略論礦山機械設備中變頻技術的應用

張善強

摘 要：隨著我國科技水平的不斷進步和國家對能源問題重視程度的加深，節能和安全成為當今礦山生產工作中的首要工作任務，而變頻技術因其突出的調節和控制性能而被越來越廣泛的應用在礦山機械設備中，尤其是在礦山及井下運輸、采礦、通風等多個方面。變頻技術的應用成功的提高了礦山機械設備的性能，進而提高了礦區的生產效率和質量，而且使煤礦企業取得了良好的節能效果。該文中筆者根據自己的實際工作經驗，立足于變頻技術的應用原理，就變頻技術在礦山機械設備中的應用現狀做出了分析，并闡述了其應用前景。

關鍵詞：變頻技術 礦山 機械設備 應用前景

中圖分類號：TD4 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）08（b）-0043-02

我國地大物博，是一個礦產資源豐富的國家，特別是地表土層之中礦產種類及儲存量豐富，這大大推動了我國的國民經濟發展。然而礦山耗電量巨大，只電耗成本一項就占據了總生產成本的70%左右，并且這種能耗對礦山設備在啟動、加速、制動、減速及維護方面都是非常大的浪費，這在當前推崇環保節能的社會環境中顯得格格不入。伴隨著科技的迅速發展，變頻技術在礦山機械設備中的廣泛應用逐漸解決了這一問題，尤其是對電力能源需求較大的壓氣、通風等多個方面，更加需要變頻技術來防止能源無謂的損耗，從而更好的推動礦山的可持續發展；另一方面，變頻技術的應用對于礦山生產設備效率的提高和優化也是至關重要的。為此，加強對礦山機械設備中變頻技術的探討與研究，在當前具有非常重要的現實意義。

1 變頻技術概述

隨著全國各地區礦山資源的不斷開采，總量越來越少，這也就意味著各開采企業之間的競爭會愈演愈烈，尤其是作為耗電大戶的煤炭開采企業，其在市場上綜合競爭力的優勢很大程度上依賴于其所用機械設備的高節能效率和低污染排放。而在礦山機械設備中應用變頻技術是節能減排、增強企業競爭力、保護環境、促進企業長期發展的不可或缺的重中之重。當前礦山機械設備的用電量占企業總用電量的絕大部分，因此變頻技術巨大的節能潛力決定了其在礦區生產中占有不可取代的地位。

1.1 變頻技術

變頻技術，簡而言之就是電流頻率的改變和優化技術，變頻技術主要分為以下幾種類型：直——直變頻技術（即斬波技術）、交——直變頻技術（即整流技術）、直——交變頻技術（即逆變技術）、交——交變頻技術（即移相技術）。現在人們常說的變頻技術通常就是指交流變頻調速技術，它是將工頻交流電通過不同的技術手段變換成不同頻率的交流電。就當前來看，交流變頻調速技術屬于一種綜合性的應用技術，不僅包括了電力電子技術、微機技術及電力傳動技術等，同時也是一種實現了強弱電與機電設備一體化的綜合技術。

1.2 應用原理

礦山機械設備在正常使用過程中，不會在滿載負荷的情況下進行長時間工作，當電機在非滿負荷狀態下運行時，達到動力驅動要求后的多余力矩會增加功耗，造成電能的浪費。為使設備既不造成浪費又能達到工作動力要求，非常有必要在設備運行過程中使用變頻技術，變頻器會根據實際負荷用改變電流頻率的方式來控制電機轉速，避免設備產生多余的力矩。礦山機械設備中應用的變頻技術，其基本原理是利用半導體元件的通斷作用將工頻電源信號轉換為不同的頻率。確切的說，礦山機械設備中的變頻技術就是基于電流頻率和電機轉速之間的同比增長關系，通過改變電機的速度來調節電機輸出功率與之匹配進而科學有效的控制機電設備，這是一種可以盡量避免額外轉差損耗的高效率調速方式，也解釋了在如今能源匱乏的大環境中變頻技術為何能夠脫穎而出并倍受青睞的原因。同時，變頻器的整流、直流、逆變和控制四大組成部分相輔相成，共同實現對設備轉速的自動、平穩、節能、高效控制，使礦區的工作效率得到了大幅度的提高并最大程度的減小了能源損耗，也由此促進了變頻技術理論和實際生產應用的快速發展。

1.3 發展歷程

變頻技術是在交流電機無極調速的廣泛需求下產生，并在能源危機中不斷發展。變頻控制裝置的功率器件經歷了GTR（達林頓功率管，電流驅動）和IGBT（絕緣柵雙基極場效應管，電壓驅動）交替的過程，并且進一步發展成為了智能功率模塊IPM（Intelligent Power Module），IPM可以將變頻的功率不斷的增大。在控制技術方面，隨著壓頻比U/f控制方式的巨大進步，矢量控制變頻調速和直接轉矩控制變頻技術被更加廣泛的應用于變頻器的實際操作中。同時，人工神經網絡、模糊自動化控制等變頻節能技術新的研究思路也得到了設想和開發，技術也由以前單一的數字信息處理發展到目前較先進的高級專用集成電路。最后隨著當前變頻器系統化和綜合化的不斷加強，在功能上不僅具有基本的調速功能，還通過內置設備具有了編程、通信和參數辨識等功能。在我國變頻技術在實際應用中越來越廣泛，并隨著轉矩直接控制與矢量控制的不斷應用研究有了新的方向。比如：交流變頻向直流變頻方向轉化；功率器件向高集成智能功率模塊發展；縮小裝置的尺寸；高速度的數字控制；模擬器與CAD技術等。

2 變頻技術在礦山機械設備中的應用

變頻技術因其自身的優越性在我國礦山機械設備中得到越來越廣泛的應用，這不僅大幅度的降低了礦產工作中所造成的電能耗費及環境污染情況，同時也縮短了設備的維修和養護開支，有效的提升了礦產開采效益。

