變頻控制技術在煤礦機電設備中的應用

韓少勇(山東能源集團肥城礦業工程管理科，山東 肥城 271600)

1 變頻控制技術的原理分析

對于變頻控制技術來說，其充分發揮出電子半導體部件的作用，推動工頻電源轉化為其他工作電源、將工頻交流電壓轉變為直流電壓，結合逆變器裝置的應用，達到調整原有頻率及電壓的效果，達到無附加損耗調速的效果。變頻控制技術的性能主要通過變頻器實現，重點完成對輸出頻率以及輸出電壓的控制，這是其他電機控制系統難以做到的。同時，變頻控制技術還具有軟啟動以及通知的功能，促使電子與轉子阻值的下降、無級變速、電能消耗降低成為現實。

2 煤礦機電設備中變頻控制技術的應用優勢分析

將變頻控制技術應用于煤礦機電設備中具有極為明顯的優勢，具體如下：

第一，提升煤礦生產的經濟效益。在變頻控制技術的支持下，煤礦機電設備的自動化、靈活性啟停、調速成為現實，即在不需要工作的情況下自動停止或轉入休眠、節能狀態，而在需要工作時立即進入工作狀態，由此減少了大量不必要的能源消耗，節能性更強，煤礦機電設備整體的運行成本下降，且生產效率保持穩定或有所提升，促使煤礦生產的經濟收益增長。

第二，改善設備性能。對于變頻控制技術而言，其可以直接轉化交流電的固定頻率，賦予設備可變性能，以此達到增高交流電能源應用效率的效果。同時，變頻交流技術的應用促使煤礦機電設備不再受到數字信息處理的制約，能夠生成集成化的電路，確保煤礦機電設備長時間穩定在理想的工作狀態下。

第三，強化煤礦生產的環保性。通過在煤礦機電設備中應用變頻控制技術，電能的消耗量明顯下降，生產中的煙氣排放量也有所減少，同時，生產過程中形成設備損耗程度也呈現出降低的趨勢，總體推動了煤礦生產環保性的增強。

3 煤礦機電設備中變頻控制技術的具體應用

3.1 在礦井通風機中的應用

井下通風是保證井下工作人員供氧量、降低井下有毒有害氣體含量的重要方法，主要由井下通風機實現，實現對煤礦生產安全水平的有效維護。對于以往的井下通風機來說，其運行功率始終保持在恒定狀態，依托風機葉片的安裝角度達到調節風量的效果，不僅運行效率偏低其繁瑣程度更高。對于井下通風機來說，其工況點與通風阻力之間存在著相對緊密的聯系，一旦礦井的通風阻力發生變化但是風量保持恒定，則井下通風機極有可能處于低效率運行的狀態下(低效率工況點運行)。相關研究表明，井下通風機的電能消耗偏高，最高可以達到煤礦生產機電設備總電能消耗的一半[1]。此時，如果井下通風機處于低效率工況點運行的狀態，那么會造成大量的電能被浪費，煤礦生產整體的效益下降。而通過引入變頻控制技術就能夠達到緩解上述問題的效果，通過在井下通風機中應用變頻控制技術，則風量的自動化調節可以依托礦井通風阻力的變化完成，促使井下通風機的運行狀態得以改善與優化，使得井下通風機的運行始終穩定在高效工況點水平下。誠然，對井下通風機落實變頻控制技術改造會產生較大的成本，但是其節約電能的效果極為可觀，能夠推動井下通風機運行成本的大幅下降。同時，依托變頻控制技術在井下通風機中的應用，可以使風機的運行狀況始終穩定在平穩水平，達到延長井下通風機使用年限的效果，減少風機的后續維修成本，在維護煤礦生產安全性與經濟效益方面發揮著重要作用。

3.2 在礦井提升機中的應用

礦井提升機主要承擔著將工作人員、物料安全、平穩運輸至目標位置的任務，是煤礦生產中的重要機械設備。在傳統的礦井提升機運行中，普遍利用電阻帶動電機控制，結合鼓型控制器調整速度。此時，由于小號電阻相對較多，所以極容易產生散熱不良等問題，且難以保證對速度的精準調整，存在一定的安全隱患。而依托變頻控制技術的應用就能夠規避上述問題的發生，通過變頻控制技術在礦井提升機中的應用，可以強化對設備的保護作用，優化礦井提升機的運行平滑性以及無級變速。實踐中，將變頻控制技術與編程器聯合使用，可以根據調整輸入于電控系統中的指令實現對繼電器的高效控制，且提升梯形圖與電路圖之間轉換的靈活性程度。通過應用變頻控制技術實施對繼電器的控制，能夠明顯減少外部線路的設置數量以及繼電器的使用數量，也實現對故障問題的有效規避，避免空間不足的問題發生。同時，在變頻控制技術的支持下，礦井提升機的啟動/停止平穩程度顯著上升，對鋼絲繩的沖擊減小。另外，變頻控制技術的應用促使礦井提升機的無極調速成為可能，提升機的節能性以及運行可靠性增高，鋼絲繩數量與檢修次數減少，推動礦井提升機檢修成本的降低。

