，減少生產(chǎn)成本的投入。煤礦機(jī)電設(shè)備屬于大型機(jī)械，一旦購(gòu)置需要使用一定時(shí)間才能進(jìn)行更新，但是隨著煤電技術(shù)發(fā)展，會(huì)出現(xiàn)設(shè)備與技術(shù)不匹配現(xiàn)象，需要對(duì)設(shè)備機(jī)械進(jìn)行更新，變頻節(jié)能技術(shù)可以避免頻繁的更新機(jī)械，通過(guò)安裝變頻器就可以節(jié)省新機(jī)械的購(gòu)置費(fèi)用，減少成本。再次，煤礦機(jī)電工作人員在實(shí)際操作過(guò)程中，易操作，工序簡(jiǎn)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(jī)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(shí)現(xiàn)電能資源利用最大化，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的生產(chǎn)過(guò)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?gòu)U氣排放的功能，電流頻率與所需相符的情況下，減少機(jī)器磨損，是生產(chǎn)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)燃燒殆盡的效果，減少排放氣體中的殘余物質(zhì)，減少?gòu)U氣對(duì)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(shí)現(xiàn)機(jī)器設(shè)備的充分做功，保障機(jī)器在限度內(nèi)進(jìn)行工作，既能發(fā)揮最大作用又不會(huì)影響其設(shè)備本身。其次，變頻節(jié)能技術(shù)實(shí)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(jī)電設(shè)備的應(yīng)用，改善設(shè)備性能，并且突破限制對(duì)技術(shù)創(chuàng)新提出無(wú)限可能。

三、煤礦機(jī)電設(shè)備中變頻節(jié)能裝置的類(lèi)別

（一）礦用變頻器

考慮到變頻器是一種能夠調(diào)節(jié)機(jī)電設(shè)備輸出頻率的電子類(lèi)設(shè)備，這能夠幫助機(jī)電設(shè)備減少運(yùn)行能耗，從而使機(jī)電設(shè)備變得更加自動(dòng)化、智能化，同時(shí)相關(guān)人員也能夠在遠(yuǎn)程操作過(guò)程中變得更加便利。

（二）交流四象限變頻器

根據(jù)交流電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的機(jī)械性能變化情況，并利用數(shù)學(xué)軸來(lái)進(jìn)行象限劃分，可將象限分成四個(gè)，分別是正傳電動(dòng)狀態(tài)、反轉(zhuǎn)電動(dòng)狀態(tài)、回饋制動(dòng)狀態(tài)以及反接制動(dòng)狀態(tài)。無(wú)論電動(dòng)機(jī)處于哪個(gè)象限，其均可正常運(yùn)行，不過(guò)電動(dòng)機(jī)在正傳電動(dòng)狀態(tài)和反轉(zhuǎn)電動(dòng)狀態(tài)這兩個(gè)象限中的運(yùn)行是以電動(dòng)狀態(tài)存在的，而在回饋制動(dòng)狀態(tài)和反接制動(dòng)狀態(tài)這兩個(gè)象限中的運(yùn)行則呈現(xiàn)出發(fā)電狀態(tài)，電動(dòng)狀態(tài)和發(fā)電狀態(tài)的區(qū)別在于前者的能量消耗來(lái)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(dòng)機(jī)四象限中得以正常運(yùn)行，對(duì)于這類(lèi)變頻器，也稱為交流四象限變頻器，通過(guò)將交流四象限變頻器運(yùn)用到具備位勢(shì)負(fù)載特性的電動(dòng)機(jī)中，能夠使電動(dòng)機(jī)隨著系統(tǒng)勢(shì)能的增加或減少而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)狀態(tài)和發(fā)電狀態(tài)的切換。在沒(méi)有應(yīng)用交流四象限變頻器之前，許多能量都會(huì)通過(guò)電阻發(fā)熱的方式被損耗掉，這便造成了大量能量的浪費(fèi)，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(dòng)機(jī)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(dòng)過(guò)程時(shí)，可以通過(guò)四象限變頻器中內(nèi)置的功率模塊來(lái)達(dá)到雙向流動(dòng)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(jì)60年代，當(dāng)時(shí)社會(huì)對(duì)于無(wú)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(guò)晶閘管來(lái)實(shí)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(jí)，但以晶閘管為關(guān)鍵部件的變頻技術(shù)，其實(shí)際調(diào)速性能卻無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用要求。對(duì)于此問(wèn)題，部分學(xué)者研制出了脈寬調(diào)制變壓變頻技術(shù)，并在20世紀(jì)80年代時(shí)，美國(guó)和德國(guó)科學(xué)家就對(duì)相關(guān)算法進(jìn)行進(jìn)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(chǎng)中進(jìn)行普及。在進(jìn)入信息時(shí)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(jìn)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(kāi)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(dāng)今的先進(jìn)控制理論，不僅出現(xiàn)了諸如壓頻比等先進(jìn)控制技術(shù)，還可以實(shí)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(dòng)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(shí)際應(yīng)用過(guò)程中還表現(xiàn)出了極為優(yōu)秀的自動(dòng)化控制和節(jié)能降耗效果。并且，近些年來(lái)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(hào)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(lái)甚至可能會(huì)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(jī)電中的運(yùn)用

