變頻技術在煤礦井下帶式輸送機智能視頻調速中的應用

溫麗娟

摘? ?要：本文講述了變頻調速技術在國家能源集團寧東礦區紅柳煤礦用以煤礦井下帶式輸送機智能視頻調速中的應用。分析了使用變頻技術對煤礦生產所帶來的節能增效，為煤礦膠帶運輸系統實現自動化、智能化開辟了新思路，指明了煤礦智慧化礦山發展的方向。

關鍵詞：變頻調速? 電動機? 節能降耗

中圖分類號：TD63+4.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）07（a）-0020-02

煤炭企業是用電大戶，而煤礦生產的節能降耗至關重要。在煤礦生產過程中，運輸、提升等系統會浪費大量的電能，同時會加速機械傳動磨損，縮短設備、材料、配件等的使用壽命。因此節能降耗勢在必行，利用變頻調速不僅可優化調速性能，提高勞動生產率、提高設備生產自動化程度，而且實現了節約能源、降低生產成本的功效。

1? 變頻調速技術的原理

交流變頻調速技術是將計算機技術、電力電子技術和電機傳動技術、可編程控制器緊密結合，是機電一體化技術的綜合性應用。其實質是利用全控型器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，在交流電動機的變頻調速控制中，為了保持額定磁通基本不變，在調節定子頻率時必須同時改變定子的電壓，因此，必須配備變壓變頻裝置。而變壓變頻裝置的核心部分就是變頻電路。其基本原理就是利用的交-直-交變頻技術，是通過整流橋將恒壓恒頻交流電變為直流電壓，直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，再由逆變器轉換為頻率、電壓可調的交流電壓作為交流電機的驅動電源，使電動機獲得無級調速所需的電壓和電流，是一種無附加轉差損耗的高效調速方式之一。變頻調速技術之所以在能源危機中應運而生，就是因為它能根據電機負載的變化實現自動、平滑的增速、減速，實現高水平的自動控制，能夠利用模擬器與計算機輔助設計進行網絡現場控制，從而大幅度提高工作效率，降低生產成本。

從理論上我們可知，電機的轉速 n與供電頻率 f 有以下關系：

n=（1 s）? r/min

其中：f—電源頻率 Hz;P—電機磁極對數

由公式可知，轉速n與頻率f成正比，如果不改變電動機的極對數，只需改變頻率f即可改變電動機的轉速。當頻率f在0～50Hz的范圍內變化時，電動機轉速可以在0～50Hz的頻率范圍內實現連續變化。變頻技術就是通過改變電動機的電源頻率，從而實現速度連續平滑調節，實現無極調速，同時可節省電能，是一種理想的高效率、高性能的調速方法。

2? 變頻技術的特點

變頻技術常見的類型主要有4種：交-直變頻技術，直-直變頻技術，交-直-交變頻技術，交-交變頻技術等，目前絕大多數變頻器為交-直-交型變頻器，它是眾多高新技術的綜合應用，其主要特點如下。

2.1 節能降耗

變頻技術利用計算機-可編程控制器-變頻器之間的聯網技術、機電一體化控制技術以及變頻器與PLC通過軟件來改變其控制過程，可提高產品性能指標，使得電機物料流量和壓力達到最佳參數，不僅編程簡單、可靠性高，應用方便等優點逐步替代了直流調速技術和電磁調速技術，而且利用變頻可以降低了調速本身的損耗，節省了穩定速度設備和反饋控制設備節約了成本。

2.2 啟動平穩性能好

在煤礦供電系統中，瞬間的啟動會造成電流突然增大，整個系統電壓下降，電壓的過大變化會使礦井正常運行的機電設備受到干擾或影響，而且由于井下正常運行的設備突然受得很大電流的沖擊會給設備造成一定的損害甚至于不能正常工作，還有可能引發生產事故，給煤礦井下生產帶來安全隱患。采用變頻技術時可以增大啟動轉矩，避免電壓波動，采用變頻調速可以實現零頻零電壓時逐步啟動，能減緩電壓的波動。另外，工頻啟動時對電機或相連的機械部分軸或齒輪都會產生劇烈的振動，加劇機械磨損，降低機械部件和電機的壽命，而變頻控制可以做到零速或低速啟動，并根據生產要求進行平滑加速。

2.3 調速性能好

改變變頻設備對電機控制是依據電機帶載能力變化和實際工作環境及參數的變化，來進行電機的轉速調整，從而實現電機連續運行的平滑性及調速的可控性。變頻調速系統啟動的特點都是從低速開始，而頻率與速度成正比，因此啟動頻率較低。加、減速時間可以自由設定，故加、減速控制時間比較平緩，而啟動電流也比較平緩，可以進行較高頻率的啟停。這樣不僅可以使電能損耗減小，還能使調速系統自動補償無功功率，提高了電網系統的用電效率，使總的視在功率下降，降低了無功損耗，提高功率因數。

