淺析礦山機(jī)電設(shè)備變頻控制技術(shù)

【摘要】變頻控制技術(shù)憑借其優(yōu)越的調(diào)節(jié)性能，在礦山的地面和井下的提升、通風(fēng)、采礦、運(yùn)輸、選擇等各種礦山機(jī)電設(shè)備控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。本文首先針對(duì)變頻控制技術(shù)基本原理進(jìn)行概述，然后再詳細(xì)闡明變頻控制技術(shù)在礦山機(jī)電設(shè)備當(dāng)中實(shí)踐應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】變頻控制；礦山機(jī)電；節(jié)能

0.引言

隨著國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子信息技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)、大功率輸出技術(shù)的迅猛發(fā)展，機(jī)電設(shè)備變頻技術(shù)同樣也得到了突破性的進(jìn)展，而當(dāng)今推崇的節(jié)約型、環(huán)保型社會(huì)，正是需要這樣的技術(shù)支持。眾所周知，對(duì)于采礦業(yè)而言，采礦時(shí)機(jī)電設(shè)備耗能比例相當(dāng)大，這無(wú)疑給人類(lèi)、環(huán)境都帶來(lái)了巨大的壓力，其中通風(fēng)、提升、壓氣等設(shè)備損耗的電能，有很大一部分都是白白浪費(fèi)掉的。變頻控制技術(shù)的出現(xiàn)，在很大程度上解決了節(jié)能的問(wèn)題，隨著礦山礦業(yè)持續(xù)發(fā)展，此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用也越為廣泛起來(lái)。

1.變頻控制技術(shù)原理及其發(fā)展

交流變頻調(diào)速技術(shù)是包含了電力電子技術(shù)、點(diǎn)擊傳動(dòng)技術(shù)、微機(jī)技術(shù)的綜合型應(yīng)用，是結(jié)合機(jī)電與強(qiáng)弱電混合的綜合型技術(shù)。其實(shí)質(zhì)是采用電力半導(dǎo)體器件通斷作用將工頻電源變換成為其他頻率的電能控制裝置，而基本原理是通過(guò)整理將工頻交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，再通過(guò)逆變器改變?yōu)轭l率、電壓可調(diào)的交流電壓作為交流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)能源，使得電動(dòng)機(jī)得到無(wú)級(jí)調(diào)速的電壓與電流，是一種無(wú)附加損耗的有效調(diào)速方式之一。變頻調(diào)速技術(shù)能根據(jù)電機(jī)負(fù)載的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、平滑的增減速，使得工作效率大幅度提高，因此此項(xiàng)技術(shù)在能源危機(jī)中產(chǎn)生并不斷發(fā)展。隨后在功率器件上更換了GTR、IGBT，同時(shí)經(jīng)一部發(fā)展成為智能功率模塊。在控制技術(shù)上，壓頻比控制方式取得了很大的改進(jìn)，在實(shí)際變頻器中矢量控制和轉(zhuǎn)矩直接控制方式的到了廣泛的應(yīng)用，并同時(shí)開(kāi)發(fā)出了模糊自動(dòng)化控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等新的研究方向。調(diào)速系統(tǒng)集成化程度越來(lái)越高，產(chǎn)生了精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)、數(shù)字信號(hào)處理器、高級(jí)專(zhuān)用集成電路等單片機(jī)。特別是隨著變頻器不斷綜合化，在功能上不僅完成了基本調(diào)速功能，而且還通過(guò)內(nèi)置設(shè)備而具有了參數(shù)辨識(shí)、可通信、可編程序等功能。

