變頻技術(shù)在現(xiàn)代煤礦機(jī)電工程中的應(yīng)用實(shí)踐

趙海鴻

（開灤（集團(tuán)）蔚州礦業(yè)有限責(zé)任公司單侯礦，河北 張家口 075700）

目前，對(duì)能源需求也有所增加。當(dāng)前的能源形勢(shì)，依然以煤炭為主體，如何增加煤炭開采效率，降低煤礦成本，提高煤炭的競(jìng)爭(zhēng)力顯得尤為重要。在煤炭開采期間，如果能有效控制電力使用，將極大降低煤炭開采成本。變頻技術(shù)在煤礦企業(yè)機(jī)電上的應(yīng)用，有效降低了煤炭開采期間的電力使用，提高開采效率，降低成本的前提下，有效保障了煤礦企業(yè)的健康發(fā)展。

1 變頻技術(shù)應(yīng)用價(jià)值

1.1 提高資源利用效率

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，離不開各類能源的支持，煤炭作為化石能源中的一種，目前，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)制造業(yè)中。雖然煤炭資源屬于不可再生能源，如果不能對(duì)其進(jìn)行高效利用，勢(shì)必會(huì)限制社會(huì)經(jīng)濟(jì)的長(zhǎng)久發(fā)展。變頻技術(shù)的應(yīng)用，可以對(duì)機(jī)械設(shè)備的工作模式進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，如在煤層較薄的作業(yè)區(qū)域，可以降低開采設(shè)備的工作功率，使其以恰當(dāng)?shù)木蜻M(jìn)方式進(jìn)行開采，減少機(jī)械空轉(zhuǎn)的情況。例如，在風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用過程中，可以適當(dāng)提高機(jī)械設(shè)備的輸出功率，其節(jié)能效果可以達(dá)到50%～70%，進(jìn)而提高資源利用效率。

1.2 降低煤礦開采成本

現(xiàn)階段，越來越多的先進(jìn)開采技術(shù)流入市場(chǎng)中，這也在很大程度上提高了煤礦的工作效率，并且很多煤礦企業(yè)已經(jīng)率先完成了生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型，進(jìn)入自動(dòng)化生產(chǎn)階段。與此同時(shí)，如何在可控范圍內(nèi)降低煤礦的開采成本，也成為人們重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。在上文中已經(jīng)提到，變頻技術(shù)可以結(jié)合作業(yè)區(qū)域的實(shí)際情況，對(duì)機(jī)械設(shè)備的輸出功率進(jìn)行調(diào)整，這樣可以提高開采過程的持續(xù)性。尤其是在一些煤層分布情況相對(duì)復(fù)雜的作業(yè)區(qū)域，動(dòng)態(tài)調(diào)整的作業(yè)模式，不僅可以順利地完成煤層開采任務(wù)，而且還能夠降低開采過程中降低5%～15%的成本投入，從而提高企業(yè)在市場(chǎng)中的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

2 變頻技術(shù)工作原理

變頻技術(shù)是將三相380V(220V)/50Hz 交流電通過整流橋整流變成脈動(dòng)直流電，通過電解電容濾波后變成平滑的直流電，控制板對(duì)IPM、IGBT 或模塊的控制后將平滑的直流電變成三相頻率可變的交流電。通常變頻流程為整流器將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡髮⒃撝绷麟娬{(diào)整為頻率可以控制的交流電，最后，從電動(dòng)機(jī)輸出。控制電路可以在相關(guān)運(yùn)行需求條件下，對(duì)逆變器和整流器進(jìn)行輸出控制，達(dá)到改變電流頻率的目的。

對(duì)于煤礦來說，礦井中要使用到的電力設(shè)備占到絕大多數(shù)，變頻技術(shù)的應(yīng)用可以調(diào)整電流頻率，控制設(shè)備輸出，讓設(shè)備可以在更穩(wěn)定的環(huán)境中工作。并且還可以通過控制設(shè)備輸出，迎合目前的生產(chǎn)需求，達(dá)到了節(jié)能減排的目的。

3 變頻技術(shù)在現(xiàn)代煤礦機(jī)電工程中的具體應(yīng)用

3.1 空氣壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)

