煤礦機電變頻技術在煤礦機電設備安裝中的應用

【關鍵詞】煤礦機電；變頻技術；設備安裝；節能降耗；安全生產

引言

煤礦機電裝備是煤礦生產的核心設備。傳統的煤礦機電設備在安裝過程中，一般都是以恒速驅動方式啟動和運行，這種方式存在著啟動電流大、能量消耗大、設備損耗大、穩定性差的問題。隨著變頻調速技術的發展和成熟，它以其良好的調速性能、節能效果顯著、控制精度高等優點，逐步被廣泛地應用于煤礦機電設備的安裝中。在煤礦機電設備安裝中采用變頻調速技術，能有效地提高設備的工作性能，減少能源消耗，延長設備的使用壽命，提高煤礦生產的安全和經濟性。因此，對煤礦機電變頻調速技術在煤礦設備安裝中的應用進行深入研究，對于促進煤炭工業的可持續發展具有十分重要的意義。

一、煤礦機電變頻技術概述

（一）變頻技術原理

變頻調速技術的核心就是利用電源的頻率、電壓來調節電機的轉速。該電路主要包括整流電路、濾波電路、逆變電路、控制電路等幾部分。整流電路把交流電變成直流電，濾波電路把整流的直流電平滑化，逆變電路再把直流電變成頻率、電壓可調的交流電，控制電路根據實際需要對整個過程進行精確控制。例如，在正弦脈寬調制技術中，控制電路通過產生一系列脈寬呈正弦變化的脈沖，控制逆變電路中功率開關元件的導通和關斷，使其輸出接近正弦波的交流電，從而實現對電機速度的連續調節。通過調整電源頻率，實現電機轉速的大范圍調節，滿足不同工作條件下的工作要求[1]。

（二）變頻技術特點與優勢

變頻調速技術以其較寬的調速范圍、較高的調速精度、較小的啟動電流，具有明顯的節能效果。將變頻技術應用于煤礦機電設備的安裝中，使設備在啟動過程中實現軟啟動，避免傳統啟動方式產生的大電流沖擊，降低對電網及設備的破壞，延長設備的使用壽命；在速度控制上，采用變頻調速技術，根據實際生產需要，對設備的轉速進行準確的調整，從而保證設備的穩定和效率。例如，在輸送帶運行時，根據輸送煤量的變化實時調整輸送速度，避免空轉、過載，達到節能降耗的目的。同時采用變頻調速技術，具有較好的過載保護和短路保護功能，使設備運行更加安全可靠[2]。

二、煤礦機電設備安裝現狀與需求分析

（一）煤礦機電設備安裝現狀

目前，煤礦機電設備的安裝還存在著許多急需解決的問題。在設備啟動環節，一些煤礦仍然采用傳統的直接啟動模式，例如礦井通風機、排水泵等，瞬間產生的大電流達到額定電流的5～7倍，不僅給井下電網帶來很強的沖擊，而且頻繁啟動還會加速電機、軸承等零部件的磨損，造成設備故障率居高不下[3]。

在運行過程中，設備的效能問題突出。例如，大部分煤礦采用恒速運行方式，不能根據煤流量的變化進行調速，造成大量的能量浪費，實測表明這類工況下的能耗高達30%～40%。同時，設備間缺乏有效的協作，難以滿足復雜多變的生產需要。

同時，煤礦井下高濕、高塵、強電磁干擾等惡劣環境給機電設備的安裝帶來嚴峻挑戰。部分老設備由于自身防護能力不足，在復雜環境中容易發生故障，且安裝過程中易與原系統兼容性較差，這進一步增加設備的安裝難度和運行風險，成為制約煤礦生產安全和效率提高的瓶頸[4]。

（二）煤礦機電設備安裝需求

煤礦機電設備安裝需求的核心是保證安全生產，提高生產效率，滿足工業智能化發展的要求。現有裝備安裝方式存在著啟動沖擊大、能耗高、穩定性差等突出問題，難以滿足現代煤礦生產需要，亟須通過技術創新實現裝備性能優化。

在啟動和運行中，要求設備具有軟啟動功能，以防止大電流啟動時對電網及設備本身造成的沖擊，降低關鍵零部件如電機、軸承等的磨損，延長設備的使用壽命。同時，還需要根據實際生產情況靈活地調整運行速率，例如根據煤流量實時調節皮帶輸送機的轉速，而風機則根據井下的風量來動態調節轉速[5]。

隨著煤礦智能化程度的提高，對機電設備的安裝提出更高的要求。本項目擬將傳感器、通訊模塊等集成到設備中，實現對運行參數（電流，電壓等）的實時采集和傳輸，使工作人員能夠在地面控制中心對設備進行遠程控制，調整運行狀態，同時獲得故障預警信息，提高生產管理的便利性和安全性。另外，還需要設備之間具有很好的兼容性和協同性，這樣才能建立起一個智能化的生產系統，讓多個設備能夠進行聯動控制。比如，多個壓風機根據風量的多少，自動調節操作臺數和轉速。

