礦山機(jī)電設(shè)備中變頻控制技術(shù)原理及應(yīng)用探析

崔慶美

（玉溪飛亞礦業(yè)開發(fā)管理有限責(zé)任公司，云南 玉溪 653100）

礦山采礦中所應(yīng)用的設(shè)備較為多樣，整體采礦作業(yè)機(jī)電系統(tǒng)極為復(fù)雜，需要以自動(dòng)化的形式，對(duì)機(jī)電設(shè)備予以控制，才能保證設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。而變頻控制技術(shù)是自動(dòng)控制技術(shù)體系中一個(gè)重要組成部分，因此，為了更好地實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備自動(dòng)控制，必須深入研究變頻技術(shù)的原理，并總結(jié)出科學(xué)、有效的技術(shù)應(yīng)用方案，以提升礦山機(jī)電設(shè)備的自動(dòng)化作業(yè)水平。

1 礦山機(jī)電設(shè)備中變頻控制技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

從總體上來(lái)看，變頻控制技術(shù)在礦山機(jī)電設(shè)備控制中運(yùn)用的主要優(yōu)勢(shì)在于以下幾個(gè)方面：第一，生產(chǎn)效益方面，變頻控制技術(shù)可以讓設(shè)備運(yùn)行更加靈活，而且變頻控制系統(tǒng)支持速度調(diào)節(jié)、自動(dòng)化控制、遠(yuǎn)程控制、啟停控制等大部分機(jī)電自動(dòng)控制功能，因此，在該技術(shù)的助力下，機(jī)電運(yùn)行管理所需的人力資源數(shù)量將急劇減少，實(shí)現(xiàn)了成本的壓縮，同時(shí)，該技術(shù)可以讓系統(tǒng)在不需要工作的時(shí)候，進(jìn)入低功率狀態(tài)，減少了能耗，提高了成本控制力度，由此為企業(yè)創(chuàng)造了更大的生產(chǎn)效益空間；第二，作業(yè)狀態(tài)方面，目前為止，變頻控制技術(shù)以及配套設(shè)施的發(fā)展已經(jīng)達(dá)到了比較成熟的水平，在礦山機(jī)電設(shè)備控制中具有較強(qiáng)的可行性，而且故障幾率較低，能夠保證各項(xiàng)控制功能的可靠運(yùn)作，因此，可以使設(shè)備作業(yè)狀態(tài)更加穩(wěn)定；第三，環(huán)保方面，伴隨著能量的消耗，機(jī)電設(shè)備通常會(huì)向外釋放大量的煙氣，導(dǎo)致環(huán)境污染，而變頻控制具有降低能耗的作用，可以減少污染氣體排放。此外，變頻控制技術(shù)對(duì)機(jī)電設(shè)備功率的控制，能夠極大地減少機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行磨損，控制后期運(yùn)維帶來(lái)的能耗以及污染。

2 礦山機(jī)電設(shè)備中變頻控制技術(shù)原理

2.1 變頻控制基礎(chǔ)原理

變頻控制有兩種模式，第一種為將直流電轉(zhuǎn)化為不同頻率的交流電。第二種為將交流電轉(zhuǎn)化為直流電，之后再轉(zhuǎn)化為不同頻率的交流電，但無(wú)論以哪種模式實(shí)現(xiàn)變頻控制，變頻控制技術(shù)的基礎(chǔ)原理均為：在不改變電能的情況下，改變電流頻率，由此改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)運(yùn)行的控制。其中，逆變方式的基礎(chǔ)原理為，根據(jù)傅里葉級(jí)數(shù)公式，uo=4Ud/π，可知，電壓的變化會(huì)改變基波幅值，而幅值決定電流的頻率，然后基于此，構(gòu)建一個(gè)橋式逆變電路，通過(guò)控制電路中的開關(guān)開合，改變電壓，以引起基波幅值的變化，最終改變電流頻率，實(shí)現(xiàn)逆變。但如果涉及到交流電向直流電的轉(zhuǎn)化，那么在變頻控制基礎(chǔ)原理中，除了包含逆變?cè)韮?nèi)容以外，還包含整流原理內(nèi)容。在此過(guò)程中，整流原理為，通過(guò)利用整流電路中開關(guān)的開合，改變電流頻率，使交流電轉(zhuǎn)化成為直流電，實(shí)現(xiàn)整流。此外，在變頻控制技術(shù)基礎(chǔ)原理中，控制運(yùn)行部分的基礎(chǔ)原理可以被概括為公式，，其中，n為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、p為極對(duì)數(shù)、f為電流頻率、k為滑差系數(shù)。由此可見，n受f所影響，因此，可以通過(guò)變化電流頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)變頻控制。

