略论矿山机械设备中变频技术的应用

张善强

摘 要：随着我国科技水平的不断进步和国家对能源问题重视程度的加深，节能和安全成为当今矿山生产工作中的首要工作任务，而变频技术因其突出的调节和控制性能而被越来越广泛的应用在矿山机械设备中，尤其是在矿山及井下运输、采矿、通风等多个方面。变频技术的应用成功的提高了矿山机械设备的性能，进而提高了矿区的生产效率和质量，而且使煤矿企业取得了良好的节能效果。该文中笔者根据自己的实际工作经验，立足于变频技术的应用原理，就变频技术在矿山机械设备中的应用现状做出了分析，并阐述了其应用前景。

关键词：变频技术 矿山 机械设备 应用前景

中图分类号：TD4 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）08（b）-0043-02

我国地大物博，是一个矿产资源丰富的国家，特别是地表土层之中矿产种类及储存量丰富，这大大推动了我国的国民经济发展。然而矿山耗电量巨大，只电耗成本一项就占据了总生产成本的70%左右，并且这种能耗对矿山设备在启动、加速、制动、减速及维护方面都是非常大的浪费，这在当前推崇环保节能的社会环境中显得格格不入。伴随着科技的迅速发展，变频技术在矿山机械设备中的广泛应用逐渐解决了这一问题，尤其是对电力能源需求较大的压气、通风等多个方面，更加需要变频技术来防止能源无谓的损耗，从而更好的推动矿山的可持续发展；另一方面，变频技术的应用对于矿山生产设备效率的提高和优化也是至关重要的。为此，加强对矿山机械设备中变频技术的探讨与研究，在当前具有非常重要的现实意义。

1 变频技术概述

随着全国各地区矿山资源的不断开采，总量越来越少，这也就意味着各开采企业之间的竞争会愈演愈烈，尤其是作为耗电大户的煤炭开采企业，其在市场上综合竞争力的优势很大程度上依赖于其所用机械设备的高节能效率和低污染排放。而在矿山机械设备中应用变频技术是节能减排、增强企业竞争力、保护环境、促进企业长期发展的不可或缺的重中之重。当前矿山机械设备的用电量占企业总用电量的绝大部分，因此变频技术巨大的节能潜力决定了其在矿区生产中占有不可取代的地位。

1.1 变频技术

变频技术，简而言之就是电流频率的改变和优化技术，变频技术主要分为以下几种类型：直——直变频技术（即斩波技术）、交——直变频技术（即整流技术）、直——交变频技术（即逆变技术）、交——交变频技术（即移相技术）。现在人们常说的变频技术通常就是指交流变频调速技术，它是将工频交流电通过不同的技术手段变换成不同频率的交流电。就当前来看，交流变频调速技术属于一种综合性的应用技术，不仅包括了电力电子技术、微机技术及电力传动技术等，同时也是一种实现了强弱电与机电设备一体化的综合技术。

1.2 应用原理

矿山机械设备在正常使用过程中，不会在满载负荷的情况下进行长时间工作，当电机在非满负荷状态下运行时，达到动力驱动要求后的多余力矩会增加功耗，造成电能的浪费。为使设备既不造成浪费又能达到工作动力要求，非常有必要在设备运行过程中使用变频技术，变频器会根据实际负荷用改变电流频率的方式来控制电机转速，避免设备产生多余的力矩。矿山机械设备中应用的变频技术，其基本原理是利用半导体元件的通断作用将工频电源信号转换为不同的频率。确切的说，矿山机械设备中的变频技术就是基于电流频率和电机转速之间的同比增长关系，通过改变电机的速度来调节电机输出功率与之匹配进而科学有效的控制机电设备，这是一种可以尽量避免额外转差损耗的高效率调速方式，也解释了在如今能源匮乏的大环境中变频技术为何能够脱颖而出并倍受青睐的原因。同时，变频器的整流、直流、逆变和控制四大组成部分相辅相成，共同实现对设备转速的自动、平稳、节能、高效控制，使矿区的工作效率得到了大幅度的提高并最大程度的减小了能源损耗，也由此促进了变频技术理论和实际生产应用的快速发展。

1.3 发展历程

变频技术是在交流电机无极调速的广泛需求下产生，并在能源危机中不断发展。变频控制装置的功率器件经历了GTR（达林顿功率管，电流驱动）和IGBT（绝缘栅双基极场效应管，电压驱动）交替的过程，并且进一步发展成为了智能功率模块IPM（Intelligent Power Module），IPM可以将变频的功率不断的增大。在控制技术方面，随着压频比U/f控制方式的巨大进步，矢量控制变频调速和直接转矩控制变频技术被更加广泛的应用于变频器的实际操作中。同时，人工神经网络、模糊自动化控制等变频节能技术新的研究思路也得到了设想和开发，技术也由以前单一的数字信息处理发展到目前较先进的高级专用集成电路。最后随着当前变频器系统化和综合化的不断加强，在功能上不仅具有基本的调速功能，还通过内置设备具有了编程、通信和参数辨识等功能。在我国变频技术在实际应用中越来越广泛，并随着转矩直接控制与矢量控制的不断应用研究有了新的方向。比如：交流变频向直流变频方向转化；功率器件向高集成智能功率模块发展；缩小装置的尺寸；高速度的数字控制；模拟器与CAD技术等。

