關于礦井機電設備中變頻技術應用現狀分析

摘要：近年來，雖然我國科學技術發展迅速。但是適應于煤礦高壓大容量電動機的調速以及啟動的方式還是相當原始，這種傳統的方式不僅給礦井生產帶來極大的浪費，而且把機電設備的本該有的壽命給縮短了。鑒于此，本文筆者根據多年工作經驗對變頻技術在礦井機電設備中的應用進行闡述。

關鍵詞：煤礦；機電設備；變頻技術；變頻控制；

傳統的礦井高壓容量電動機的調速與啟動方式滿足不了現代化礦井的需求，造成電能的極大浪費。如何能避免電能的浪費及提高機電的使用壽命呢！應用高壓變頻技術對煤礦機電設備的改造，可以徹底解決這些問題，同時也能為煤礦企業提高經濟效益。據有關數據統計，煤礦生產所用的電能占整個煤炭企業用電量百分之八十以上。沒用變頻節能技術措施前，風機、水泵等流體負載的平均運轉效率只占百分之三十左右，礦井空壓機、提升機、采掘運等動力負荷變化較大的機電設備在啟動、加減速、制動和設備維護等方面的浪費也比較大。變頻調速技術憑借其優越的調節性能和明顯的節能效果在我國煤礦得到了廣泛的推廣。

一、變頻技術原理及在礦井中應用現狀

變頻技術即改變電流頻率的技術，在傳統的電器設備中所用到交流電頻率是不變的，其轉速一經啟動就不能改變，通過變頻技術可以實現設備以不同的轉速運轉來適應不同的生產需要。變頻技術的發展歷經了各種電器器件的更新換代，從SCR（晶閘管）、GTO（門極可關斷晶閘管）到今天的IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）、HVIGBT（耐高壓絕緣柵雙極型晶閘管），器件的不斷更新促使電力變換技術的持續發展。而在變頻技術控制方面，上世紀七十年代中期脈寬調制變壓變頻調速研究首先進入人們的視野，到了八十年代后期鞍形波脈寬調制變壓變頻調速模式作為脈寬調制變壓變頻調速的優化模式被提出，上世紀九十年代初期又出現了矢量控制變頻調速和直接轉矩控制變頻技術。調速系統的集成度越來越高，以單片機為基礎又研究出了數字信號處理器、精簡指令集計算機和高級專用集成電路等。

高壓變頻器早起由于受電子電器設備耐壓性弱的影響，一般采用高-低-高模式，即高壓經過變壓器降壓后通過低壓變頻器變頻，最后通過升壓變壓器升壓供給高壓變壓器，這樣一個流程使得變頻器設備體積過大，耗能也增加。上個世紀八十年代初期日本東芝電氣公司成功研制了1800kW的交-交方式高壓變頻器。同時德國西門子公司研制出4000kW的交-交方式的高壓變頻器。此后，法國阿爾斯通、美國AB、日本三菱和日立等公司也相繼推出自己的高壓變頻器設備。上個世紀九十年代初，我國在自行開發和研制的高壓變頻器方面取得了很大成績，在鋼鐵行業和電力行業得到很好的應用。交-交變頻調速系統的迅猛發展，在大型機電設備調速中得到廣泛應用。

二、變頻技術應用特點

1）調速。在煤礦生產中，提升機一般采用轉子串電阻方式調速，調度范圍小，精度低以及安全性能低，在減速和下放時，需要投切動力制動直流電源，容易造成設備損壞，設備維修量大；采用變頻調速，運行可靠性可較大提高，運行故障率降低，操作員操作簡便，減少了設備維修量，提高了設備的調速性能。

2）節能。在煤礦生產中，風機、水泵、壓縮機等調節流量時，通常采用的辦法是調節閥門（氣門）開度來實現，很不經濟。若通過變頻器控制轉速來調節風量、流量，將會起到節約能源、提高經濟效益的作用。

3）其它。變頻器在煤礦生產應用中還有利于產品的標準化，電機設備的防爆化，電源設備體積減小等特點。

三、變頻技術在空壓機中的應用

當前空壓機的使用現狀存在以下缺陷：1）啟動方式。使用直接啟動或者用轉子串電阻起動方式起動，設備起動時電流大，對電網和機械設備造成較大的沖擊，大大縮短機械設備的壽命。2）壓風系統采用開環方式。設備壓力系統通過壓力調節器來調節空壓機的載荷與卸荷。壓風系統若采用開環控制方式，供風壓力會在上、下限之間波動，不能保證設備恒壓供風。這種運行方式將頻繁地起動設備和電動機，對電網和機械設備造成巨大的沖擊，設備的壽命大為縮短，設備維護量增加。