3.3 在皮帶運輸機中的應用

皮帶運輸機承擔著運輸煤炭或物料的任務，在煤礦生產中不可或缺。在傳統的皮帶運輸機運行過程中，普遍使用交流電動機(工頻拖動與耦合器配合)完成對煤炭與物料的運送，運行效率整體呈現出較低水平。同時，如果運送的物料重量增大，皮帶的磨損程度會隨之提升，容易出現故障問題，維修養護成本偏高。而依托變頻控制技術的應用就能夠解決上述問題，通過在皮帶運輸機中引入變頻控制技術，能夠根據現實工況對皮帶運輸機的運行速度、張緊程度實施自動化調節，提升工作效率。例如徐礦集團研發并投入使用的順槽皮帶機4 000 m長距離運輸機，就使用了變頻控制技術。該皮帶運輸機應用了四相線變頻控制，工作人員可以直接通過上級自動化系統監控、控制皮帶的運行情況，并由變頻控制系統自動完成調速，降低皮帶運輸機啟動過程中啟動電流對整個系統造成的沖擊程度。同時，在皮帶運輸機的運行中，輸送皮帶運輸機材料的總量與皮帶的轉速之間始終保持著一定的比例關系，促使其工作效率及質量明顯增強。總體而言，使用變頻控制技術對皮帶運輸機進行控制，規避了運輸中失控問題的發生，運行中產生的浮力可以被電網吸收，促使由設備過熱而導致的磨損問題產生概率下降，延長皮帶運輸機的使用年限，維護煤礦生產企業的經濟效益。

3.4 在采煤機中的應用

采煤機屬于電氣液壓與機械集成的設備，設備整體較大且運行環境復雜，所需要消耗的能源量更高。為了在保證煤礦生產安全的條件下降低采煤機的能源消耗，在當前的生產中，普遍將變頻控制技術應用于采煤機中，促使采煤機實現結合實際工況需求自動化調整運行狀態，保證煤礦生產效率，消除電能的不必要浪費。例如，交流電牽引采煤機就使用了變頻控制技術。交流牽引采煤機的型號較多，其中，在型號為MG450(400)/1100(930)-WD的采煤機中，使用了多電機驅動的形式。該采煤機的電機橫向布置，變頻調速無鏈雙驅動。對于該交流電牽引采煤機而言，其在工作面傾角≤35°的綜采工作面中更加適用，能夠切割硬煤、夾矸和過斷層。同時，可以與830～1 000 mm不同槽寬的運輸機配套使用，應用整體彎搖臂結構，剛性好，過煤空間大。對于MG300(250)/710(610)-WD型采煤機而言，其中的各個部件可積木式組合，在傾角≤20°的綜采工作面中更加適用，能夠截割1 650～3 620 mm厚含有矸石夾層的工作面，其中應用了成熟的一拖二變頻調速技術、人機界面相結合PLC控制技術以及能耗制動技術，使得操控更加方便，具有調速范圍廣、牽引力大、防滑能力強等優點[2]。綜合來看，通過在采煤機中應用變頻控制技術，能夠進一步強化采煤機的運行穩定性，降低停機問題與故障問題的發生概率，減少電能不必要浪費的同時，為煤礦生產的安全維護提供支持。

3.5 在空氣壓縮機中的應用

在實際的煤礦生產中，可以將壓縮空氣設定為鉆孔動力，并配合火藥的使用完成巖層的爆破。此時，需要空氣壓縮機的支持，相比于其他鉆孔設備來說，空氣壓縮機能夠進行靈活配置，可以結合現實情況設置于井上或是井下，因此有著更高的應用優勢。實踐中，依托進氣管的關閉操作，能夠促使空氣壓縮機儲氣罐中的氣壓下降至設定氣壓數值之下，由此帶動進氣管蝶閥自動開啟。在空氣壓縮機正常運行條件下，當其排氣量與氣壓達到滿載狀態時，受到額定轉速下磨損嚴重、高電耗、空轉等移速的影響，空氣壓縮機運行中所消耗的能源量大幅上升。而依托變頻控制技術的應用就能夠規避上述問題的發生，通過變頻控制技術在空氣壓縮機中的應用，可以實現對空氣壓縮機運行轉速的合理調節，推動排氣量下降，促使空氣壓縮機的軸功率與運行轉速之間的關系始終穩定在正比例水平。同時，結合用氣量的變化進行氣壓值的隨時調整也成為現實，確保空氣壓縮機內的空氣始終穩定在恒壓供應的狀態下，推動空氣壓縮機運行效率的增高。

3.6 在礦井水泵中的應用

水泵承擔著處理井下供水及排水的任務，是保證井下生產安全、高效的重要設備。通過在水泵中應用變頻控制技術，能夠實現對電機轉速的自動化調節。例如，某煤礦生產中在水泵房內加設了變頻電機以及變頻器，依托正壓傳感器實現出水壓力的檢測；結合變頻器PID調節模塊的運行，能夠參考井下水量完成對變頻電機轉速的實時性、自動化調整，達到井下供排水系統恒壓出水的效果。通過這樣的方式，有效解決了出水壓力偏低且不穩定的問題，切實滿足井下用水及排水需求。

4 結語

綜上所述，將變頻控制技術應用于煤礦機電設備中具有極為明顯的優勢，有著極高的研究與推廣應用價值。通過在通風機、礦井提升機、皮帶運輸機、采煤機、空氣壓縮機中引入變頻控制技術，提升了煤礦機電設備運行的效率效果以及電能利用率，降低了不必要的電能消耗，增加了煤礦生產的經濟效益，推動了煤礦機電設備的技術升級。