煤礦機電設備中變頻節能技術的探討

于繼圖

（陜西正通煤業有限責任公司，陜西 咸陽 713600）

0 引 言

目前，我國煤礦開采效率不高、耗電嚴重、安全管理低下等問題越來越嚴重。“十三五”規劃后，煤礦能耗嚴重的問題被予以高度重視，已然成為社會關注的新焦點。煤礦耗電主要是機電設備，如風機設備、運輸機械等。這些機電設備耗電能量占煤礦開采耗能的60%以上，且這些耗費的電能沒有被再次利用。因此，煤礦開采節能的關鍵環節是機電設備節能。

1 變頻節能技術簡介

1.1 工作原理

變頻節能技術最主要的功能是節約能耗。將它運用在煤礦機電設備中，可減少機電設備的能源消耗，使機電設備以最節能的方式正常運轉。它的核心元件是變頻器，可以將直流電逆變成不同頻率的交流電，然后再將交流電逆變成直流電，優點是僅有電流頻率的改變，在轉換過程中不會消耗電能。

1.2 變頻器主要內容

變頻器是可將主頻電源逆變為另一頻率的電能控制裝置，主要利用了電力半導體元件的通斷作用。半導體是指常溫下導電性能介于導體與半導體之間的材料，其導電性可被人為控制，電阻率處于絕緣體與導體之間。當溫度升高時，電阻率指數減小；當溫度降低時，電阻率增大。變頻器是將固定電壓和頻率的交流電逆轉成可變交流電的控制裝置，逆轉過程可分為兩步。第一步是將三相或者單相交流電轉變為直流電，第二步是將轉換后的直流電轉變為三相或者單相交流電。電頻器在逆轉過程中會改變輸出頻率和輸出電壓，將電動機運行曲線平行下移，啟動重載負荷，節約電機運行耗費的電能。變頻器的優點是變頻性能良好，缺點是造價成本高[1]。

1.3 變頻器分類

變頻器大致可分為三類，分別是電流型、電壓型和高低高變頻器。電流型在逆變成直流后增加電感元件，使其具有四象限運行功能，有利于電機制動，缺點是必須對逆變橋強行換流，內部結構復雜，調整和維修較為困難，產生的諧波較大，會對電機設備造成一定干擾。電壓型在直流環節增加電容元件，導致其不能進行四象限運動，優點是產生的干擾小，缺點是需要增加制動系統，必要時還需增加正弦濾波器，應用較為不便。高低高變壓器主要是利用降壓、升壓的方式控制電壓和頻率，需要增設降壓變壓器和升壓變壓器。

2 變頻節能技術在煤礦電機設備中應用現狀以及存在的問題和對策

2.1 應用現狀以及存在問題

進入21世紀后，數字化技術和智能技術得到高速發展，一定程度上帶動了變頻節能技術的發展。如今，我國變頻節能技術的智能化和自動化程度越來越高，在煤礦中的應用也越來越廣泛。但是，由于我國對能耗節約的關注較晚，導致煤礦機電設備變頻節能技術的發展緩慢，且落后的技術在煤礦應用過程中存在諸多問題。第一，缺乏規范制度。煤礦企業機電設備變頻節能技術相關負責人員相互推諉責任，職權不明確，導致節能效果不明顯。第二，煤礦機電設備變頻節能技術管理水平低，監督力度弱，導致煤礦機電設備中變頻節能技術相關設備無人巡視或者巡視次數少，不能及時發現故障，影響其正常運轉。第三，機電設備中變頻節能技術自動化程度低且管理混亂，很多工序需要人工完成，容易出現不必要的失誤，進而影響煤礦機電設備正常運轉，降低了工作效率。

2.2 相關建議

針對以上現狀和問題，建議建立并完善機電設備管理規范制度。合理、科學、適合的管理機制和運行制度，是變頻節能技術降低能耗的保障。如果缺乏制度的規范，相關技術人員就會相互推諉、玩忽職守，致使變頻節能技術不能充分發揮節能作用。首先，明確崗位職責，制定完善的規章制度，確保每一個職工都有自己的工作職責。其次，加強煤礦機電設備管理強度和監督強度。建立并完善巡視管理機制，預防機電設備變頻節能系統出現故障而影響正常工作；建立并完善設備檢修機制，定期或者不定期檢測相關設備，尤其是使用頻繁的機電設備，必須增加檢測頻率并做好記錄工作。最后，需要引進先進的科技提高機電設備自動化程度，進而強化管理。雖然變頻節能技術廣泛應用在煤礦機電設備中，但是很多煤礦企業為節約成本未將其與現代化計算機技術、自動化技術、智能化技術等結合，導致自動化程度低，影響了工作效率和質量[2]。因此，需要積極引進先進技術，提高變頻節能技術的自動化程度。

