礦山機電設(shè)備變頻控制技術(shù)分析

姜鵬

（國能榆林能源青龍寺煤礦,陜西 榆林 719400）

從前礦山企業(yè)主要為人工生產(chǎn)模式，生產(chǎn)效率低且安全風(fēng)險大，影響了行業(yè)的現(xiàn)代化。當(dāng)前技術(shù)進步的過程中，越來越多的礦山企業(yè)嘗試機械化作業(yè)，內(nèi)部配備的各種機電設(shè)備，使生產(chǎn)作業(yè)中不同設(shè)備可發(fā)揮其功能優(yōu)勢，在相互配合中完成了生產(chǎn)任務(wù)。但很多礦山企業(yè)機電設(shè)備的運行能耗較高，不符合節(jié)能目標(biāo)。為發(fā)揮機電設(shè)備的功能、性能等優(yōu)勢，為礦山企業(yè)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟、社會效益，各企業(yè)需合理引入變頻控制技術(shù)，用于控制機電設(shè)備的運行，提高機電設(shè)備運行安全性、可靠性。

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

礦山企業(yè)內(nèi)機電設(shè)備的類型繁多，每種設(shè)備都有其特殊的運行特點及功能優(yōu)勢，以這些為基準(zhǔn)合理應(yīng)用變頻控制技術(shù)，能發(fā)揮變頻調(diào)節(jié)的優(yōu)勢，具體表現(xiàn)在以下方面：（1）生產(chǎn)效益。變頻控制技術(shù)下機電設(shè)備可靈活、高效運行，該技術(shù)兼具速度調(diào)節(jié)、自動化控制、遠程控制功能，這些功能特點下可由自動化模塊完成，很多部分不再需要人工完成，節(jié)約了這部分的人工費用；系統(tǒng)不工作時機電設(shè)備處于低功率狀態(tài)，能耗偏低，也有助于控制成本，為礦山企業(yè)創(chuàng)造更大的生產(chǎn)效益，使企業(yè)有更大的利潤空間。（2）作業(yè)狀態(tài)。技術(shù)穩(wěn)步發(fā)展的過程中，變頻控制技術(shù)取得了顯著成就，進入了相對成熟的發(fā)展階段，這一技術(shù)下增強了機電設(shè)備的運行可靠性，降低設(shè)備故障，使各種機電設(shè)備保持最佳運行狀態(tài)。（3）節(jié)能降耗。變頻控制的靈活性高，控制模塊能在設(shè)備運行中依據(jù)狀態(tài)、參數(shù)等信息自動調(diào)節(jié)，降低設(shè)備運行中的能耗，實現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。

2 變頻控制基礎(chǔ)原理

目前變頻控制技術(shù)有兩種模式：將直流電轉(zhuǎn)化為不同頻率的交流電、將交流電轉(zhuǎn)化為直流電，最后再轉(zhuǎn)化為不同頻率的交流電。實際的生產(chǎn)生活中無論選用哪一變頻控制模式，都能達到高效、精準(zhǔn)控制，其技術(shù)特點決定了其在很多領(lǐng)域都有較大的應(yīng)用潛力。變頻控制的原理為：電能固定，調(diào)節(jié)電流頻率，最終改變電機轉(zhuǎn)速，達到對電機的精確化、自動化控制。變頻控制期間逆變方式原理為：參考傅里葉級數(shù)公式，電壓變化時基波幅值有一定波動，而此幅值為決定電流頻率的關(guān)鍵因素，在這些關(guān)系下建立橋式逆變電路，合理調(diào)節(jié)電路的開關(guān)閉合，使電壓達到標(biāo)準(zhǔn)，使電壓調(diào)節(jié)期間基波幅值有所改變，通過電流頻率的調(diào)節(jié)達到逆變目標(biāo)。如實際的工作中存在交流電向直流電轉(zhuǎn)化過程，變頻控制基本原理中不僅涉及逆變內(nèi)容，還存在整流原理。整流原理為：在整流電路下完成開關(guān)開合，調(diào)整電流頻率，使交流電轉(zhuǎn)為直流電，達到整流目標(biāo)。

3 礦山機電設(shè)備中的變頻控制技術(shù)