礦井環境惡劣、濕度大、粉塵多、電磁干擾強。設備必須具有較好的防護能力，如防水、防塵、抗電磁干擾等，以保證在復雜環境中的穩定工作。與此同時，在安裝過程中，要注意設備的可靠性和安全性能，加強保護措施，防止設備出現故障，保證礦工的生命安全和煤礦的持續穩定生產[6]。

三、煤礦機電變頻技術在機電設備安裝中的具體應用

（一）在煤礦通風機安裝中的應用

礦井通風機是礦井通風系統的重要組成部分，它的穩定運行直接關系到礦工的生命安全和生產環境的好壞。傳統風機多采用全壓啟動模式，啟動瞬間電流高達5～7倍，不僅對電網產生較大沖擊，而且會加速核心零部件如電機、軸承等的磨損，大幅縮短設備的使用壽命。統計表明，常規啟動方式下，風機軸承平均更換周期在6～8個月，頻繁啟停操作會加劇設備損耗。將變頻調速技術應用于通風機的安裝中，具有較大的優點。以山西某大型礦井為例，采用變頻調速技術，主風機啟動電流明顯降低到額定電流的1.2～1.5倍，大大減輕電網負荷，降低啟動電流過大引發電網故障的風險。在工作過程中，采用變頻調速技術，根據實際的通風量實時調節風機的轉速。需要風量受井下工作面數目、開采進度和瓦斯濃度的影響，在非生產時段或工作面減少時，系統會自動降低風機轉速，降低不必要的能量消耗；但在高峰時段或檢測到有害氣體濃度上升時，應快速提高轉速，加大送風速度。該礦井采用變頻調速技術后，風機能耗降低25%～30%，設備故障率降低40%左右，軸承更換周期可達12～15個月，使設備維修費用得到有效降低。同時，采用變頻調速技術，實現對風機的遠程監測和智能調控。通過將傳感器與通訊模塊集成到通風系統中，管理者能實時獲得風機的風量、風壓、馬達轉速等運行參數，并根據實際需要對其運行狀態進行遠程調節，從而達到智能化通風管理的目的。

（二）在煤礦提升機安裝中的應用

煤礦提升機擔負著煤炭、人、料等垂直運輸任務，其安全穩定運行關系到煤礦生產效率及人員安全。傳統的提升機在啟動、制動時受到較大的機械沖擊，易造成鋼絲繩的磨損、聯軸器的損壞、設備的振動加劇。數據表明，傳統提升機每年更換鋼絲繩所需的費用占設備維修費用的30%～40%，而且頻繁的機械沖擊還可能引起設備故障，影響生產進度。采用變頻調速技術，使提升機啟動、制動平穩，有效降低機械沖擊。在啟動階段，變頻調速系統逐步提高輸出頻率、電壓，從而避免傳統啟動方式中突然拉速的突然變化；在制動過程中，控制電動機的速度逐步減小，從而使停車平穩。如河南某礦采用變頻調速技術，使副井提升機的鋼絲繩磨損速率明顯降低，使用壽命提高50%左右，聯軸器及其它零部件的損壞率明顯降低。采用變頻調速，可根據負載的變化自動調節工作轉速，空載起吊時，減速，降低能耗；在重載起吊時，應適當增加車速，以減少起吊時間，提高運輸效率。同時，將變頻調速技術應用于提升機自動控制系統中，對提升過程進行精確控制，并對其進行遠程監控。操作人員在地面控制中心實時監測提升機工作狀態，準確調整提升速度、位置、載荷等參數，一旦發現異常，立即發出警報，采取相應的防護措施，極大地提升了設備的安全性。采用變頻調速技術后，該礦井的副井提升機運行穩定可靠，減少設備維修費用20%，提高生產效率15%～20%。

（三）在煤礦皮帶輸送機安裝中的應用

煤礦帶式輸送機是煤炭運輸的主體設備，其運行周期長，能源消耗大，其運行效率直接影響到礦井的生產效率。傳統帶式輸送機一般都是恒速運行，不能隨煤量變化而調整，因此，當煤量小時，帶式輸送機仍保持高速運轉，造成能源浪費；當煤量過大時，還會造成皮帶打滑，電動機燒壞等故障。據測算，傳統皮帶輸送機空載、輕載情況下的能量耗損率高達30%～40%。將變頻調速技術應用于皮帶輸送機的安裝中，能夠根據煤的流量實時調節皮帶的運行速度。在輸送帶上加裝紅外或稱重傳感器，實現對煤流的實時檢測，并將數據傳送到變頻器控制系統中。在煤量小的情況下，采用變頻調速，降低皮帶轉速，降低能耗；在煤量增加的情況下，能自動提高輸送帶的轉速，以保證輸送效率。例如，陜西某礦采用變頻調速技術，使主皮帶輸送機的輸送速度和煤流達到精確的匹配。與傳統的控制方法相比，本裝置可節省30%～35%的能量消耗，減少30%左右的皮帶磨損，延長設備的使用壽命。同時，由于避免過載操作，電動機的故障率降低50%，大大降低設備的維修費用。另外，變頻技術使皮帶輸送機實現多臺機器的協同控制，在多條皮帶輸送機構成的輸送系統中，每一臺皮帶機都根據前后端煤流量進行自動協調，保證整個輸送系統的高效、穩定運行。

