探析煤礦機電設備中變頻技術的節能改造

楊光

（上海大屯能源股份有限公司江蘇分公司，江蘇 徐州 221600）

1 變頻技術的原理和應用

變頻技術是一種電力電子技術，通過改變電源頻率，控制電機的轉速和輸出功率。基本原理是將輸入的交流電轉換為直流電，然后再通過逆變器將直流電轉換為可調頻的交流電。，從而實現電機的調速控制。在煤礦機電設備中，變頻技術被廣泛應用于提高機械設備的效率、降低能耗、減少機械損耗和提高生產效率等方面[1]。

變頻技術的應用范圍非常廣泛，包括空調、電梯、機床、水泵、風機等機電設備。在煤礦行業中，變頻技術被廣泛應用于采掘機、運輸機、通風機、提升機、水泵、壓縮機等設備中，變頻技術能夠實現設備的精準調速和節能控制，從而提高設備的工作效率和生產能力。

2 煤礦機電設備的能耗特點和節能潛力

2.1 煤礦機電設備的能耗特點

眾所周知，在煤礦生產中煤礦機電是不可或缺的設備，能耗比較高，根據煤礦機電設備的特點，其能耗主要表現在以下4 個方面。

（1）啟動能耗。煤礦機電設備在啟動時，電機的電流會瞬間達到較高值，導致啟動時的能耗較大。

（2）滯后能耗。煤礦機電設備在停止后，電機的轉速并不會立即降為零，而是需要消耗一定的電能才能停止轉動。

（3）空載能耗。煤礦機電設備在空載狀態下，電機的轉速仍然會保持一定的值，從而消耗一定的電能。

（4）部分負載能耗。煤礦機電設備在部分負載狀態下，電機的轉速和電流并不是恒定的，而是隨著負載的變化而變化，從而導致能耗的變化。

2.2 節能改造的必要性和優勢

隨著環保意識的不斷提高和能源價格的不斷攀升，煤礦企業越來越關注節能減排的問題。煤礦機電設備的節能改造對于煤礦企業來說，有以下4 個方面的優勢。

（1）節約能源成本。可以降低能耗，從而減少企業的能源成本。

（2）提高設備效率。可以提高設備的效率，從而提高煤礦的生產能力。

（3）延長設備壽命。能夠減少設備的損耗和磨損，從而延長設備的使用壽命。

（4）提升企業形象。提高企業的環保形象，增強企業的社會責任感。

3 對煤礦機電設備中變頻技術進行節能改造的意義

3.1 節約能源

變頻技術可以實現電機的無級調速，使得設備能夠根據實際負載情況實現自動調節，從而避免了傳統電機啟動時高速度、低效率的問題。因此，采用變頻技術可以大大降低設備的能耗，實現節能效果。

3.2 提高設備穩定性

傳統的電機在啟動過程中會產生大的沖擊電流和機械應力，容易導致設備損壞。而采用變頻技術可以實現平滑啟動和停止，避免了電機啟動時的沖擊問題，同時提高了設備的穩定性和可靠性。

3.3 延長設備壽命

變頻技術可以控制電機的轉速，使得設備在長時間使用過程中不會受到過高的機械應力，從而減少了設備的磨損和損壞。所以，科學且合理的應用變頻技術，能夠進一步延長設備壽命，也能降低成本，避免維護所產生的影響[2]。

3.4 提高生產效率

有效的應用變頻技術能夠進一步實現設備的無級調速，從而使設備能夠根據實際負載情況進行自動調節，保證了設備的運行效率。同時，變頻技術還可以實現設備的遠程控制和監控，方便管理人員對設備進行監控和調度，提高了生產效率。

3.5 減少環境污染

采用變頻技術可以減少設備的能耗，從而減少了燃煤等能源的消耗，降低了CO2等排放物的排放量，減少了對環境的污染，符合可持續發展的要求。

4 煤礦機電設備中變頻技術的節能改造內容

4.1 提升式皮帶輸送機變頻技術節能改造

作為煤礦生產中的重要設備，提升式皮帶輸送機能耗占到煤礦總能耗的比例較大。傳統的提升式皮帶輸送機通常采用定速電機進行控制，而這往往會導致生產過程無法滿足實際的負載要求，出現浪費能源的不良現象，由于提升式皮帶輸送機的負載變化大，定速電機在啟動和停止時產生的沖擊電流和機械應力也會影響設備的穩定性和可靠性。

