煤礦機電設(shè)備中變頻節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用分析

何曉軍

（陜西陜煤銅川礦業(yè)有限公司下石節(jié)煤礦，陜西 銅川 727101）

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(dāng)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(biāo)，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)的概念及其技術(shù)原理分析

（一）概念

對于變頻技術(shù)來說，其是一種將固定頻率的交流電源借助于電子器件進行轉(zhuǎn)換，以使交流電具備多種不同的頻率。交流電源在進行不同頻率交流電轉(zhuǎn)化時，其電能變化幾乎可以忽略不計，這種變化主要體現(xiàn)在電流頻率方面?？衫靡韵聰?shù)學(xué)公式來對交流電動機轉(zhuǎn)速進行描述，即N ＝60f/p(1－s)。工頻電源在運轉(zhuǎn)過程中，如果電源頻率升高至50Hz，則電動機的額定轉(zhuǎn)速也會隨之達到100%，依據(jù)電源在頻率上所具有的線性變化規(guī)律，并結(jié)合頻率調(diào)節(jié)要求，便可對機電設(shè)備進行無級調(diào)速。對于煤礦機電設(shè)備來說，其軸功率會因轉(zhuǎn)速的改變而發(fā)生變化，而這也為機電設(shè)備的節(jié)能改造提供了一個新的思路。

（二）技術(shù)原理

對于煤礦機電設(shè)備來說，其在運行過程中會產(chǎn)生很大功率，而且功率還會出現(xiàn)上下波動，這也使人們可以利用這一特點來對煤礦機電設(shè)備進行變頻調(diào)節(jié)，以此達到節(jié)能目的。根據(jù)物理學(xué)中的流體力學(xué)原理可以了解到，機電設(shè)備流量和其轉(zhuǎn)速也是呈現(xiàn)出正比關(guān)系的，而設(shè)備壓力則和轉(zhuǎn)速的平方值呈現(xiàn)出正比例關(guān)系，這樣便可推斷出機電設(shè)備的軸功率和轉(zhuǎn)速是呈立方比關(guān)系的。如果想要機電設(shè)備的運行效率保持不變，當(dāng)其流量下降時，便可通過降低設(shè)備轉(zhuǎn)速的方式來達到該目的，通過運用變頻技術(shù)，可使機電設(shè)備的軸功率以立方關(guān)系下降，這便實現(xiàn)了對電能的節(jié)約。當(dāng)采礦人員直接啟動煤礦機電設(shè)備時，則電機在輸出瞬間的電流可達到正常電流的四至八倍，如此強大的電流勢必會給沖擊電網(wǎng)，從而產(chǎn)生母線電壓降低保護動作，這便需要提高電網(wǎng)容量。并且，煤礦機電設(shè)備在啟動時，其功率因數(shù)是非常低的，這會使系統(tǒng)資源產(chǎn)生不必要的浪費，而通過變頻技術(shù)的運用，則可使設(shè)備采取軟啟動的方式來提高功率因數(shù)，這樣便可減少電網(wǎng)受到?jīng)_擊的可能性，從而真正實現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。通過運用變頻技術(shù)，因其是采取功率器和濾波電容器觸發(fā)的方式來進行頻率調(diào)節(jié)的，這便減少了無功功率的產(chǎn)生，從而使電網(wǎng)能夠提供更多的有功功率，并由此達到節(jié)能目的。

二、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(xué)軸來進行象限劃分，可將象限分成四個，分別是正轉(zhuǎn)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。

三、變頻節(jié)能技術(shù)在煤礦機電設(shè)備中的應(yīng)用分析

煤礦機電設(shè)備中要想靈活的應(yīng)用變頻節(jié)能技術(shù)，就需要做到具體問題具體分析，不同類型機電設(shè)備對于變頻節(jié)能技術(shù)的運用要求是不同的，其具體可以從以下方面著手：

