礦山機電設備變頻控制技術分析

姜鵬

（國能榆林能源青龍寺煤礦,陜西 榆林 719400）

從前礦山企業主要為人工生產模式，生產效率低且安全風險大，影響了行業的現代化。當前技術進步的過程中，越來越多的礦山企業嘗試機械化作業，內部配備的各種機電設備，使生產作業中不同設備可發揮其功能優勢，在相互配合中完成了生產任務。但很多礦山企業機電設備的運行能耗較高，不符合節能目標。為發揮機電設備的功能、性能等優勢，為礦山企業創造更大的經濟、社會效益，各企業需合理引入變頻控制技術，用于控制機電設備的運行，提高機電設備運行安全性、可靠性。

1 礦山機電設備中變頻控制技術的應用優勢

礦山企業內機電設備的類型繁多，每種設備都有其特殊的運行特點及功能優勢，以這些為基準合理應用變頻控制技術，能發揮變頻調節的優勢，具體表現在以下方面：（1）生產效益。變頻控制技術下機電設備可靈活、高效運行，該技術兼具速度調節、自動化控制、遠程控制功能，這些功能特點下可由自動化模塊完成，很多部分不再需要人工完成，節約了這部分的人工費用；系統不工作時機電設備處于低功率狀態，能耗偏低，也有助于控制成本，為礦山企業創造更大的生產效益，使企業有更大的利潤空間。（2）作業狀態。技術穩步發展的過程中，變頻控制技術取得了顯著成就，進入了相對成熟的發展階段，這一技術下增強了機電設備的運行可靠性，降低設備故障，使各種機電設備保持最佳運行狀態。（3）節能降耗。變頻控制的靈活性高，控制模塊能在設備運行中依據狀態、參數等信息自動調節，降低設備運行中的能耗，實現節能目標。

2 變頻控制基礎原理

目前變頻控制技術有兩種模式：將直流電轉化為不同頻率的交流電、將交流電轉化為直流電，最后再轉化為不同頻率的交流電。實際的生產生活中無論選用哪一變頻控制模式，都能達到高效、精準控制，其技術特點決定了其在很多領域都有較大的應用潛力。變頻控制的原理為：電能固定，調節電流頻率，最終改變電機轉速，達到對電機的精確化、自動化控制。變頻控制期間逆變方式原理為：參考傅里葉級數公式，電壓變化時基波幅值有一定波動，而此幅值為決定電流頻率的關鍵因素，在這些關系下建立橋式逆變電路，合理調節電路的開關閉合，使電壓達到標準，使電壓調節期間基波幅值有所改變，通過電流頻率的調節達到逆變目標。如實際的工作中存在交流電向直流電轉化過程，變頻控制基本原理中不僅涉及逆變內容，還存在整流原理。整流原理為：在整流電路下完成開關開合，調整電流頻率，使交流電轉為直流電，達到整流目標。

3 礦山機電設備中的變頻控制技術

3.1 提升機設備

礦山企業的生產作業中涉及多種機電設備，提升機設備僅為其中的一種。根據礦山生產作業特點，提升機可為物料、人員的運輸提供便捷，從運輸方面可保障安全性。具體應用中，保持金屬電阻器、電動機轉子電路之間的可靠連接，再配備鼓型控制器或者接觸器，關閉電阻以調節速度。傳統的提升機在工作中如進入減速段或者為下降狀態，需動力制動直流電源或者低頻電源，操作不當可能損壞設備，且設備運行中的能耗較高，安全風險大，既不利于實現礦山企業的安全生產目標，也無法為企業創造更大的經濟效益。而在現階段的條件下，將變頻控制技術應用于提升機設備中，就是在提升驅動系統內采用變頻技術，達到無級、平穩加減速，優化設備功能，提升設備性能。將變頻控制技術應用于提升機設備時，其技術優勢表現為：（1）借助編程器實現編程，由邏輯方式實現電子控制系統中的邏輯關系，將調控電路圖轉換到梯形圖；（2）外部線路控制的繼電器數量較少，可增強安全性與可靠性，降低故障率，后續的維護工作量少；（3）顯示屏操作、編程器的相互結合下能檢測系統故障；（4）控制精度顯著提高，擴展性增大，如需更改系統中的個別參數，只需要修改部分程序即可實現，硬件接線解除相對便捷；（5）如提升機在負力狀態，電動機形成的再生能量能被反饋給電網，節約了電力消耗。