通過安裝變頻器控制系統，可以實現提升式皮帶輸送機的無級調速，而且也能依據實際的生產情況做到自動調節，滿足節能的基本要求與目的。變頻器控制系統通過改變電機的頻率和電壓，可以實現對提升式皮帶輸送機的無級調速，在運行過程中，變頻器可以根據實際負載變化來調整電機的轉速，保證設備始終處于最佳運行狀態。與傳統的定速電機相比，變頻器可以實現節能效果高達30%以上。同時，采用變頻器控制系統可以實現提升式皮帶輸送機的平滑啟停，避免了傳統啟停方式產生的沖擊電流和機械應力，提高了設備的穩定性和可靠性，變頻器控制系統可以通過控制電機的加速度和減速度，使得設備在啟動和停止時能夠平穩地運行，避免了傳統啟停方式對設備的損傷。

在提升式皮帶輸送機的變頻技術節能改造中，需要考慮的因素較多。首先，需要考慮提升式皮帶輸送機的特點和實際工況，確定變頻器的選型和安裝位置。其次，需要考慮提升式皮帶輸送機的工作狀態和負載特點，進行變頻器參數的設置和調整。在實際應用中，還需要加強對變頻器的維護和管理，保證設備的正常運行和節能效果的持續發揮。

4.2 煤礦通風機的變頻技術節能改造

煤礦通風機也是其中的設備之一，其作用是在礦井中為礦工提供充足的新鮮空氣，同時將礦井中的有害氣體、粉塵等物質排出礦井，保證礦工的生命安全和生產環境，但通風機長時間工作的能耗較高，是煤礦能耗的重要來源之一。眾所周知，傳統的通風機通常采用常規啟停方式進行控制，啟動過程中電流較大，啟動時間長，能耗較高，而采用變頻器控制系統可以實現通風機的無級調速，使得設備能夠根據實際需要進行自動調節，達到節能的效果。變頻器的主要功能是改變電機的運行頻率和電壓，以控制電機的轉速，采用變頻器控制系統可以將通風機的電機控制在最佳運行狀態，達到節能降耗的目的。

4.3 煤礦提升機的變頻技術節能改造

煤礦提升機是煤礦井下重要的物資和人員輸送設備，其運行所需的能量消耗較大，傳統的提升機采用常規啟停方式進行控制，每次啟動時電機都需要消耗大量電能，造成能源的浪費。此外，由于提升機在運行過程中所需的能量大小存在較大差異，常規控制方式很難滿足設備無級調速的要求，也會浪費大量電能，在此背景下通過變頻技術的節能改造，可以實現提升機的節能控制，降低煤礦的能源消耗和成本支出。

（1）無級調速控制。傳統的提升機采用定速電機進行控制，很難滿足設備在不同負載下的運行要求，會造成能源的浪費。通過安裝變頻器控制系統，可以實現提升機的無級調速，使得設備能夠根據實際需要進行自動調節，達到節能的效果。

（2）平滑啟動和停止。傳統的提升機啟動時電機需要消耗大量電能，并且啟動時間長，容易造成電網電壓的波動和電機的損壞。而采用變頻器控制系統可以實現提升機的平滑啟動和停止，避免了傳統啟停方式產生的沖擊電流和機械應力，提高了設備的穩定性和可靠性[3]。

（3）節能效果顯著。煤礦提升機采用變頻器控制系統后，能夠實現無級調速和平滑啟動停止，從而達到節能效果。實際應用中，變頻器控制系統可使提升機的能耗降低20%～30%，能夠為煤礦帶來顯著的節能效益。

4.4 煤礦破碎機的變頻技術節能改造

煤礦破碎機是煤礦生產中必不可少的關鍵設備之一，它的工作原理是利用破碎機刀片對煤炭進行破碎，將大塊的煤炭破碎成小顆粒，方便后續的物料處理。然而傳統的破碎機采用定速電機控制，導致在實際生產過程中，往往不能滿足不同負載的要求，浪費能源。此外，破碎機啟停時，電機電流瞬間升高，電網壓降加大，這不僅增加了設備的機械應力，而且對電力系統的影響也不可忽視。為了解決上述問題，可以采用變頻器技術來對煤礦破碎機進行節能改造。具體來說，通過安裝變頻器控制系統，可以實現破碎機的無級調速，使得設備能夠根據實際需要進行自動調節，達到節能的效果。同時，采用變頻器控制系統可以實現破碎機的平滑啟停，避免了傳統啟停方式產生的沖擊電流和機械應力，提高了設備的穩定性和可靠性。