（一）變頻節(jié)能采煤機的整體應(yīng)用

采煤機是煤礦開采工作實施的基礎(chǔ)所在，一般情況下，采煤機有三個核心系統(tǒng)，即電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和機械系統(tǒng)，變頻節(jié)能技術(shù)應(yīng)用于采煤機中，主要是對這三個系統(tǒng)進行優(yōu)化和調(diào)整，進而達到采煤機節(jié)能的目的。如果從組成成分分類，采煤機又可以被分為截割部、裝載系統(tǒng)、牽引裝置的部分。首先，對于截割部來說，針對礦井下不同類型的工作面其功率要求也有著細微的差異，因此就需要結(jié)合具體情況對功率進行調(diào)設(shè)，比如說采煤機功率比較小的情況下，截割機的功率比較小，那么可能就會導(dǎo)致截割費時費力，進而在無形間增加工作量，造成不必要的能源消耗，應(yīng)用變頻節(jié)能技術(shù)，對截割功率進行靈活調(diào)整，可以更好地優(yōu)化切割質(zhì)量，提高工作效率。針對裝載系統(tǒng)，在應(yīng)用變頻技術(shù)時，則需要結(jié)合采煤量對運行功率進行調(diào)節(jié)控制，要保證裝載速度與采煤速度彼此能夠密切配合，如果裝載速度慢于采煤速度，那么可能會導(dǎo)致大量煤炭資源難以及時被裝載，這樣使得會對開采效率產(chǎn)生影響。針對牽引裝置，關(guān)鍵在于對牽引力進行合理的控制，牽引力控制不合理的情況，牽引裝置的功用可能難以有效發(fā)揮出來，這樣必將會對設(shè)備的有效應(yīng)用產(chǎn)生不良影響。一般來說，牽引裝置運行期間，牽引力充足的情況下，應(yīng)當(dāng)最大限度降低對電力資源的消耗，設(shè)備運行時，要控制好運行時間，因為采煤機并非是在所有情況下都需要滿負荷運行的，所以說，在其沒有滿負荷運行的情況下，可以借助變頻技術(shù)對負荷進行優(yōu)化調(diào)整，以便更好地延長設(shè)備使用壽命。

（二）變頻節(jié)能技術(shù)在風(fēng)機設(shè)備中的應(yīng)用分析

在煤礦開采過程中，由于礦井下存在有大量的有害氣體，為了保證煤礦開采的安全性，必須要長時間使用風(fēng)機對有害氣體進行稀釋，否則的話，這些氣體必將對施工人員的人身安全造成較大的影響，所有煤礦井下工作，風(fēng)機的使用必須的，其可以對礦井下的空氣進行優(yōu)化調(diào)節(jié)，保證井下工作人員的安全。而在井下工作期間，井下空氣環(huán)境處于不斷變動的狀態(tài)，因此，風(fēng)機設(shè)備在應(yīng)用時應(yīng)當(dāng)使用不同功能，這樣才能更好地發(fā)揮設(shè)備作用。將變頻節(jié)能技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)機設(shè)備之中，可以靈活地對風(fēng)機設(shè)備功能進行優(yōu)化調(diào)整，這樣礦井下空氣質(zhì)量可以得到更好的保障，還可以減輕風(fēng)機設(shè)備運行的壓力，因為如果風(fēng)機設(shè)備長期高功率、高負荷的運行，那么設(shè)備損耗幾率就將會增大，而變頻節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用，則可以有效降低設(shè)備損耗。在風(fēng)機設(shè)備應(yīng)用期間，為了深入了解煤礦內(nèi)空氣質(zhì)量是否達到標(biāo)準(zhǔn)要求，還可以嘗試將風(fēng)機設(shè)備與空氣質(zhì)量檢測設(shè)備聯(lián)系在一起，實時檢測井下空氣狀況，分析何時需要應(yīng)用風(fēng)機設(shè)備，然后靈活應(yīng)用，這樣可以有效的降低能耗。當(dāng)前，節(jié)能變頻技術(shù)在風(fēng)機設(shè)備中的應(yīng)用相對來說還是比較成熟，其在我國大部分礦井內(nèi)都有所應(yīng)用。