3.2 皮帶機

礦山生產作業中皮帶機也為比較常見的機電設備，在此設備運行中功率略高于提升機，通過繞線電機，經轉子繞組降壓啟動工頻巡行，由液力耦合器切換到皮帶機。操作過程中驅動輪轂的作用突出，在一定的摩擦力下能牽動皮帶，而皮帶在張力變形、摩擦力作用下，可依據規定在滾軸上轉動。在此過程中，轉子串聯電阻下的轉矩較大，機電設備兼具減壓、空載啟動功能，但一些情況下的啟動電流往往超出了正常值，增大了電網電壓風險，不穩定電壓對電機內部的沖擊較大，電機散熱不佳，個別零部件損壞嚴重。由于啟動時間短，皮帶機運行過程中出現皮帶斷裂、老化故障的概率較高，為提高皮帶機運行的可靠性，對皮帶性能的要求較高，皮帶的堅固性要好，一旦有破損或者其他問題，需立即更換。液力耦合器工作中，隨著其工作時間的延長，內部油溫明顯增大，易引起其他故障，后續處理故障的難度大、成本高，還可能伴隨環境污染、能耗浪費問題。而在當下，在皮帶機中應用變頻控制技術，可創新軟啟動、軟停止模式，大大增強皮帶機的運行效率。利用變頻控制改造了皮帶機系統后，皮帶機運行中的輸出頻率、轉矩均由調節負載來實現，改動電機前為工頻恒速運行模式，而改造后的變頻調速控制，能耗低，皮帶機功率因數基本在90%以上。

3.3 通風機

由于礦山生產作業條件的復雜性，為滿足高效、安全生產的目標，礦山企業必須配備通風機來實現通風目標，以創造良好的作業條件。結合礦山企業的生產特點，通風機保持長時間、高強度運行狀態。開采作業中，需通風系統提供更多風力，通風機風壓增大的過程中其功率、能耗都顯著增大，如缺乏有效控制，無法實現礦山企業的節能目標。因此，現階段的礦井作業中有關人員必須密切關注通風機的功率大小。市場上的部分通風機中采用了變頻控制技術，當礦井作業中配備這類通風機時，系統可根據巷道的風量需求實現調速，控制效率高且能保障設備的高效運轉。通風機中如調整變頻器，可實現變頻軟啟動，大大減小電流在設備的沖擊，啟動與停止控制更便捷。一般情況下，如在通風機中配備變頻控制部分，可大大降低通風機的運行速度、工作強度，使設備長時間維持在最佳狀態，降低故障頻次。另外，為保障電動機的轉速相同，正常情況下2 臺電動機的工作頻率應一致，否則，可能產生風阻影響通風機風險運行。

3.4 井下絞車電控系統

礦山機電設備也包含井下絞車，當前很多礦山企業在生產作業中越發關注井下絞車電控系統的節能改造。依據絞車電控系統的工作情況，如輸入電源為660V，其頻率基本在50Hz 上下，為此，實際的工作中應將調節輸出功率控制在0 ～50W，此情況下的電壓波動區間為-15%～+10%，頻率調控范圍在-120%～+120%，形成四象限運轉條件。部分井下絞車如采用變頻控制技術，電控系統兼具自動扭矩提高功能，如絞車維持低頻運轉狀態，電控系統可保持整體額定轉矩，起到過熱保護作用，增強絞車系統的安全性。另外，控制箱中的快開門方式，能凸顯雙PLC 全數字控制系統的功能優勢，再加上不同硬件電路之間高度融合，為絞車工作提供了便捷。PLC系統運行中如出現故障，系統可臨時提升，避免故障處理不及時引發的其他問題。如電控系統有正常和穩健操作工況，為保障這些工況下絞車正常運行，需合理設置保護設備，發揮設備的保護功能。過卷裝、限速裝置方面，為達到加速保護，需在系統內引入雙線工作模式，此模式能獨立運行。如系統運行中未按照有關要求接收到信號，嚴禁直接啟動車，只有當信號發出時間間隔在30d 以上的情況下，才可順利啟動車。根據實際經驗，在井下絞車電控系統中采用變頻控制技術，可減少電能消耗，采用智能模塊一旦采集到過載或者超載信息，系統可立即斷電。通過變頻控制技術將故障自斷系統應用于井下絞車電控系統，司機操作臺能顯示與故障相關的信息，如故障類型、位置、原因等，有關人員可根據這些信息快速處理故障，最快時間內恢復井下絞車系統的正常運行。

