變頻節能技術在煤礦機電設備中的實踐應用

付詩春

（陜西涌鑫礦業有限責任公司， 陜西 榆林 719400）

0 前言

在煤礦開采中，由于環境惡劣，各類地質及生產條件復雜，很多機電設備需要頻繁啟停，因此導致電能消耗過大，且機電設備工作效率較低，同時設備的頻繁啟停對電網沖擊過大，影響電網的安全運行，嚴重制約著煤礦的進展。因此變頻節能技術的應用為煤礦發展注入了新的動力，通過應用變頻節能技術，可以科學有效地實現能源的節約，達到降低煤礦生產成本的目的，同時還可以保護設備的安全平穩運行，延長設備使用壽命，對煤礦長久發展有著重要的作用。

1 當前煤礦機電設備不足及變頻技術的優勢

由于當前煤礦企業主要精力是應付生產，因此沒有重視對變頻節能技術的應用，尤其是在一些地方煤礦，企業為了節省開支，要求機電管理人員身兼數職，無視機電設備能耗過高、效率低下等問題，嚴重制約著煤礦企業快速發展。傳統的煤礦機電設備主要以工頻電壓為主，大部分煤礦機電設備一般采取直接啟動模式，設備的頻繁啟停會導致瞬間電流過大，從而引起電網電壓波動，同時造成電機設備啟動振動過大，甚至損壞電機軸承等。機電設備的長期工頻運行，不僅會造成電能消耗，還會增大機電設備的發熱量，引起機電設備絕緣老化，容易出現短路、火災，極大地縮短了機電設備的使用壽命，影響煤礦的安全生產和長期發展[1]。

將變頻控制技術應用到煤礦生產過程中，能夠調節交流電源頻率，根據設備實際運載情況合理安排運行速度，降低設備頻繁啟停帶來的損害。因此，在滿足機電設備生產需求的同時，最大限度地減少無功功率，從而可以節約電能。機電設備采取變頻技術，還能有效降低電流過大對電網的沖擊，以及降低電機啟動時由于振動過大而造成的設備損壞，大大延長了電機的使用壽命。因此，煤礦變頻技能技術的應用是現代智慧煤礦的發展趨勢，值得深入研究。

2 煤礦機電變頻節能技術的實際應用

在現代社會發展的背景下，從節能和環保的角度出發，充分發揮變頻控制技術在煤礦機電設備運行中的作用，不僅能夠有效降低煤礦企業生產過程中消耗的電能，還能夠通過降低資源的消耗來節約企業運行的生產成本，從而提高企業實際的經營效益，有效促進企業的發展。在對基于煤礦機電變頻控制技術的節能方法應用進行分析時，主要可以從以下幾個方面入手。

2.1 提升機節能

提升機是煤礦開采中應用的主要機電設備之一，是將開采工作中應用到的物料及開采人員傳送到指定位置的設備。該設備是煤礦企業技術優化的一個主要表現，能夠通過調節金屬的電阻來切斷電源，從而有效提升機的運行速度。但這種技術在實際應用中暴露出一定的問題，提升機在礦井開采中需要長時間保持運行的狀態，而在消耗大量電阻的情況下，提升機本身缺少散熱的裝置，再加上利用電阻進行調速的范圍較小，很難保證對提升機運行速度進行調節的精度，影響提升機運輸物料和人員的安全[2]。

基于這種問題，在實際的煤礦開采和生產過程中，可以應用變頻控制技術控制提升機的運行速度，并保證提升機的運行安全，從而通過提升機的有效控制來改善煤礦機電系統的整體性能，達到節能的目的。