除了極少數(shù)煤炭資源所處位置距離地表較近以外，大部分煤炭資源都位于礦山或地下深處，這也在一定程度上增加了開采過程的困難度。而且煤炭資源在開采的過程中還存在著附帶物，如瓦斯、地下水等。

瓦斯作為有害氣體，若開采環(huán)境中含量過高，那么，很容易發(fā)生瓦斯爆炸事故，威脅到人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。

對(duì)此，在煤礦開采過程中，空壓機(jī)主要作用是壓風(fēng)自救系統(tǒng)，在礦井發(fā)生災(zāi)難時(shí)為井下提供新鮮風(fēng)流，其次，是輔助供風(fēng)，為井下風(fēng)動(dòng)水泵、風(fēng)動(dòng)錨桿鉆機(jī)、等提供風(fēng)能。

但是，壓縮機(jī)一直處于高頻率的工作狀態(tài)，這樣不僅會(huì)增加運(yùn)行故障的發(fā)生概率，而且還容易增加電網(wǎng)的工作負(fù)擔(dān)，影響其他機(jī)械設(shè)備的正常工作。將變頻技術(shù)應(yīng)用到空氣壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，可以對(duì)結(jié)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效果。尤其是在煤礦開采中期，煤層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性也會(huì)增加開采難度，在其他設(shè)備出現(xiàn)運(yùn)行故障的情況時(shí)，為了確保正常開采進(jìn)度和確保開采人員的生命安全，通常會(huì)采用替換法在其他區(qū)域臨時(shí)設(shè)置新的工作設(shè)備，但是，很容易忽略一直處于運(yùn)行狀態(tài)的空氣壓縮機(jī)，造成了較大的資源浪費(fèi)。而變頻技術(shù)的應(yīng)用可以結(jié)合實(shí)際情況，及時(shí)停止空氣壓縮機(jī)的工作狀態(tài)，能夠節(jié)電30%～40%，從而起到降低資源損耗的作用。

3.2 采煤機(jī)械設(shè)備

在煤炭資源開采的過程中，采煤機(jī)械設(shè)備屬于主要的執(zhí)行載體，其工作狀態(tài)也將直接影響到煤炭的開采效率和開采質(zhì)量。機(jī)械設(shè)備都有固定的使用壽命，受到工作環(huán)境、操作人員水平、設(shè)備生產(chǎn)質(zhì)量等因素影響，其使用壽命還會(huì)縮減。一旦設(shè)備出現(xiàn)了停擺的情況，由于作業(yè)區(qū)域位于地下，其維修的難度非常大，此類情況也將直接影響整個(gè)開采活動(dòng)推進(jìn)的順暢性。結(jié)合以往的管理經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行壽命不斷降低的主要原因與高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)情況有關(guān)，而變頻技術(shù)的應(yīng)用，可以對(duì)采煤機(jī)的輸出功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控，結(jié)合開采區(qū)域煤層厚度，適當(dāng)加大或減小設(shè)備的輸出功率，故障發(fā)生概率較以往也下調(diào)了60%，使設(shè)備的運(yùn)行情況保持在穩(wěn)定的狀態(tài)。另外，變頻技術(shù)的應(yīng)用還可以適當(dāng)降低采煤機(jī)械設(shè)備操作的復(fù)雜程度，提升了設(shè)備工作狀態(tài)的可靠性。

3.3 煤礦皮帶裝置

在煤礦開采的過程中，煤礦皮帶裝置屬于常用的運(yùn)輸載體，即將煤炭資源從開采區(qū)與運(yùn)輸?shù)降V外。其工作原理是在電能的驅(qū)動(dòng)下，皮帶與輪轂之間所產(chǎn)生的摩擦作用會(huì)帶動(dòng)整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行，如果想保持皮帶高速的運(yùn)行狀態(tài)，需要損耗掉大量的電力，這也在很大程度上造成了資源的浪費(fèi)。