3.1 提升機設(shè)備

礦山企業(yè)的生產(chǎn)作業(yè)中涉及多種機電設(shè)備，提升機設(shè)備僅為其中的一種。根據(jù)礦山生產(chǎn)作業(yè)特點，提升機可為物料、人員的運輸提供便捷，從運輸方面可保障安全性。具體應(yīng)用中，保持金屬電阻器、電動機轉(zhuǎn)子電路之間的可靠連接，再配備鼓型控制器或者接觸器，關(guān)閉電阻以調(diào)節(jié)速度。傳統(tǒng)的提升機在工作中如進入減速段或者為下降狀態(tài)，需動力制動直流電源或者低頻電源，操作不當(dāng)可能損壞設(shè)備，且設(shè)備運行中的能耗較高，安全風(fēng)險大，既不利于實現(xiàn)礦山企業(yè)的安全生產(chǎn)目標(biāo)，也無法為企業(yè)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟效益。而在現(xiàn)階段的條件下，將變頻控制技術(shù)應(yīng)用于提升機設(shè)備中，就是在提升驅(qū)動系統(tǒng)內(nèi)采用變頻技術(shù)，達到無級、平穩(wěn)加減速，優(yōu)化設(shè)備功能，提升設(shè)備性能。將變頻控制技術(shù)應(yīng)用于提升機設(shè)備時，其技術(shù)優(yōu)勢表現(xiàn)為：（1）借助編程器實現(xiàn)編程，由邏輯方式實現(xiàn)電子控制系統(tǒng)中的邏輯關(guān)系，將調(diào)控電路圖轉(zhuǎn)換到梯形圖；（2）外部線路控制的繼電器數(shù)量較少，可增強安全性與可靠性，降低故障率，后續(xù)的維護工作量少；（3）顯示屏操作、編程器的相互結(jié)合下能檢測系統(tǒng)故障；（4）控制精度顯著提高，擴展性增大，如需更改系統(tǒng)中的個別參數(shù)，只需要修改部分程序即可實現(xiàn)，硬件接線解除相對便捷；（5）如提升機在負力狀態(tài)，電動機形成的再生能量能被反饋給電網(wǎng)，節(jié)約了電力消耗。

3.2 皮帶機

礦山生產(chǎn)作業(yè)中皮帶機也為比較常見的機電設(shè)備，在此設(shè)備運行中功率略高于提升機，通過繞線電機，經(jīng)轉(zhuǎn)子繞組降壓啟動工頻巡行，由液力耦合器切換到皮帶機。操作過程中驅(qū)動輪轂的作用突出，在一定的摩擦力下能牽動皮帶，而皮帶在張力變形、摩擦力作用下，可依據(jù)規(guī)定在滾軸上轉(zhuǎn)動。在此過程中，轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻下的轉(zhuǎn)矩較大，機電設(shè)備兼具減壓、空載啟動功能，但一些情況下的啟動電流往往超出了正常值，增大了電網(wǎng)電壓風(fēng)險，不穩(wěn)定電壓對電機內(nèi)部的沖擊較大，電機散熱不佳，個別零部件損壞嚴(yán)重。由于啟動時間短，皮帶機運行過程中出現(xiàn)皮帶斷裂、老化故障的概率較高，為提高皮帶機運行的可靠性，對皮帶性能的要求較高，皮帶的堅固性要好，一旦有破損或者其他問題，需立即更換。液力耦合器工作中，隨著其工作時間的延長，內(nèi)部油溫明顯增大，易引起其他故障，后續(xù)處理故障的難度大、成本高，還可能伴隨環(huán)境污染、能耗浪費問題。而在當(dāng)下，在皮帶機中應(yīng)用變頻控制技術(shù)，可創(chuàng)新軟啟動、軟停止模式，大大增強皮帶機的運行效率。利用變頻控制改造了皮帶機系統(tǒng)后，皮帶機運行中的輸出頻率、轉(zhuǎn)矩均由調(diào)節(jié)負載來實現(xiàn)，改動電機前為工頻恒速運行模式，而改造后的變頻調(diào)速控制，能耗低，皮帶機功率因數(shù)基本在90%以上。