2.1 礦井提升機中變頻技術的應用

提升機作為礦山機械中的一項主要設備，主要擔負著安全輸送施工設備、物料、人員等方面的任務，是礦山日常生產和建設中必不可少的一部分。其傳統的調速方式是在電動機轉子電路內接入金屬電阻，而后利用鼓形控制器或者接觸器切除電阻，但這種方式在實際運用中存在極大的安全隱患，并會大量消耗電能且散熱性能差。在提升機當中使用變頻技術，可改變這一現狀，既能實現無級平穩的加減速，又能增強系統各方面的性能。主要做法是選用交流四象限變頻調速系統配上變頻防爆提升機，實現數學信息化控制，在完備的輸入輸出接口電阻中，實現對提升機的遠程控制，確保提升機順利完成自身任務。變頻應用的優點：（1）在對電路圖與梯形圖之間進行轉換控制上更加簡便；（2）在一定程度上可以免除維護，故障查找簡單，且在查找的過程中也會對機械和電汽進行故障檢測；（3）不需要對硬件經過接線，就可以實現對提升機柔性控制；（4）當提升機負力的情況下，電機產生回饋制動的效果將再生能源反饋到電網，電能節約明顯提升。而且制動力矩增大的同時也提高了絞車的安全性；（5）相對以前減少了系統沖擊和機械磨損，增加了設備的使用年限。endprint

2.2 采煤機中變頻技術的應用

采煤機由早期的液壓牽引發展到如今的交流電牽引，與提升機相同，采煤機也具有啟停頻繁、變速復雜的特點，因此，在引入變頻器時理應考慮進行四象限工作。目前，采煤機變頻調速系統已從“一拖二”發展到“一拖一”，我國能量回饋型四象限運行的交流變頻調速采煤技術處于世界領先水平，能夠實現額定轉速下恒定轉矩調速，額定轉速以上恒定功率調速及兩臺變頻器之間的主從控制和轉矩平衡。從現場運行情況來看，采用四象限工作形式能夠對采煤機進行較大范圍的控制和調節，維持牽引速度在一個較為穩定的水平，避免機器出現溜車、下滑等現象。此外，引入變頻技術后采煤機的操作也相對簡單，控制更加精確，操作方便、速度調節可靠。目前我國很多采煤機都是采用四象限變頻器，這種變頻器具有結構簡單、容易控制、速度可以隨機調節的優勢。

2.3 皮帶機中變頻技術的應用

在礦井機械設備中皮帶機的使用功率比提升機還大，皮帶機是借助繞線電機的經轉子繞組來進行降壓啟動后工頻巡行，而后再經由液力耦合器轉換到皮帶機中。其工作原理是利用驅動輪轂轉動產生的摩擦力牽動皮帶運動，進而通過皮帶上特殊的張力變形，來帶動皮帶在滾軸上的運動。在這個過程中，轉子串接電阻會改善轉矩以及減壓空載啟動等，不過其啟動電流依然過大，易產生電網電壓的劇烈波動、電機內部機械沖激及發熱等現象；而且因啟動時間太短也造成了皮帶的斷裂以及老化，所以對皮帶的韌性提出了嚴苛的要求；同時液力耦合器自身運轉時存在部件磨損嚴重、油溫上升等問題，這無疑加大了設備的維護成本和難度，也極大的污染了環境。在皮帶機中融入了變頻技術后，可從根本上穩定皮帶機的工作性能，實現皮帶機的軟起軟停，系統就可以根據皮帶的實際負荷，來調節輸出頻率及力矩，有效降低了對電力能源的消耗，而且過程中系統的功率因數也高于90%，大大提高了礦井的工作效率。變頻技術的能量回饋功能在減少能源消耗的同時還降低了設備的維護費用，節約資金和完善環保，一舉兩得。

3 變頻技術在礦山機械設備的應用前景

雖然目前我國礦山機械設備中變頻技術的應用尚不完全成熟，但隨著我國相關技術的推廣和開發，加之對能源利用率提出的更高要求等可以看出，變頻技術在礦山機械設備應用中的發展空間還是很大的。首先，礦山中采用的機械設備種類繁多，解決好變頻器與設備的匹配問題，就能更加大范圍的推廣；其次，我國礦產豐富，未來設備升級對變頻器的需求量加大，也推動了變頻技術的推廣應用；再次，礦山工作環境特殊繁雜，對變頻器特殊功能的需求也呈現專業化趨勢；最后，隨著電子技術的飛速發展和礦山改造中對變頻器需求的增加，變頻器的控制也會成為礦山管理中的重要工作環節。

總之，隨著變頻技術在礦山機械設備中的有效應用，其速度可調、操作簡單、工作效率高、占地面積小、拆裝方便以及節能降耗等特點，使我國的礦山生產和建設不僅改善了當前的工作環境，同時還降低了生產成本，保護了生態，有效提高了采礦業的效益。《中華人民共和國節約能源法》第39條，已將變頻技術列為通用節能技術加以推廣。隨著變頻技術的不斷改進，相信在不久的未來將在各業當中都能得到廣泛的應用。本文由于作者的水平有限，所述內容不足之處，望同行予以斧正。

參考文獻

[1] 趙光輝，金洪翔，張恒龍.交流電機調速原理及變頻技術的應用[J].黑龍江科技信息，2009（22）.

[2] 王真，陳召磊，曹曉冬.礦井提升機直接轉矩控制系統轉矩脈動最優控制[J]. 工礦自動化，2014（2）.

[3] 原慧軍，張燕軍.變頻調速在礦井提升機控制系統中的應用[J].機械工程與自動化，2011（3）.endprint