目前，常用的煤礦皮帶裝置以液壓耦合裝置來促進(jìn)設(shè)備的正常運(yùn)行，但是，該過程會(huì)消耗掉大量的電能，并且裝置上還會(huì)附加較多的電壓，增加了安全隱患的發(fā)生概率。變頻技術(shù)的應(yīng)用，可以對(duì)液壓耦合裝置的工作狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化，引入了軟啟動(dòng)模式，這樣在皮帶裝置正常運(yùn)行的過程中，電路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的功能損耗可以下調(diào)30%～55%，從而起到節(jié)能減排、提升資源利用效率的作用。而且在設(shè)備維護(hù)的過程中，變頻技術(shù)可以輔助數(shù)據(jù)信息采集，借助傳感器設(shè)備運(yùn)輸設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)督，在檢修時(shí)，也可以快速定位故障部位，加快了故障檢修速度。另外，變頻技術(shù)還可以避免由于液力耦合器損壞，電機(jī)控制失靈的情況。

3.4 提升機(jī)械設(shè)備

結(jié)合以往的開采經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)階段我國(guó)在開采煤炭資源時(shí)，一般會(huì)采用垂直軸開采或斜軸開采的方式來完成既定的開采任務(wù)。在此過程中，需要借助提升機(jī)械設(shè)備來將貨物或人員從地面上輸送到作業(yè)區(qū)域，隨后再繼續(xù)開展相關(guān)的煤炭開采任務(wù)。在以往開采過程中，所開采的煤炭資源主要位于淺層，但是，在煤炭資源損耗速度加快的背景下，煤礦企業(yè)對(duì)淺層煤炭資源的損耗速度也在加快，而且還需要對(duì)深層煤礦資源進(jìn)行的開采，這也對(duì)提升機(jī)械設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)性能提出了新的要求。變頻技術(shù)在該環(huán)節(jié)的主要任務(wù)是合理管控設(shè)備本身的運(yùn)行速度，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下設(shè)備實(shí)際的運(yùn)行情況，合理調(diào)整設(shè)備的對(duì)外輸出功率，減少設(shè)備空轉(zhuǎn)情況的出現(xiàn)。同時(shí)，對(duì)于設(shè)備關(guān)機(jī)功能可以進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，在確定完成開采任務(wù)之后，能夠在第一時(shí)間完成關(guān)機(jī)操作，從而在確保機(jī)械設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，降低運(yùn)行成本的支出。

3.5 安全防護(hù)方面

在煤礦開采深度不斷增加的背景下，安全防護(hù)工作的重要性也在凸顯，如何采取積極有效的措施來保護(hù)開采人員的生命安全，也成為煤礦企業(yè)需要重點(diǎn)衡量的問題。結(jié)合以往的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，變頻技術(shù)應(yīng)用到該環(huán)節(jié)中，可以和自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)聯(lián)在一起，同時(shí)，在大數(shù)據(jù)技術(shù)、專家系統(tǒng)、云計(jì)算技術(shù)等幫助下，協(xié)調(diào)各機(jī)械設(shè)備的工作狀態(tài)，減少設(shè)備啟動(dòng)與停止的次數(shù)，這樣可以降低設(shè)備慣性所帶來的影響，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命。并且變頻技術(shù)的應(yīng)用，可以滲透到多個(gè)安全防護(hù)層面，如最基礎(chǔ)也是最關(guān)鍵的通風(fēng)裝置上，變頻技術(shù)可以結(jié)合空氣中有害氣體濃度，適當(dāng)調(diào)整通風(fēng)量大小，從而在確保工作環(huán)境安全性的基礎(chǔ)上，降低能源的損耗速度。另外，變頻技術(shù)還可以調(diào)節(jié)其他輔助系統(tǒng)正常的工作狀態(tài)，減少重復(fù)作業(yè)情況的發(fā)生概率，如提升機(jī)工作狀態(tài)、電路網(wǎng)工作狀態(tài)等，確保各個(gè)系統(tǒng)之間工作的穩(wěn)定性，從而提高整個(gè)工作過程的安全性。

4 結(jié)語

綜上所述，在資源損耗速度不斷加劇的背景下，如何提升資源利用效率已經(jīng)成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)問題之一。煤炭資源作為不可再生資源，為了確保煤礦企業(yè)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展，需要從充分發(fā)揮變頻技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，將其合理地應(yīng)用到機(jī)械設(shè)備運(yùn)行過程中，從而提高確保整個(gè)煤礦生產(chǎn)過程的安全性，降低整個(gè)過程的能耗，促進(jìn)煤礦產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。