對其進行變頻改造方案：1.選用變頻設備啟動。2.變頻設備有壓力閉環控制及開環控制手動調節兩種控制方式，有一個開關可以進行選擇。工作時，采用壓力閉環控制系統，壓力變送器即時檢測空壓機實際給風壓力，并將其與給風壓力的設定值相比較，然后用差值調節空壓機轉速，保持空壓機的給風壓力恒定為設定值。在變頻器控制柜的門上設有給風壓力設定的電位器及數字顯示，操作員可方便地設定給風壓力。為了使壓力變送器在故障發生時變頻系統也可以進行應急工作，變頻器也可以利用電位器對電機手動調節轉速，在一定范圍內調節空壓機的給風壓力。變頻控制柜的柜門上設有變頻故障復位按鈕，在變頻器發生故障時，操作工可方便地對故障進行復位。把空壓機原有的監控裝置的接點引入變頻器控制回路進行聯鎖，當空壓機的壓力、溫度等參數超過高限值或出現斷水信號時，自動停止變頻運行。別外，在空壓機拖動電機底部設置一個冷卻風扇，當電機低速運轉時對電機進行冷卻，起到很好的效果。

四、變頻技術在風機中的應用

主要通風機擔負著全礦井的通風任務，同樣是礦井安全生產的重要設備之一。在礦井開采的不同時期，隨著開采深度的增加、生產系統的變化等各類因素，礦井的通風量是不同的，需要經常根據實際用風量調節礦井的通風量。而礦井主要通風機的能力則是按照礦井的最大用風量選型裝備的，同樣存在“大馬拉小車”現象。對于主要通風機的變頻技術改造，如同對主要排水泵的變頻技術改造一樣，重點是根據礦井的實際用風量，設定電動機的運行頻率，以滿足礦井實際通風量的要求，避免“大馬拉小車”現象。由于礦井主要通風機必須是24小時不間斷運行，電能消耗更高。據統計，礦井主要通風機在變頻技術改造后，節約電能至少在40%以上。

五、變頻技術在煤礦運輸系統中的應用

煤礦企業膠帶輸送機是具有高電壓、大功率的大型運輸設備，是礦井煤炭運輸系統中的“咽喉”，所以要求它必須具有運行效率高、壽命長、安全可靠的特點。但由于諸多原因，使用過程中長時間都處于空載或輕載狀態，耗電嚴重。如若使用變頻調速技術，可減少電耗，同時也能解決大功率皮帶輸送機的軟啟動問題。另外目前許多皮帶輸送機采用軟起動裝置絕大部分為液力偶合器，下行運輸皮帶在啟動運行制動過程中會出現電機失控的現象，如果在皮帶輸送機上安裝變頻器，即可隨時將電機產生的負力轉回到電網中，盡量減少發熱損耗，同時解決機械系統和電氣系統的沖擊問題，延長機器的使用壽命，并能高效地節約電能。

礦井提升機通常是在繁重、復雜的條件下進行工作的設備，因此要求提升機的要求比較高，拖動裝置要能滿足頻繁啟動、停止、調速，并且能夠重載啟動。為了實現礦井提升機平穩加、減速，提高提升機系統的安全性并起到節能的目的，礦井提升機需要采用變頻控制，節約調速運行時電阻產生的熱損耗，而在礦車下放減速器時，電動機短期發電運轉，并將電能反饋給電網。另一方面，使用變頻設備內置的軟件替代繼電器，可實現提升速度的控制，減少設備的事故量，減少維修費用，節能效果顯著。

結語

目前，煤礦井下變頻技術的應用還處于起步階段，變頻設備在各種大型機器中的應用還不多，但在煤礦企業技術改造及產品更新換代，在節能和實現生產自動化方面已經取得了明顯的效果。通過對這些主要生產系統機電設備的變頻技術改造和推廣應用，既改善了設備運行性能，提高了礦井裝備水平，增強了礦井安全生產保障能力，又起到了很好的節能降耗效果，為煤礦企業實現安全高效生產提供了有力支撐。

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