2.2 交流變頻控制技術(shù)原理

在變頻控制技術(shù)中，交流變頻控制技術(shù)是其中一個(gè)重要組成部分，總體上來(lái)說(shuō)，該技術(shù)的基礎(chǔ)原理可以被闡釋為公式，同步轉(zhuǎn)速表達(dá)式、異步電機(jī)轉(zhuǎn)差率定義式，異步電機(jī)轉(zhuǎn)速表達(dá)式。但如果從細(xì)化的技術(shù)基礎(chǔ)原理層面上來(lái)看，需要將該技術(shù)分為三種類型，即恒壓頻比控制技術(shù)、矢量控制技術(shù)、直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)。其中，恒壓頻比控制技術(shù)原理為，將相電勢(shì)近似為定子相電壓，然后通過(guò)控制定子相電壓，保持電動(dòng)勢(shì)與頻率之間的比值恒定，由此，使調(diào)速控制時(shí)，氣隙磁通更加恒定，實(shí)現(xiàn)恒壓頻比控制，增強(qiáng)變頻控制功能的穩(wěn)定性。矢量控制技術(shù)原理為，通過(guò)運(yùn)用VFD對(duì)三相交流電機(jī)進(jìn)行控制，來(lái)操控變頻器的輸出電壓、功率等矢量，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的變頻控制。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的原理為，通過(guò)直接控制馬達(dá)的磁通、轉(zhuǎn)矩，來(lái)控制馬達(dá)的速度，由此改變電路頻率，實(shí)現(xiàn)機(jī)電控制。根據(jù)上述理論論述，變頻控制技術(shù)的運(yùn)用可以有效改善電網(wǎng)、控制系統(tǒng)、電機(jī)的運(yùn)行水平，如減小啟動(dòng)電流、啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)影響較小等。

2.3 整體變頻控制技術(shù)原理

如果從礦山機(jī)電設(shè)備體系的整體來(lái)看，變頻控制技術(shù)原理可以被宏觀地闡釋為：當(dāng)技術(shù)配套物理結(jié)構(gòu)接收到工頻信號(hào)后，物理結(jié)構(gòu)會(huì)將該工頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為可以被識(shí)別、讀取的工頻信號(hào)，然后按照信號(hào)中所表述的控制指令，運(yùn)用逆變器，將直流電轉(zhuǎn)化為既定頻率的交流電，由此控制機(jī)電的轉(zhuǎn)速，達(dá)到機(jī)電設(shè)備控制的效果。基于上述對(duì)技術(shù)原理的闡釋，可以了解到，運(yùn)用該控制技術(shù)，僅需要在電源系統(tǒng)中設(shè)置一個(gè)逆變器以及工頻信號(hào)識(shí)別裝置，作為技術(shù)配套的物理結(jié)構(gòu)，即可有效運(yùn)用此技術(shù)，完成礦山作業(yè)中復(fù)雜機(jī)電設(shè)備的控制，并借此減低作業(yè)能耗、改善作業(yè)效益水平。但需要根據(jù)所用的具體控制技術(shù)，如矢量控制技術(shù)、恒壓頻比控制技術(shù)等，來(lái)選用相應(yīng)的技術(shù)物理結(jié)構(gòu)，由此保證上述技術(shù)原理的有效落實(shí)。