3.3 通風(fēng)機

由于礦山生產(chǎn)作業(yè)條件的復(fù)雜性，為滿足高效、安全生產(chǎn)的目標(biāo)，礦山企業(yè)必須配備通風(fēng)機來實現(xiàn)通風(fēng)目標(biāo)，以創(chuàng)造良好的作業(yè)條件。結(jié)合礦山企業(yè)的生產(chǎn)特點，通風(fēng)機保持長時間、高強度運行狀態(tài)。開采作業(yè)中，需通風(fēng)系統(tǒng)提供更多風(fēng)力，通風(fēng)機風(fēng)壓增大的過程中其功率、能耗都顯著增大，如缺乏有效控制，無法實現(xiàn)礦山企業(yè)的節(jié)能目標(biāo)。因此，現(xiàn)階段的礦井作業(yè)中有關(guān)人員必須密切關(guān)注通風(fēng)機的功率大小。市場上的部分通風(fēng)機中采用了變頻控制技術(shù)，當(dāng)?shù)V井作業(yè)中配備這類通風(fēng)機時，系統(tǒng)可根據(jù)巷道的風(fēng)量需求實現(xiàn)調(diào)速，控制效率高且能保障設(shè)備的高效運轉(zhuǎn)。通風(fēng)機中如調(diào)整變頻器，可實現(xiàn)變頻軟啟動，大大減小電流在設(shè)備的沖擊，啟動與停止控制更便捷。一般情況下，如在通風(fēng)機中配備變頻控制部分，可大大降低通風(fēng)機的運行速度、工作強度，使設(shè)備長時間維持在最佳狀態(tài)，降低故障頻次。另外，為保障電動機的轉(zhuǎn)速相同，正常情況下2 臺電動機的工作頻率應(yīng)一致，否則，可能產(chǎn)生風(fēng)阻影響通風(fēng)機風(fēng)險運行。

3.4 井下絞車電控系統(tǒng)

礦山機電設(shè)備也包含井下絞車，當(dāng)前很多礦山企業(yè)在生產(chǎn)作業(yè)中越發(fā)關(guān)注井下絞車電控系統(tǒng)的節(jié)能改造。依據(jù)絞車電控系統(tǒng)的工作情況，如輸入電源為660V，其頻率基本在50Hz 上下，為此，實際的工作中應(yīng)將調(diào)節(jié)輸出功率控制在0 ～50W，此情況下的電壓波動區(qū)間為-15%～+10%，頻率調(diào)控范圍在-120%～+120%，形成四象限運轉(zhuǎn)條件。部分井下絞車如采用變頻控制技術(shù)，電控系統(tǒng)兼具自動扭矩提高功能，如絞車維持低頻運轉(zhuǎn)狀態(tài)，電控系統(tǒng)可保持整體額定轉(zhuǎn)矩，起到過熱保護作用，增強絞車系統(tǒng)的安全性。另外，控制箱中的快開門方式，能凸顯雙PLC 全數(shù)字控制系統(tǒng)的功能優(yōu)勢，再加上不同硬件電路之間高度融合，為絞車工作提供了便捷。PLC系統(tǒng)運行中如出現(xiàn)故障，系統(tǒng)可臨時提升，避免故障處理不及時引發(fā)的其他問題。如電控系統(tǒng)有正常和穩(wěn)健操作工況，為保障這些工況下絞車正常運行，需合理設(shè)置保護設(shè)備，發(fā)揮設(shè)備的保護功能。過卷裝、限速裝置方面，為達到加速保護，需在系統(tǒng)內(nèi)引入雙線工作模式，此模式能獨立運行。如系統(tǒng)運行中未按照有關(guān)要求接收到信號，嚴(yán)禁直接啟動車，只有當(dāng)信號發(fā)出時間間隔在30d 以上的情況下，才可順利啟動車。根據(jù)實際經(jīng)驗，在井下絞車電控系統(tǒng)中采用變頻控制技術(shù)，可減少電能消耗，采用智能模塊一旦采集到過載或者超載信息，系統(tǒng)可立即斷電。通過變頻控制技術(shù)將故障自斷系統(tǒng)應(yīng)用于井下絞車電控系統(tǒng)，司機操作臺能顯示與故障相關(guān)的信息，如故障類型、位置、原因等，有關(guān)人員可根據(jù)這些信息快速處理故障，最快時間內(nèi)恢復(fù)井下絞車系統(tǒng)的正常運行。

3.5 采礦機

礦山開采作業(yè)過程中，采礦機承擔(dān)著重要的生產(chǎn)任務(wù)，因為礦山現(xiàn)場的環(huán)境條件負責(zé)，采礦機運行中往往受到環(huán)境條件的干擾，經(jīng)常出現(xiàn)故障或者其他異常。當(dāng)前部分礦山企業(yè)中采用了變頻控制技術(shù)，此技術(shù)下可實現(xiàn)設(shè)備的自動化控制，有關(guān)人員借助電腦、手機等設(shè)備可實時監(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài)，并依據(jù)設(shè)備參數(shù)等采取必要化調(diào)節(jié)措施，使采礦機保持正常運行狀態(tài)，維持正常的生產(chǎn)作業(yè)。變頻控制技術(shù)的優(yōu)越性明顯，在原先的采礦機工作中，一旦啟動電氣設(shè)備，瞬時電流異常大，可能損壞部分零部件，而變頻控制技術(shù)下幾乎無此問題，有關(guān)人員能在此技術(shù)下保持電流的穩(wěn)定性，從而使采礦機的運行速度、狀態(tài)等符合相關(guān)規(guī)定。從節(jié)能角度，變頻調(diào)速下采礦機的牽引速度正常且穩(wěn)定，能耗較低，符合節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。