3 變頻節能技術在煤礦主要機電設備中的應用

3.1 采煤機

采煤機是煤礦開采的核心設備，集機械、液壓、電氣為一體，組織結構復雜且龐大。由于地下煤礦工作環境非常惡劣，導致采煤機經常出現故障，給采煤企業造成了巨大的經濟損失。但是，利用采煤機進行采煤，可以減少人工勞力，提高采煤的安全性，且機器可日夜工作，提高了采煤的工作效率。隨著我國數字化技術和計算機技術的高速發展，采煤機更加智能化、人性化、簡單化，采煤故障明顯降低。但是，這些高科技的運用都需要耗費大量電能，增加了采煤成本。尤其是近幾年，國家提倡可再生能源發展，各行各業開始關注可再生能源，逐漸淘汰非再生能源。煤作為主要的非再生能源之一，市場需求逐漸縮短。為求生存，煤礦企業必須降低生產成本，而節約能耗成為降低生產成本的重要對策之一。為節約能耗，很多煤礦企業開始關注電流型變頻器，并將其應用于采煤機，根據采煤機工作實際需要改變電壓和頻率，使電壓和頻率始終以最適合采煤機的狀態進行工作，從而減少電壓和頻率過高或者過低產生的能耗，最終實現節能。

3.2 風 機

煤礦開采時間越長，礦井里易爆灰塵和瓦斯等含量越高。如果不通風，很容易發生爆炸。風機是煤礦必備設備之一，主要作用是通風，防止礦井發生爆炸。我國常用的風機設備有防爆型負壓風機、軸流式風機和K系列礦用主扇軸流式通風機等。其中，防爆負壓風機電機是煤礦防爆型專用電機之一，采用的防爆外殼可避免電弧、電火花和高溫的電氣部分與周圍爆炸性氣體混合物接觸，防爆性能符合《爆炸性環境用防爆電氣設備隔爆型電氣設備“d”》和《爆炸性環境用防爆電氣設備通用要求》的規定。礦用軸流風機也叫軸流式通風機，不能單獨用于煤礦，必須和防爆電機結合才能在煤礦中使用。K系列礦用主扇軸流式通風機具有氣動效率高、運轉噪音較低、穩定性能好、安裝方便、安全可靠、維修容易和節能效果明顯等優點，是井下煤礦最理想的機站風機，缺點是價格昂貴[3]。

3.3 帶式輸送機

帶式輸送機的主要作用是運輸煤礦，即將礦井下開采的煤運到井外。它利用輸送帶、滾筒、傳動裝置等產生的摩擦力為驅動力，驅動輸送帶往井外輸送開采的煤。截止到2018年，我國煤礦企業帶式輸送機仍以電動機為輸出動力。傳統輸送機啟動時會產生大量電流，這些電流產生的電能會轉化成內能直接耗費掉，因此會造成電能損耗。將變頻節能技術應用于輸送機后，可將啟動產生的過量電流逆轉給礦用電網，避免啟動產生大量的熱量，從而達到節約能耗的目的。同時，大量熱能的產生容易燒壞設備，阻礙輸送機正常運行，而運用變頻節能技術可有效避免這些問題，且可以延長輸送機壽命，節約資源并提高運輸效率。

3.4 提升機

煤礦提升機實際上是一種大型絞車，由原始的提水工具演變而來。傳統提升機是一種大型機械設備。如今，提升機和電子計算機技術融合，已經形成機械、電動為一體的大型全自動重型礦山電動機械設備。它的主要驅動力是電機產生的電能，在工作過程中由于電流不精確或者調速不精確等原因，會造成大量電能損耗。將變頻節能技術應用于提升機，可利用其調速功能精準調節電流，控制提升機電機運轉速度，從而節約能耗。此外，變頻節能技術和現代化先進技術結合后，還具有在線檢測、濾波、過載保護等功能，不僅可以節約能耗，還可延長提升機使用壽命，提高工作效率和質量。

4 結 論

變頻節能技術隨著半導體電子設備的出現而出現，因為節能的優點而不斷被應用到各大機電設備中，發展也越來越迅速。在我國，變頻節能技術被廣泛應用在提升機、帶式輸送機、風機等機電設備中，節能效果顯著。但是，由于我國起步較晚，應用過程中存在規章制度不規范、管理水平低等問題，應針對這些問題建立并完善相關制度和規范，從而實現節能的目的。