2.礦山機(jī)電設(shè)備變頻控制技術(shù)應(yīng)用

2.1變頻控制技術(shù)在提升機(jī)設(shè)備中應(yīng)用

在礦井當(dāng)中，提升機(jī)的主要任務(wù)就是負(fù)責(zé)安全輸送物料以及人員，在礦井生產(chǎn)上具有舉足輕重的地位。其一般傳統(tǒng)型的方式就是首先將金屬電阻接入當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電路內(nèi)部，然后采用鼓型控制器或者接觸器切除電阻來(lái)進(jìn)行調(diào)速。而其中不免伴隨有電阻能消耗過(guò)大、散熱性能差等問(wèn)題。由于電阻調(diào)速調(diào)速范圍過(guò)小，也導(dǎo)致了精確度低的問(wèn)題。在減速段和下放時(shí)需要?jiǎng)恿χ苿?dòng)直流電源或者是低頻電源，容易造成設(shè)備的損壞，并帶來(lái)了很大電能的浪費(fèi)，而此時(shí)安全性能也受到了質(zhì)疑。這樣在一定程度上就抑制了礦山安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的效率。

將變頻控制技術(shù)引入到礦井提升機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)中，便從根本上避免了上述的許多弊病，不僅實(shí)現(xiàn)了無(wú)級(jí)平穩(wěn)的加速、減速。還提高了系統(tǒng)的各方面性能，增強(qiáng)了各方面的保護(hù)，其中具體優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）可通過(guò)編程器指令進(jìn)行程序編寫(xiě)，完成電控系統(tǒng)中的繼電器邏輯關(guān)系，同時(shí)控制電路圖和梯形圖相互轉(zhuǎn)換也十分方便。

（2）由于外部線路控制執(zhí)行繼電器數(shù)量少，占用實(shí)際空間隨著減少，故障自然減少，基本上免除了維護(hù)。

（3）系統(tǒng)故障能夠通過(guò)觸摸顯示屏和編程器直接查出，處理簡(jiǎn)單，同時(shí)檢測(cè)機(jī)械、電汽方面故障。

（4）控制精度較高，可擴(kuò)展性強(qiáng)，通過(guò)修改內(nèi)部程序即可完成對(duì)系統(tǒng)功能參數(shù)的改變，無(wú)須更改硬件接線，真正實(shí)現(xiàn)柔性控制。

（5）回饋制動(dòng)，提升機(jī)負(fù)力狀態(tài)時(shí)，電機(jī)產(chǎn)生再生能量反饋至電網(wǎng)，明顯節(jié)約了電能，與此同時(shí)，制動(dòng)力矩增大，提高了絞車(chē)下方安全性。

（6）速度和制動(dòng)不是通過(guò)機(jī)械來(lái)完成，而是通過(guò)電氣來(lái)控制得，減少了系統(tǒng)沖擊，減少了機(jī)械磨損，延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命。

2.2變頻技術(shù)在皮帶機(jī)中的應(yīng)用

皮帶機(jī)的功率較提升機(jī)來(lái)說(shuō)更大，它是通過(guò)然繞線電機(jī)經(jīng)轉(zhuǎn)子繞組降壓?jiǎn)?dòng)后工頻巡行，經(jīng)液力耦合器切換到皮帶機(jī)。其工作原理是通過(guò)驅(qū)動(dòng)輪轂，依靠摩擦力牽動(dòng)皮帶運(yùn)動(dòng)，皮帶通過(guò)其特殊的張力變形以及摩擦力帶動(dòng)在滾軸上運(yùn)動(dòng)。其中轉(zhuǎn)子串接電阻改善轉(zhuǎn)矩和減壓空載啟動(dòng)等方法，但啟動(dòng)電流還是過(guò)大，這樣容易產(chǎn)生電網(wǎng)電壓劇烈波動(dòng)、電機(jī)內(nèi)部機(jī)械沖激、發(fā)熱等現(xiàn)象。由于啟動(dòng)時(shí)間過(guò)短，加大了皮帶斷裂、老化，要求皮帶任性夠強(qiáng)。液力耦合器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)引起內(nèi)部油溫上升，磨碎部件程度加大等，既加大了維護(hù)難度與成本，還污染社會(huì)環(huán)境，導(dǎo)致難以功率平均和同步問(wèn)題。采用變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)皮帶傳輸機(jī)軟起、軟停等運(yùn)行方式，穩(wěn)定了皮帶機(jī)工作性能。高壓變頻器采用了皮帶機(jī)能量回饋功能，進(jìn)一步節(jié)約了能源消耗，同時(shí)也減少了其他設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用，節(jié)約資金，完善了環(huán)保方面。