3.5 采礦機

礦山開采作業過程中，采礦機承擔著重要的生產任務，因為礦山現場的環境條件負責，采礦機運行中往往受到環境條件的干擾，經常出現故障或者其他異常。當前部分礦山企業中采用了變頻控制技術，此技術下可實現設備的自動化控制，有關人員借助電腦、手機等設備可實時監控設備運行狀態，并依據設備參數等采取必要化調節措施，使采礦機保持正常運行狀態，維持正常的生產作業。變頻控制技術的優越性明顯，在原先的采礦機工作中，一旦啟動電氣設備，瞬時電流異常大，可能損壞部分零部件，而變頻控制技術下幾乎無此問題，有關人員能在此技術下保持電流的穩定性，從而使采礦機的運行速度、狀態等符合相關規定。從節能角度，變頻調速下采礦機的牽引速度正常且穩定，能耗較低，符合節能標準。

3.6 井下水泵

礦山企業在生產作業中，井下水泵的作用也較為突出，此設備一般主要負責排水任務。礦井生產期間，在季節性因素影響下，不同時期的涌水量各有不同，而這些往往會干擾井下水泵的排水任務。因此，從礦井安全、高效生產的目標著手，相關人員必須清晰了解用水量與水泵類型的關系。如在水泵中應用變頻控制技術，可改變電機設備的功能與性能，因為礦井排水量與電機性能、工作狀態有關，相關人員可依據排水量情況合理調節電機運轉速度、功率，保障礦井排水能達到標準，發揮水泵作用，降低水泵故障率，降低能耗。部分礦山企業的離心泵中采用了變頻控制技術，滿足了礦山給水、給液要求，抽水泵的控制、操作更便捷和高效，水泵運行期間，基本無急劇增速與減速情況，啟動與停止更為正常，系統靈敏度高、可靠性強。另外，離心泵中合理應用變頻控制技術，還可最大程度上減小離心泵的機械沖擊作用，避免沖擊力過大引起設備損壞的情形，降低離心泵磨損程度，以免離心泵工作期間頻繁啟停、增減速。當前的礦山生產作業中，主排水泵操作系統一般有遠程控制與就地控制兩種模式，該系統的驅動設備一般為就地模式，能直接控制泵機的電動閘開關，為設備的遠程控制創造條件。

3.7 鏟運機及礦山輔助機電設備

礦山生產作業中鏟運機、輔助機電設備也比較常見，這些機電設備與其他類型的機電設備相互配合，可維持正常的生產作業。當前礦山企業內部都在探索全新的發展路徑，一些企業在鏟運機和輔助機電設備中均采用了變頻控制技術，具體的應用中可將變頻控制系統添加到整體的中控系統中，在機電設備進入運行階段后，變頻系統能動態監測鏟運機、輔助機電設備的運行狀態，獲取設備的相關參數，達到自動化控制的目標。另外，中控系統支持人工操作，現場有關人員可立足實際情況采用人工控制方式向變頻系統發送指令，以保障鏟運機、輔助機電設備良好的運行狀態。

3.8 渣漿泵

一些礦山企業內配備有渣漿泵，此設備在運行過程中如缺乏科學控制，設備難以發揮其功能優勢。依據礦山生產中渣漿泵的運行原理，借助離心驅動力將電能轉化為所需動能與勢能，設備的機械功率等級高，且功率大，運行中的能耗較高。井下作業中渣漿泵持續運行，電能消耗大，而引入變頻控制技術后可改變這一情況，降低渣漿泵的能耗，并為礦山企業創造更大的經濟與社會效益。如變頻控制下，渣漿泵加速模式有一定變化，智能控制程序可增強系統的安全性。

4 結語

變頻控制是當下礦山領域關注的重點技術，此技術在現階段有所發展，但同樣存在一定的問題。各礦山企業需立足自身情況，將變頻控制技術應用于機電設備中，發揮技術優勢，形成全新的控制模式。未來相關人員還需持續研究變頻控制技術，以保持技術的先進性。