（四）在煤礦排水泵安裝中的應用

由于地質變化和降雨等因素，礦井涌水量隨時可能發生大幅波動，排水泵是保證礦井安全的關鍵設備，其穩定、高效運行意義重大。傳統排水泵為直接啟動模式，啟動瞬間電流高達5～7倍，不僅對井下電網產生較大沖擊，還容易引發供電系統故障，而且對泵電機、葉輪等零部件造成較大的機械應力，加速設備老化。據統計，排水泵在常規啟動模式下，其繞組絕緣老化速度比穩態啟動裝置快30%，且因葉輪磨損而更換頻繁。另外，傳統的排水泵一般都是定速運轉，不能根據實際涌水量靈活調整排水量，在涌水量小的情況下仍保持滿負荷運行，造成大量電能浪費。但當涌水量急劇增加時，又會因排澇能力不足而引發積水事故。

采用變頻調速技術對礦井排水泵裝置進行改造后，上述情況得到有效改善。在啟動階段，變頻調速系統采用逐級升壓的方式，啟動電流只有額定電流1.2～1.5倍，大大降低對電網的沖擊，降低設備啟動時的機械損耗。在運行過程中，利用埋設于井下不同部位的水位傳感器，實現對水位高度的實時監控。當水位較低時，變頻調速裝置可降低排水泵的轉速，從而降低排水泵的排水量，達到節能降耗的目的；當水位超過警戒水位時，傳感器會將訊號送至變頻器，并快速提升輸出頻率，帶動排水泵高速運轉，及時排出積水。以山西某大型礦井為例，采用變頻調速技術，對主泄水系統進行實時監控和智能調節，使其能耗降低23%，每年節約電費80多萬元。同時，泵葉輪、密封等易損件的更換周期由6～8個月延長到12～14個月，降低頻繁啟停及機械沖擊，使設備故障率下降35%，維修費用下降20%左右。另外，變頻排水泵還和煤礦自動化監測系統進行無縫對接，實現遠程啟停控制、故障預警等功能。在地面控制中心，工作人員就能對排水泵的運行情況進行實時監控，并針對井下涌水狀況，對排水策略進行靈活調整。

（五）在煤礦壓風機安裝中的應用

礦井壓風機是煤礦井下氣動裝備的“動力心臟”，主要為鑿巖機、風鎬等設備提供壓縮空氣，其工作狀況直接影響到礦井的生產效率和能源消耗。傳統壓風機多為恒速運行方式，其工作頻率和強度隨工作進程而動態變化，導致其工作狀態多為空載或輕載。據統計，在一些礦井中，傳統的壓風機空載運行時間占到35%～45%，造成很大的能源浪費。同時，頻繁啟停操作會對裝備內部結構產生巨大的機械沖擊，導致關鍵零部件（如活塞、軸承等）的磨損加劇，設備失效率比穩態運行時高25%左右。將變頻調速技術應用到礦井壓風機上，能夠很好地解決以上問題——將壓力傳感器和流量傳感器集成到壓風系統中，實現對氣動設備實際用氣量的實時監控。當氣動裝置的使用量減少，用氣減少時，傳感器就會把數據反饋給變頻器，變頻器就會自動地降低輸出頻率，降低壓風機的轉速，從而減少壓縮空氣的輸出量，減少能源消耗；反之，當空氣消耗量增大時，變頻調速裝置迅速提高轉速，使壓風機的轉速達到最大值，及時滿足生產需要。例如，山東某年產三百萬噸的礦井采用變頻主壓風機后，經過實時監控和精確調整，壓風機能耗減少28%，每年節約電費120萬元以上。采用變頻調速技術后，壓風機運行工況得到明顯改善，頻繁啟停及機械沖擊等情況減少，大大減輕設備關鍵部件的磨損，使本公司壓風機活塞、軸承等零部件的更換周期由原來的8～10個月延長到14～16個月，設備故障率下降32%，維修費用下降22%。更重要的是，變頻壓風機能夠實現多個設備的聯動控制，當用氣量的變化時，該系統自動地調整操作臺數和每一臺壓風機的轉速，讓壓風系統能夠協調、高效地運行，從而進一步提高能源的利用率，為實現煤礦的智能化和綠色化生產奠定基礎。

結語

目前，煤礦機電安裝在啟動模式、效率和環境適應能力上均存在明顯不足，已不能滿足現代煤礦安全高效運行的需要。而將變頻技術應用于煤礦機電設備的安裝，可有效地解決啟動電流大、能耗高、設備磨損嚴重的問題。通過軟啟動、精確調速和智能控制，通風機、提升機、皮帶輸送機等設備的工作性能得到明顯提高，達到節能降耗和生產效率雙提高的目的。

參考文獻：

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