在提升機設備中應用變頻控制技術，最主要的就是結合提升機在煤礦開采中的實際應用情況，對提升機運行中應用的調速系統進行改造和調整。基于提升機的應用情況，可以將編程器應用到提升機中，以編制具體指令的方式，通過指令對提升機的運行速度進行調整。這樣不僅能夠有效控制提升機的運行速度，還能夠對改善整個煤礦電控系統中繼電器的邏輯關系起到積極的作用。具體而言，應用變頻控制技術，可以應用變頻器來代替以往提升機中應用的調速裝置，實現對提升機運行速度的有效調節，適當減少提升機運行中應用的外部線路數量，以更少的外部線路達到控制繼電器的目的，從而降低繼電器在提升機運行中發生故障的概率[3]。圖1是基于變頻控制技術對提升機進行調整的一種系統，該系統主要由電動機、礦用提升機減速器、制動器及圓盤齒輪傳動機構組成，在運行中能夠通過減速器和制動器的運行來帶動傳動機構工作，從而更好地實現對提升機運行速度的管理和控制，保障提升機的應用安全。

圖1 礦井提升機的變頻調速系統改造

除提升機外，輸送機也是煤礦開采和生產作業中常用的輸送設備，以變頻控制技術的應用來提升輸送機的運行效率，降低資源能源的消耗，也能夠起到促進開采作業效率提升的作用。在實際作業的過程中，考慮到輸送機在自動啟動和停止的過程中會消耗掉大量的電能，可以應用變頻控制技術，在輸送機運行控制系統中加裝變頻裝置，讓輸送機的運行速率能夠始終保持在一個恒定的頻率之內，從而實現對設備運行中消耗能源多少的有效控制，同時能夠通過降低能耗解決設備散熱的問題。

2.2 皮帶機節能

將變頻控制技術應用到皮帶機的運行當中，能夠在一定程度上達到節能的目的。結合當前煤礦生產作業的整體情況來看，傳統意義上的皮帶機大多以驅動和多滾筒系統作為支撐，這種系統運行方式已經難以滿足當前市場對煤炭資源的需求，在實際應用中也會消耗較多的經濟成本，且皮帶機在處于長時間的運行狀態時，存在著散熱性能較差的問題。

應用變頻控制技術實現皮帶機的節能和高效運行目的，也需要對皮帶機應用的傳動控制系統進行改造。在考慮皮帶機散熱性能和電磁兼容問題的基礎上，首先選擇雙滾筒三機方式來配置3臺高壓電機，然后在系統中應用降速設備，搭配耦合設備來帶動皮帶機傳動系統中的兩個滾筒，以滾筒的轉動來帶動皮帶的運行[4]。將改造后的系統應用到皮帶機的實際運行當中，在開啟皮帶機電流值時讓電流始終保持在低值狀態，并盡可能縮短設備的開啟時間，避免因電流沖擊和過高的阻力值對設備的正常運行造成干擾。為了能夠保證皮帶機設備和系統能夠正常運行，通常需要將設備的開啟時間控制在55 s左右，而系統中電動設備開啟的轉矩最大值需要超過設備額定數值的2倍。

在設備實際運行的過程中，需要依據皮帶機設備的應用環境，對設備在不同環境下運行產生的電力運行負荷進行計算，以便能夠在進行變頻控制系統改造的過程中直接依據電力負荷值來確定設備在實際運行中能夠承受的最大負荷，從而選擇更利于皮帶機設備運行控制的變頻裝置（表1）。

表1 皮帶機設備運行電力負荷計算系數表

在實際驗證這種系統改造方式時，發現在煤礦運輸作業環節中應用皮帶機時，由于煤礦開采和生產的環境較為惡劣，設備很容易受到電磁的干擾。在受到干擾的情況下，變頻設備難以保持正常工作，很容易因為運行錯誤而直接影響皮帶機的運行效率。同時，還發現在應用變頻技術后，當皮帶機處于正常運行狀態時容易出現電源異常的問題。針對這些情況，在實際應用變頻控制技術時，可以在保證應用變頻控制相關原理的基礎上，盡可能減少設備運行中的回路配線距離，并盡可能將變壓器與其他高功率的設備之間相互分離，從而避免因環境和其他設備對皮帶機變頻裝置應用產生的干擾影響，保證變壓器能夠在系統運行中實現自行轉換，從而提高皮帶機的運行效率，降低電能的消耗。