3 礦山機(jī)電設(shè)備中變頻控制技術(shù)應(yīng)用

3.1 提升系統(tǒng)機(jī)電設(shè)備應(yīng)用

在變頻控制技術(shù)的應(yīng)用中，最早人們構(gòu)建逆變回路時(shí)，會(huì)設(shè)置一個(gè)電阻接入回路部分，并通過(guò)控制回路內(nèi)鼓型控制器，在回路中將電阻接入、隔離，以改變電流頻率，由此運(yùn)行變頻控制技術(shù)。但事實(shí)上，電阻的接入勢(shì)必會(huì)帶來(lái)一部分電能的損耗，使該技術(shù)的能耗控制作用受到限制，而且很容易在提升設(shè)備調(diào)速時(shí)，出現(xiàn)低頻電流的問(wèn)題，影響了設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。為此研發(fā)出了一種基于邏輯關(guān)系構(gòu)建出的逆變回路，這種逆變回路主要依靠繼電器來(lái)完成電流頻率的調(diào)控，消除了電阻接入造成的電能損耗，而繼電器則遵循既定的程序運(yùn)行，同時(shí)，工作者可以通過(guò)編程的方式，為繼電器的運(yùn)行設(shè)置程序，由此實(shí)現(xiàn)了考慮具體控制需求的變頻控制技術(shù)。由于繼電器對(duì)程序的識(shí)別，主要依靠于將梯形圖轉(zhuǎn)化為控制電路圖，所以工作者運(yùn)用梯形圖這種較為簡(jiǎn)單的方式，即可完成編程，提高了技術(shù)的可行性[1]。

3.2 皮帶系統(tǒng)機(jī)電設(shè)備應(yīng)用

在礦山機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)中，皮帶設(shè)備屬于金屬、非金屬礦山水平傳送設(shè)備，由于大部分礦山的開礦區(qū)域規(guī)模較大，因此，水平傳送路程也比較遠(yuǎn)，這在很大程度上增加了皮帶系統(tǒng)的能耗，凸顯出了變頻控制技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值。在變頻控制技術(shù)應(yīng)用中，為了達(dá)到良好的控制效果，需要讓變頻控制系統(tǒng)根據(jù)負(fù)載的變化，進(jìn)行輸出頻率、力矩的調(diào)整，因此，工作者應(yīng)根據(jù)：

等公式，開展繼電器編程，然后通過(guò)控制繼電器的運(yùn)行，使逆變器的輸出電流狀態(tài)，符合皮帶機(jī)電系統(tǒng)控制需求，由此，達(dá)到預(yù)期的控制效果。就目前來(lái)看，變頻控制技術(shù)在此處的應(yīng)用，能夠使礦山作業(yè)節(jié)約大量的電力，而且消除了上下軸出力不均勻，造成的工作輥偏移、皮帶偏移等問(wèn)題，改善了皮帶機(jī)電系統(tǒng)的使用性能，有助于礦山生產(chǎn)作業(yè)水平的發(fā)展[2]。

3.3 通風(fēng)系統(tǒng)機(jī)電設(shè)備應(yīng)用

通風(fēng)系統(tǒng)是保證礦井內(nèi)作業(yè)安全的重要設(shè)備，而長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷的運(yùn)作容易加劇設(shè)備的磨損，增加故障幾率。由此人們會(huì)運(yùn)用變頻控制技術(shù)，根據(jù)風(fēng)量需求，對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)作功率進(jìn)行控制，控制長(zhǎng)期高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)下，形成的故障風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)，也能夠借此，來(lái)降低通風(fēng)設(shè)備的能耗量，以達(dá)到更好的設(shè)備運(yùn)行效果。此外通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行中，工作者還可以采用遠(yuǎn)程控制的方式，對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控，以消除地理位置束縛對(duì)通風(fēng)控制工作時(shí)效性的影響，由此大幅度減少通風(fēng)不暢事故發(fā)生的幾率，壓縮此方面的人力資源消耗量。