2.4 控制電機的啟動電流

當電機通過f=50Hz的交流電直接啟動時，將會產生很大的啟動電流，啟動電流過大會增加電機繞組的電應力產生熱量，降低電機的壽命。而通過變頻控制可以降低電機的啟動電流，實現軟啟動，提高繞組承受力，使電機的維護、維修成本降低，增加電機的使用壽命。

2.5 進行速度可控

利用變頻調速能完善設備的生產過程，優化生產工藝過程中對速度的要求。利用變頻器中的PID的調節功能使電機可以連續平滑的調節速度，實現無級調速，還能通過與單片機技術、可編程控制技術和觸摸屏有效地結合來實現電機遠程速度的調節，形成完整的機電一體化控制技術。

3? 早期煤礦帶式輸送機的特點

國家能源集團寧東礦區紅柳煤礦主運輸系統設有10部運輸膠帶機長達13000m，其中CST驅動的輸送機3部，變頻驅動的輸送機7部。

3.1 早期膠帶機耗能分析

傳統的帶式輸送機，一般使用調速型液力耦合器，或CST等機械和液壓方式的驅動設備，具有工作效率低、維修、維護復雜、速度不可控、啟動電流大等缺點，而且由于啟動加速度大，使皮帶容易波動，造成皮帶的張力特性較差，無法滿足對長距離輸送的動態優化，以及對安全啟動提供有效的保證。

3.2 煤礦現有的主運輸系統存在的問題主要體現在以下幾個方面

（1）受采區布局、采掘工藝等因素限制，主運輸膠帶機運行負荷率很低。

（2）無論煤流量多少膠帶機始終長時間保持固定高速運轉，無法根據煤流量實時調節膠帶機輸送機運行速度。

（3）浪費了大量電能，也加速了機械傳動磨損，縮短了設備、材料、配件使用壽命。

（4）增加了維護、維修量加大了企業職工的勞動強度，提高了生產管理風險和管控難度。

因此節能降耗勢在必行，利用變頻技術控制設備來實時調節電機轉速可以大大提高工作效率，延長設備的正常工作周期和使用壽命，同時降低電能損耗。

4? 利用變頻技術如何實現煤礦生產節能降耗

2015年8月，紅柳煤礦利用“智能視頻控制技術”對膠帶運輸機控制程序進行研究改進，根據負載流量的變化實時調整變頻電機轉速。基本上達到了預期的目標，實際測算節電率為17.8%。而且裝置功率越大的膠帶運輸機節電效果越高。

該系統以虛擬方式標示負載流量變化，提高了檢測靈敏度，克服了物理檢測方式在惡劣環境下容易失靈的弊端。同時為最大限度實現節能目標，進行了二次研發，將原煤運輸系統原有的逆煤流啟動改變為順煤流啟動，實現自動化集中控制“一鍵啟停”，提高了生產設備自動化程度。

該系統工作特點是系統在運輸膠帶機現場傳輸的視頻中設置檢測區域，當煤流通過檢測區域時，智能檢測器實時檢測煤流量情況，當膠帶機煤流量滿足PLC內預設的高、中、低、怠速運行條件時，PLC發出調速信號輸出給膠帶機變頻器，自動控制電機轉速調整為高、中、低及怠速運行。通過視頻分析異物形狀和在此處停留的時間，給膠帶機控制系統信號，是預警還是停機，并且有激光幕后備保護，確保膠帶機完好運行，有效減少了主運膠帶被異物劃傷撕扯膠帶事故的發生。大幅度提高了主運系統的安全保障系數。

該系統最大的優點是能根據皮帶轉速與磨損的比例關系測算，當轉速下降一半時，皮帶及各種滾筒的磨損相應減輕30%。使用智能視頻調速系統后，可節約配件及材料費用，同時延長了膠帶運輸機的整機使用壽命。節能降耗效果顯著 ，同時為礦井膠帶運輸系統自動化、智能化開辟了新思路。

5? 結語

如今變頻調速技術已成為一種節能增效、改善作業環境和推進煤礦自動化生產的重要手段，被多數煤炭企業認可和推廣。相信隨著電力電子技術、自動控制技術和可編程控制器技術的迅速發展，新技術、新工藝、新手段不斷改進并應用到煤礦生產中，不僅會淘汰一批老舊的生產設備實現升級換代，而且會提高產品的可靠性與實用性，極大的提高煤礦生產自動化程度與生產效率，促進煤礦生產設備的發展，提高煤礦機電設備的工作性能，有效地減少能源損耗，利用變頻調速不僅可優化調速性能，提高勞動生產率、提高設備生產自動化程度，降低生產成本的功效，為煤礦生產的高效節能提供一個質的飛躍平臺，使煤礦產業向智慧化礦山發展指明了方向 。

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