2.3 水泵節能

在煤礦開采和生產作業中，水泵的運行會消耗掉較多的水資源，也會產生大量的能耗。將變頻控制技術應用到水泵中，可以通過對水泵抽水啟動和停止狀態的有效控制來提升水泵設備的使用性能，以提高水泵靈活性和穩定性的方式來保證煤礦開采和生產作業的正常運行。具體而言，在水泵設備的運行中應用變頻控制技術，主要能夠發揮變頻控制裝置的作用，降低水泵在啟動、停止及運行狀態中產生的大量能耗，也能夠減少水泵裝置中各個部件之間的磨損情況，從而降低水泵設備發生故障的概率，對延長水泵設備的使用壽命，節約設備維修和更換的成本具有重要的作用。

2.4 通風機節能

通風機也是煤礦開采和生產作業中常用的一種機電設備，在當前能夠用于煤礦開采作業的技術設備不斷優化的情況下，煤礦開采作業的深度也不斷提高，礦道長度不斷增加。為保證通風機在礦井下的運行效果，需要通過加大通風機運行功率的方式，才能夠更好地保證礦井下的通風效果。考慮到礦井下的空間有限，將變頻控制技術應用到通風機的改造當中，是一種能夠盡量避免礦井巷道開采中的風險因素的技術優化方法。

具體而言，將變頻控制技術應用到通風機中，主要采用的是軟啟動的方式，以降低在設備開啟瞬間電流對設備造成的沖擊為主要目的，避免因電流過大而影響到設備乃至整個電網的正常運行。通過變頻控制技術調整通風機在運行中承受的電流負荷，讓其不必長時間處于滿狀態當中，不僅能夠有效降低在通風機運行中消耗的電能，還能夠延長通風機設備的使用壽命。而考慮到實際煤礦開采作業當中，較慢的設備運行速度能夠提高設備的使用強度，進而降低設備維修頻率，也能夠有效降低在通風機設備維護方面消耗的成本。

2.5 設備故障檢測節能

在煤礦開采和生產作業中，無論哪種設備發生故障問題，都會對整個作業過程和作業中消耗的資源能源產生影響。以變頻控制技術對機電設備的故障檢測技術進行優化，也能夠更好地保障整個作業過程的順利進行。具體而言，在系統運行中，可以通過構建煤礦變頻器自控系統的方式，在對煤礦開采作業的現有情況進行分析了解的基礎上，以設置遠程監控方案的方式，將以往機電設備在運行中產生的故障數據進行整合分析，從而實現對故障設備維修方案的優化和完善。而在這個過程中，應用變頻故障檢測的方法，能夠通過對設備運行電流大小的監測來掌握井下各種設備的整體運行情況，從而及時發現容易出現故障的設備，有效保障井下作業的安全，也能夠通過減少故障發生頻率來提高煤礦開采和生產作業的效率，有效達到節能和促進煤礦企業發展的目的。

3 結論

將節能理念和方法應用到煤礦機電設備當中，能夠在彌補以往煤礦開采中的技術瓶頸問題的同時，有效促進煤礦企業的發展。煤礦企業在實際經營中，需要結合自身情況，充分發揮機電變頻控制技術的作用，重點從提升機、皮帶機、通風機及水泵4個方面加強對生產過程的節能控制，從而推動煤礦企業的健康發展。

在實際應用過程中，變頻節能技術還存在諸多缺陷，例如：變頻機組造價過高，后期維護成本高，對工作人員技術要求較高，因此對于一些經濟效益較差的煤礦企業，很難做到應用變頻技術。這就需要相關工作人員加大變頻技術的研究，降低制造生本，使其操作簡單，便于使用維護，從而擴大變頻技能技術普及率。