2.3變頻控制技術(shù)在通風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用

礦山主要設(shè)備當(dāng)中，通風(fēng)機(jī)當(dāng)中主扇風(fēng)機(jī)在礦物生產(chǎn)中具有重要地位。作為礦井主要通風(fēng)設(shè)備，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)，被稱(chēng)為是礦井中的“呼叫系統(tǒng)”。隨著開(kāi)采和挖掘不斷深入，井下的風(fēng)壓不斷增加，通風(fēng)機(jī)需要的功率也在不斷增大。但通風(fēng)機(jī)功率則成了礦井開(kāi)采的重要問(wèn)題。在礦山通風(fēng)機(jī)設(shè)備采用了變頻調(diào)速之后，可以根據(jù)巷道的風(fēng)量需求情況進(jìn)行調(diào)速，避免了電能消耗，應(yīng)用效果十分顯著。一般情況下要求兩臺(tái)電機(jī)的運(yùn)行頻率盡量保持一致性，這樣才能避免形成風(fēng)阻，影響風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.4變頻控制技術(shù)在井下絞車(chē)電控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

在電控系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)中采用變頻調(diào)速技術(shù)，其中有一些具體細(xì)節(jié)，輸入電源660V，頻率大小為50Hz，輸出功率可在0-50之間調(diào)節(jié)，電壓變動(dòng)范圍必須保持在負(fù)15%到正10%，頻率變動(dòng)的范圍保持在負(fù)2.5%到正2.5%，過(guò)載能力要強(qiáng)，在負(fù)載變化負(fù)120%到正120%額定負(fù)載中符合四象限運(yùn)行要求。有自動(dòng)轉(zhuǎn)矩提升功能，在低頻運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候，能準(zhǔn)確保證全部額定轉(zhuǎn)矩，保護(hù)好各個(gè)元件過(guò)熱現(xiàn)象。快開(kāi)門(mén)方式應(yīng)用于控制箱當(dāng)中，電氣控制應(yīng)用雙PLC全數(shù)字控制系統(tǒng)，硬件電路互相榮譽(yù)做好絞車(chē)提升控制與數(shù)字監(jiān)控，并且在PLC發(fā)生故障能技術(shù)完成零食提升。在控制系統(tǒng)中配置正常操作，設(shè)置各種保護(hù)設(shè)備，其中過(guò)卷裝置、限速裝置和加速功能保護(hù)成為相互獨(dú)立的雙線模式。同時(shí)還是需要有保護(hù)試驗(yàn)的功能。沒(méi)有發(fā)出信號(hào)不能啟動(dòng)車(chē)，發(fā)出信號(hào)時(shí)間次數(shù)記憶要大于30天，是的聲光信號(hào)與控制回路具有閉鎖功能。電流溫度等指標(biāo)能相對(duì)比較直觀。

3.結(jié)論

隨著國(guó)內(nèi)采礦業(yè)不斷發(fā)展，機(jī)電設(shè)備自然也面臨著許多挑戰(zhàn)，而變頻技術(shù)的出現(xiàn)，提升了設(shè)備安全可靠性，并具有速度可調(diào)、操作簡(jiǎn)單、工作效率高、占地面積小、拆裝方便以及節(jié)能降耗等特點(diǎn)，有效帶動(dòng)了采礦業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)行效率。同時(shí)隨著變頻控制技術(shù)的不斷改進(jìn)，相信在不久的未來(lái)將在各業(yè)當(dāng)中都能得到廣泛的應(yīng)用。

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