2 变频技术在矿山机械设备中的应用

变频技术因其自身的优越性在我国矿山机械设备中得到越来越广泛的应用，这不仅大幅度的降低了矿产工作中所造成的电能耗费及环境污染情况，同时也缩短了设备的维修和养护开支，有效的提升了矿产开采效益。

2.1 矿井提升机中变频技术的应用

提升机作为矿山机械中的一项主要设备，主要担负着安全输送施工设备、物料、人员等方面的任务，是矿山日常生产和建设中必不可少的一部分。其传统的调速方式是在电动机转子电路内接入金属电阻，而后利用鼓形控制器或者接触器切除电阻，但这种方式在实际运用中存在极大的安全隐患，并会大量消耗电能且散热性能差。在提升机当中使用变频技术，可改变这一现状，既能实现无级平稳的加减速，又能增强系统各方面的性能。主要做法是选用交流四象限变频调速系统配上变频防爆提升机，实现数学信息化控制，在完备的输入输出接口电阻中，实现对提升机的远程控制，确保提升机顺利完成自身任务。变频应用的优点：（1）在对电路图与梯形图之间进行转换控制上更加简便；（2）在一定程度上可以免除维护，故障查找简单，且在查找的过程中也会对机械和电汽进行故障检测；（3）不需要对硬件经过接线，就可以实现对提升机柔性控制；（4）当提升机负力的情况下，电机产生回馈制动的效果将再生能源反馈到电网，电能节约明显提升。而且制动力矩增大的同时也提高了绞车的安全性；（5）相对以前减少了系统冲击和机械磨损，增加了设备的使用年限。endprint

2.2 采煤机中变频技术的应用

采煤机由早期的液压牵引发展到如今的交流电牵引，与提升机相同，采煤机也具有启停频繁、变速复杂的特点，因此，在引入变频器时理应考虑进行四象限工作。目前，采煤机变频调速系统已从“一拖二”发展到“一拖一”，我国能量回馈型四象限运行的交流变频调速采煤技术处于世界领先水平，能够实现额定转速下恒定转矩调速，额定转速以上恒定功率调速及两台变频器之间的主从控制和转矩平衡。从现场运行情况来看，采用四象限工作形式能够对采煤机进行较大范围的控制和调节，维持牵引速度在一个较为稳定的水平，避免机器出现溜车、下滑等现象。此外，引入变频技术后采煤机的操作也相对简单，控制更加精确，操作方便、速度调节可靠。目前我国很多采煤机都是采用四象限变频器，这种变频器具有结构简单、容易控制、速度可以随机调节的优势。

2.3 皮带机中变频技术的应用

在矿井机械设备中皮带机的使用功率比提升机还大，皮带机是借助绕线电机的经转子绕组来进行降压启动后工频巡行，而后再经由液力耦合器转换到皮带机中。其工作原理是利用驱动轮毂转动产生的摩擦力牵动皮带运动，进而通过皮带上特殊的张力变形，来带动皮带在滚轴上的运动。在这个过程中，转子串接电阻会改善转矩以及减压空载启动等，不过其启动电流依然过大，易产生电网电压的剧烈波动、电机内部机械冲激及发热等现象；而且因启动时间太短也造成了皮带的断裂以及老化，所以对皮带的韧性提出了严苛的要求；同时液力耦合器自身运转时存在部件磨损严重、油温上升等问题，这无疑加大了设备的维护成本和难度，也极大的污染了环境。在皮带机中融入了变频技术后，可从根本上稳定皮带机的工作性能，实现皮带机的软起软停，系统就可以根据皮带的实际负荷，来调节输出频率及力矩，有效降低了对电力能源的消耗，而且过程中系统的功率因数也高于90%，大大提高了矿井的工作效率。变频技术的能量回馈功能在减少能源消耗的同时还降低了设备的维护费用，节约资金和完善环保，一举两得。

3 变频技术在矿山机械设备的应用前景

虽然目前我国矿山机械设备中变频技术的应用尚不完全成熟，但随着我国相关技术的推广和开发，加之对能源利用率提出的更高要求等可以看出，变频技术在矿山机械设备应用中的发展空间还是很大的。首先，矿山中采用的机械设备种类繁多，解决好变频器与设备的匹配问题，就能更加大范围的推广；其次，我国矿产丰富，未来设备升级对变频器的需求量加大，也推动了变频技术的推广应用；再次，矿山工作环境特殊繁杂，对变频器特殊功能的需求也呈现专业化趋势；最后，随着电子技术的飞速发展和矿山改造中对变频器需求的增加，变频器的控制也会成为矿山管理中的重要工作环节。

总之，随着变频技术在矿山机械设备中的有效应用，其速度可调、操作简单、工作效率高、占地面积小、拆装方便以及节能降耗等特点，使我国的矿山生产和建设不仅改善了当前的工作环境，同时还降低了生产成本，保护了生态，有效提高了采矿业的效益。《中华人民共和国节约能源法》第39条，已将变频技术列为通用节能技术加以推广。随着变频技术的不断改进，相信在不久的未来将在各业当中都能得到广泛的应用。本文由于作者的水平有限，所述内容不足之处，望同行予以斧正。

参考文献

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[2] 王真，陈召磊，曹晓冬.矿井提升机直接转矩控制系统转矩脉动最优控制[J]. 工矿自动化，2014（2）.

[3] 原慧军，张燕军.变频调速在矿井提升机控制系统中的应用[J].机械工程与自动化，2011（3）.endprint