3.4 采礦系統(tǒng)機(jī)電設(shè)備應(yīng)用

采礦機(jī)電是礦山作業(yè)機(jī)電設(shè)備體系中的核心設(shè)備，其負(fù)責(zé)進(jìn)行具體的礦石開采工作。從整體上來(lái)看，該設(shè)備的運(yùn)行行為較為復(fù)雜，因此，變頻控制技術(shù)通常與PLC技術(shù)等自動(dòng)化控制技術(shù)共同應(yīng)用，在技術(shù)的應(yīng)用中，需要將變頻控制配套設(shè)施接入到自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，并通過(guò)接收、識(shí)別中控系統(tǒng)下達(dá)的指令，來(lái)運(yùn)行繼電器，使逆變器的輸出電流能夠控制指令要求，實(shí)現(xiàn)變頻控制。

3.5 井下絞車機(jī)電設(shè)備應(yīng)用

在井下絞車機(jī)電設(shè)備應(yīng)用中，借助變頻控制技術(shù)，工作者可以在電源660V、頻率50HZ的前提下，將井下絞車的輸出功率靈活控制在0～50之間。但考慮到整體電網(wǎng)供電運(yùn)行，必須將電壓控制范圍設(shè)置在-15%～10%，并將頻率控制范圍設(shè)定在-2.5%～2.5%，以免變頻控制運(yùn)行影響其他設(shè)備的作業(yè)。但由于絞車設(shè)備在低頻運(yùn)行時(shí)容易出現(xiàn)元件過(guò)熱問(wèn)題，因此，在運(yùn)用該控制技術(shù)時(shí)，還需做好配套冷卻輔助裝置的設(shè)置，保持絞車設(shè)備在變頻控制下的良好運(yùn)行狀態(tài)。此外，目前礦山自動(dòng)化作業(yè)水平的發(fā)展，讓PLC等自動(dòng)化技術(shù)逐步被引入到井下絞車機(jī)電設(shè)備的運(yùn)作管理中，所以在此處，變頻控制技術(shù)也經(jīng)常與電氣自動(dòng)化技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用。

3.6 鏟運(yùn)機(jī)及礦山輔助機(jī)電設(shè)備應(yīng)用

鏟運(yùn)機(jī)、礦山輔助機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行控制也是變頻控制技術(shù)常用領(lǐng)域。在技術(shù)應(yīng)用中，可以將變頻控制系統(tǒng)設(shè)置到整體的中控系統(tǒng)中，讓變頻控制系統(tǒng)能夠按照中控系統(tǒng)統(tǒng)籌得出的控制方案，對(duì)鏟運(yùn)車、礦山輔助機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行行為進(jìn)行控制，以確保上述兩種設(shè)備能夠按照人們的需求，進(jìn)行自動(dòng)化運(yùn)行，同時(shí)，由于中控系統(tǒng)支持人工操作，因此，工作者還可以根據(jù)實(shí)際情況，以人工操作的方式，直接向變頻控制系統(tǒng)下發(fā)指令，由此操控鏟運(yùn)機(jī)、輔助機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行，提高控制系統(tǒng)的靈活性。

4 結(jié)論

綜上所述，增強(qiáng)變頻控制技術(shù)的應(yīng)用效果，有助于礦山機(jī)電系統(tǒng)的建設(shè)優(yōu)化。在礦山開采中，借助合理的變頻控制技術(shù)方案，來(lái)管控配套機(jī)電設(shè)備的運(yùn)作，可以保證機(jī)電運(yùn)作的準(zhǔn)確性、壓縮人力資源成本、規(guī)避工作者人身安全風(fēng)險(xiǎn)、改善礦山開采機(jī)電設(shè)施條件，從而獲得更好的開采作業(yè)效果，為煤礦生產(chǎn)水平發(fā)展的加快推進(jìn)夯實(shí)基礎(chǔ)。