（一）變頻調(diào)速技術(shù)在膠帶輸送機(jī)中的應(yīng)用

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

（二）變頻節(jié)能技術(shù)在采煤機(jī)中的應(yīng)用

采煤機(jī)是一個(gè)煤礦進(jìn)行煤炭開(kāi)采挖掘中的必要設(shè)備。一個(gè)功能完備的采煤機(jī)應(yīng)包括電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)以及機(jī)械反應(yīng)系統(tǒng)。采煤機(jī)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(yùn)輸裝置以及其他機(jī)械控制系統(tǒng)。在采煤機(jī)中積極應(yīng)用變頻節(jié)能技術(shù)，有利于從以下三個(gè)方面來(lái)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(jìn)行切割，進(jìn)而高效的將大工作面下的煤炭納入裝載系統(tǒng)進(jìn)行后續(xù)的運(yùn)輸。而在切割面較小時(shí)，并可適當(dāng)調(diào)低功率，進(jìn)而節(jié)約能源。其次，就裝載系統(tǒng)而言，可以根據(jù)需運(yùn)輸?shù)拿禾繑?shù)量來(lái)調(diào)節(jié)其運(yùn)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(yùn)輸階段，其牽引力的大小不同。因此，運(yùn)輸裝置的頻率也應(yīng)進(jìn)行不同階段進(jìn)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(lái)，變頻節(jié)能式的采煤機(jī)能夠避免長(zhǎng)時(shí)間的超負(fù)荷運(yùn)作，降低其故障率，延長(zhǎng)其使用壽命。

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

流體負(fù)荷設(shè)備的變頻節(jié)能應(yīng)用，表現(xiàn)在風(fēng)機(jī)變頻與水泵變頻這兩部分上。與傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)做對(duì)比，變頻節(jié)能式的風(fēng)機(jī)具有最低轉(zhuǎn)速、目的性強(qiáng)、效果較優(yōu)的優(yōu)勢(shì)。因此，煤礦企業(yè)逐漸在自家的風(fēng)機(jī)中應(yīng)用變頻節(jié)能技術(shù)與調(diào)速功能。經(jīng)過(guò)改造的風(fēng)機(jī)，可以適應(yīng)當(dāng)前礦井下的特殊環(huán)境與條件，盡可能地節(jié)約礦井開(kāi)采的使用電能。另一部分就是在煤礦生產(chǎn)過(guò)程中的水泵中設(shè)置變頻節(jié)能技術(shù)。這樣一來(lái)，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(jìn)而大幅度地提高水泵用品的整體質(zhì)量。與此同時(shí)，變頻節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用有利于幫助抽水泵進(jìn)行平滑啟動(dòng)、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(guò)度使用都會(huì)導(dǎo)致電能的浪費(fèi)與耗用，變頻器的應(yīng)用能夠切實(shí)降低空轉(zhuǎn)對(duì)抽水泵的損耗，保障礦井的開(kāi)采活動(dòng)穩(wěn)定安全。

（四）變頻節(jié)能技術(shù)在風(fēng)機(jī)設(shè)備中的應(yīng)用

風(fēng)機(jī)作為礦山生產(chǎn)中重要設(shè)備組成，其主要包括壓縮機(jī)、拖動(dòng)風(fēng)機(jī)等。在實(shí)際礦山生產(chǎn)過(guò)程中，風(fēng)機(jī)運(yùn)行所產(chǎn)生的能耗將會(huì)占據(jù)礦山生產(chǎn)機(jī)電設(shè)備總能耗的 40%～50%左右。結(jié)合實(shí)際情況來(lái)看，不同的礦山生產(chǎn)階段，對(duì)于風(fēng)機(jī)類(lèi)機(jī)電設(shè)備的實(shí)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(guò)技術(shù)調(diào)控來(lái)控制風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)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(shí)際情況，對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行有效替換。但此種情況不僅會(huì)影響到礦山的生產(chǎn)效率，而且還會(huì)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(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行替換，提高風(fēng)機(jī)的輸出功率控制效果，滿足各生產(chǎn)階段的實(shí)際要求，而且還可以有效降低風(fēng)機(jī)的運(yùn)行能耗，據(jù)科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用變頻節(jié)能技術(shù)后，風(fēng)機(jī)的節(jié)能效果將可以達(dá)到20～40，并且風(fēng)機(jī)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(shí)際操作要求。

結(jié)束語(yǔ)：隨著我們國(guó)家科技的不斷進(jìn)步和發(fā)展，礦山行業(yè)的高科技也應(yīng)該被運(yùn)用于礦山的生產(chǎn)中去，以此來(lái)滿足礦山的發(fā)展和進(jìn)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(shí)的耗能。最后礦山行業(yè)的發(fā)展其實(shí)跟我們的日常生活是息息相關(guān)的，通過(guò)變頻調(diào)速技術(shù)的運(yùn)用提高礦山行業(yè)的工作效率，提高礦山開(kāi)采的安全性，為我國(guó)的能源帶來(lái)強(qiáng)有力的穩(wěn)定供給。