在變頻器控制系統中，電機通過變頻器接受來自控制系統的調速信號，實現破碎機的調速功能，變頻器可以根據負載的變化自動調整電機的轉速，從而達到節能的效果。同時，變頻器還具有啟動和停止的平滑控制功能，可以通過軟啟動和軟停止技術，逐漸增加或減少電機的轉速，避免了傳統啟停方式帶來的沖擊電流和機械應力[4]。

4.5 井下電機車的變頻技術節能改造

井下電機車是煤礦井下主要的物資和人員運輸設備之一，其能耗占到煤礦機電設備能耗的相當大比例，傳統的電機車通常采用常規啟停方式進行控制，導致電機在啟動過程中電流較大，啟動時間長，能耗較高，在運行過程中由于負載的變化，電機的轉速也需要隨之變化，如果采用定速電機進行控制則會浪費大量的能源。通過安裝變頻器控制系統，可以實現電機車的無級調速，設備能夠根據實際需要進行自動調節，達到節能的效果。同時，采用變頻器控制系統可以平滑啟動和停止電機車，避免了傳統啟停方式產生的沖擊電流和機械應力，提高了設備的穩定性和可靠性，變頻器控制系統還可以實現電機車的動態制動，將制動能量回饋到電網，進一步提高能源利用效率。

在電機車的節能改造中，還可以采用高效能的永磁同步電機替代傳統的異步電機，提高電機的效率和功率因數，進一步降低能耗。當然還可以采用能量回收系統，將電機車在制動過程中產生的能量回收并存儲，用于電機車的加速和運行，從而進一步提高能源利用效率。

4.6 井下局扇變頻技術節能改造

井下局扇是煤礦井下通風系統中的重要組成部分，其能耗占到井下總能耗的比例較大。傳統的局扇通常采用定速電機進行控制，導致在實際生產過程中不能滿足不同風量的要求，浪費能源，通過安裝變頻器控制系統，可以實現局扇的無級調速，使得設備能夠根據實際需要進行自動調節，達到節能的效果，變頻器控制系統可以使井下局扇的風量和靜壓得到精確控制，不僅提高了局扇的控制精度和穩定性，而且在控制風量和靜壓的同時，能夠有效地減少能耗。換而言之，變頻器控制系統還可以平滑啟動和停止局扇，避免了傳統啟停方式產生的沖擊電流和機械應力，提高了設備的穩定性和可靠性。在實際應用中，變頻器控制系統還可以實現局扇的自動化控制，通過聯網監測和數據分析，實現遠程監控、故障診斷和預測維護，提高設備的運行效率和生產安全性，在井下局扇的節能改造中廣泛采用變頻技術，實現節能降耗和智能化運行[5]。

4.7 采煤機變頻技術節能改造

采煤機是煤礦井下采煤作業中的主要設備，其能耗占到煤礦總能耗的比例較大。傳統的采煤機通常采用定速電機進行控制，然而卻無法依據實際情況滿足負載要求，進而浪費能源，通過采用變頻器控制系統對采煤機進行節能改造，可以實現以下效果。

（1）實現無級調速。變頻器可以根據實際需要對采煤機進行無級調速，使設備能夠適應不同的工作負載，提高設備的效率和能源利用率。

（2）平滑啟動和停止。采用變頻器控制系統可以實現采煤機的平滑啟動和停止，避免了傳統啟停方式產生的沖擊電流和機械應力，延長設備的使用壽命。

（3）實時監測和調整。變頻器控制系統可以實時監測采煤機的運行狀態，并通過調整參數來優化設備的運行效率和節能效果。

（4）減少能耗損失。采煤機在工作過程中常常會產生大量的慣性負載和回轉損失，然而合理的應用變頻器控制系統，不僅可以實現節能改造，降低能耗，而且也能減少成本，提高經濟效益。

5 結語

本文從煤礦機電設備中的變頻技術節能改造出發，詳細介紹了變頻技術在煤礦通風機、提升機、破碎機、電機車、局扇、采煤機等設備中的應用及其節能效果。通過對煤礦機電設備中變頻技術的應用分析，可以發現變頻技術具有廣闊的應用前景和發展趨勢，在未來的研究和實踐中，需要進一步深入挖掘變頻技術的潛力，推動煤炭行業的節能減排工作，實現綠色發展。