（三）變頻節(jié)能技術(shù)在提升機中的應(yīng)用

在煤礦開采期間，針對礦井類型的礦山，為了保證煤礦開采工作順利實施，提高煤炭資源的開采質(zhì)量和效率，提升機的應(yīng)用是必不可少，煤礦提升機的主要作用是將井下煤礦運輸?shù)骄?，在煤礦開采期間，提升機通常需要不間斷的運行，但是在其運行期間并非都是滿載的，其一般是滿載與空載交替運行，這種情況下，就可以應(yīng)用變頻節(jié)能技術(shù)，針對提升機滿載/空載的不同情況，對功率進行調(diào)整，將該技術(shù)與智能化操作平臺結(jié)合在一起，這樣在滿載與空載情況下提供不同的功率，既可以有效地保證設(shè)備運行效率和質(zhì)量，還能夠降低提升機運行期間消耗的電能，節(jié)約能源資源。

（四）變頻技術(shù)在皮帶機中的應(yīng)用

皮帶機是煤礦資源運輸不可或缺的設(shè)備之一，其可以持續(xù)不斷的將礦山中的煤炭運送到地面，但是在設(shè)備具體運行過程中，皮帶機的荷載并非是一成不變的，某些情況下皮帶機的荷載比較高，某些情況下荷載則比較低，但是無論荷載如何變化，其所消耗的電能資源都是相同的，所不同的是高荷載的情況下，電能資源得到了充分利用，而低荷載的情況下，電能資源則被較大的浪費。針對這種現(xiàn)象，當(dāng)前最為有效的措施就是將變頻技術(shù)與皮帶機融合在一起，結(jié)合不同的運輸需要，對皮帶機的功率進行優(yōu)化調(diào)整，這樣可以有效的優(yōu)化皮帶機使用效果。

（五）變頻節(jié)能調(diào)節(jié)下的負載荷設(shè)備應(yīng)用

變頻負載荷技術(shù)應(yīng)用時，可以根據(jù)風(fēng)機、泵的變頻調(diào)速過程，關(guān)注風(fēng)機變頻調(diào)速技術(shù)的整體應(yīng)用普遍操作。但是要做好該項工作，相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員就應(yīng)當(dāng)逐步加強變頻調(diào)速設(shè)備的研發(fā)，重點研發(fā)煤礦特殊采集環(huán)境之下的變頻設(shè)備操作。結(jié)合風(fēng)機運行的轉(zhuǎn)速操作要求，可以逐步改造調(diào)整，優(yōu)化其整體性能。在改造工作實施之前，需要深入了解風(fēng)機運行的各項基本情況，調(diào)整風(fēng)壓、風(fēng)量等，在改造完成之后需要對輸出功率進行檢查和分析，這樣可以有效節(jié)約電能資源。在水泵控制調(diào)節(jié)下，需要對設(shè)備進行變頻調(diào)速節(jié)能處理。結(jié)合生產(chǎn)工藝系統(tǒng)的實際控制構(gòu)成情況來看，在對產(chǎn)品進行調(diào)節(jié)時，應(yīng)當(dāng)提升調(diào)節(jié)的靈活度，要保證在變頻節(jié)能技術(shù)的支持之下，水泵可以靈活運用，結(jié)合實際需要逐步減少平滑和減速的時間，調(diào)整外部環(huán)境的受限水平，結(jié)合井下的液體位置高度變化情況，最大限度地壓縮水泵空轉(zhuǎn)時間，這樣做也可以有效減少水泵運行所需的能耗，避免設(shè)備在運行期間不必要的損耗，延長設(shè)備使用壽命，提升機電設(shè)備的整體生產(chǎn)效益，促使煤礦開采更好地推行。

結(jié)束語

總而言之，在煤礦機電設(shè)備中應(yīng)用變頻節(jié)能技術(shù)，能夠切實節(jié)約機電設(shè)備對電能、水能等資源能源的消耗，從而在保持機電設(shè)備穩(wěn)定運行的同時延長機電設(shè)備的使用壽命，降低開采成本，增長礦產(chǎn)開采生產(chǎn)的經(jīng)濟收益。現(xiàn)階段，我國各類科技發(fā)展都處于快速發(fā)展的階段，國家層面也對于科技研發(fā)、技術(shù)實踐予以了大量的財力支持、人才支援。相信在不遠的未來，中國就能成為能源技術(shù)應(yīng)用強國。