3.6 井下水泵

礦山企業(yè)在生產(chǎn)作業(yè)中，井下水泵的作用也較為突出，此設(shè)備一般主要負責(zé)排水任務(wù)。礦井生產(chǎn)期間，在季節(jié)性因素影響下，不同時期的涌水量各有不同，而這些往往會干擾井下水泵的排水任務(wù)。因此，從礦井安全、高效生產(chǎn)的目標(biāo)著手，相關(guān)人員必須清晰了解用水量與水泵類型的關(guān)系。如在水泵中應(yīng)用變頻控制技術(shù)，可改變電機設(shè)備的功能與性能，因為礦井排水量與電機性能、工作狀態(tài)有關(guān)，相關(guān)人員可依據(jù)排水量情況合理調(diào)節(jié)電機運轉(zhuǎn)速度、功率，保障礦井排水能達到標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)揮水泵作用，降低水泵故障率，降低能耗。部分礦山企業(yè)的離心泵中采用了變頻控制技術(shù)，滿足了礦山給水、給液要求，抽水泵的控制、操作更便捷和高效，水泵運行期間，基本無急劇增速與減速情況，啟動與停止更為正常，系統(tǒng)靈敏度高、可靠性強。另外，離心泵中合理應(yīng)用變頻控制技術(shù)，還可最大程度上減小離心泵的機械沖擊作用，避免沖擊力過大引起設(shè)備損壞的情形，降低離心泵磨損程度，以免離心泵工作期間頻繁啟停、增減速。當(dāng)前的礦山生產(chǎn)作業(yè)中，主排水泵操作系統(tǒng)一般有遠程控制與就地控制兩種模式，該系統(tǒng)的驅(qū)動設(shè)備一般為就地模式，能直接控制泵機的電動閘開關(guān)，為設(shè)備的遠程控制創(chuàng)造條件。

3.7 鏟運機及礦山輔助機電設(shè)備

礦山生產(chǎn)作業(yè)中鏟運機、輔助機電設(shè)備也比較常見，這些機電設(shè)備與其他類型的機電設(shè)備相互配合，可維持正常的生產(chǎn)作業(yè)。當(dāng)前礦山企業(yè)內(nèi)部都在探索全新的發(fā)展路徑，一些企業(yè)在鏟運機和輔助機電設(shè)備中均采用了變頻控制技術(shù)，具體的應(yīng)用中可將變頻控制系統(tǒng)添加到整體的中控系統(tǒng)中，在機電設(shè)備進入運行階段后，變頻系統(tǒng)能動態(tài)監(jiān)測鏟運機、輔助機電設(shè)備的運行狀態(tài)，獲取設(shè)備的相關(guān)參數(shù)，達到自動化控制的目標(biāo)。另外，中控系統(tǒng)支持人工操作，現(xiàn)場有關(guān)人員可立足實際情況采用人工控制方式向變頻系統(tǒng)發(fā)送指令，以保障鏟運機、輔助機電設(shè)備良好的運行狀態(tài)。

3.8 渣漿泵

一些礦山企業(yè)內(nèi)配備有渣漿泵，此設(shè)備在運行過程中如缺乏科學(xué)控制，設(shè)備難以發(fā)揮其功能優(yōu)勢。依據(jù)礦山生產(chǎn)中渣漿泵的運行原理，借助離心驅(qū)動力將電能轉(zhuǎn)化為所需動能與勢能，設(shè)備的機械功率等級高，且功率大，運行中的能耗較高。井下作業(yè)中渣漿泵持續(xù)運行，電能消耗大，而引入變頻控制技術(shù)后可改變這一情況，降低渣漿泵的能耗，并為礦山企業(yè)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟與社會效益。如變頻控制下，渣漿泵加速模式有一定變化，智能控制程序可增強系統(tǒng)的安全性。

4 結(jié)語

變頻控制是當(dāng)下礦山領(lǐng)域關(guān)注的重點技術(shù)，此技術(shù)在現(xiàn)階段有所發(fā)展，但同樣存在一定的問題。各礦山企業(yè)需立足自身情況，將變頻控制技術(shù)應(yīng)用于機電設(shè)備中，發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢，形成全新的控制模式。未來相關(guān)人員還需持續(xù)研究變頻控制技術(shù)，以保持技術(shù)的先進性。