变频节能技术在煤矿机电设备的应用探析

张立文

（神华包头能源有限责任公司，内蒙古 包头 014010）

变频节能技术在煤矿机电设备的应用探析

张立文

（神华包头能源有限责任公司，内蒙古 包头 014010）

我国开采煤矿资源的程度越来越深，为缓解煤矿资源的能源短缺等问题，节能安全，提高生产效率已经成为我国当前煤矿生产中的重要原则。为此，改进煤矿机电设备，在提高设备生产效率的同时，提高设备的节能效果和设备技术含量成为当前的重要问题。在这一背景下，变频节能技术应运而生。变频节能技术具有良好的节能效果与和缓的机械调节功能，极大改进了煤矿机电设备。本文主要介绍了变频节能技术在煤矿机电设备中的发展状况，并详细介绍了其在煤矿机电设备中的应用。

变频节能技术；煤矿机电设备；发展现状；应用

我国是一个煤矿资源丰富的国家，尤其在浅层地表，蕴含着大量的矿产资源，在我国经济发展中，煤矿资源扮演着重要角色。然而，在煤矿开采上，相比于其他煤矿资源丰厚的国家，我国却仍存在着煤矿开采效率低、安全性不高、耗电严重等问题，造成了巨大的资源浪费。据相关人员统计，煤矿井下的提升机、排水泵、通风机械、运输机械，仅此四大件的耗电量占据煤矿开采整体耗电量的60%以上，且耗费的多数电能并非被机械应用，而是直接浪费。基于此，提高煤矿机电设备的节能效果成为重点，变频节能技术的应用有效缓解了机械耗电问题，被广泛应用在煤矿机电机械中，成为节约能源、保护环境的重要手段。

1 变频节能技术

电力电子技术的发展，推动了交流电力传动的发展。在变频节能技术的实际应用中，不仅带来良好的调速功能，还具备着节约资源、减少设备维护费用和提高设备寿命等优势。尤其是在大容量或者较为恶劣的工作环境中，变频节能技术的作用更加明显。因此，了解变频节能技术的基本原理，熟悉其发展状况，已经成为社会各界人士广泛关注的问题。

1.1 变频节能技术的发展情况

随着社会的发展，电力电子技术与控制理论的不断进步，变频技术在煤矿机电设备中的广泛应用，变频技术的理论与应用得到快速发展。在功率方面，变频技术经过了GTR、ICBT的更替，并发展出了智能功率模块IPM。在控制理论上，压频比（U1/f）控制方式得到改进，矢量控制与转矩直接控制被广泛应用于变频器中，模糊自优化控制、人工神经网络等控制方法成为新的研究方向。在功能上，变频器的综合化提高，不仅能够完成基本调速功能，还具有编制程序、参数辨识、通信、节能等功能，变频器的应用越来越广泛。变频调速技术是改善电动机驱动方式的一种先进技术，能够使电动机在较为节能的转速下运行，取得了较明显的节能效果。煤矿井下的环境较为特殊，瓦斯、煤尘等易燃易爆物质是矿井下必备产物，为煤矿开采带来较大危险性。随着科技的发展，变频节能技术在其他设备充分展现其节能、调速等效果，该项技术才真正被逐步应用于煤矿机电设备上。伴随变频节能技术的应用，设备运转效率大大提升，提高了煤矿机电设备的性能，节约了电能的使用，减少了电能的浪费，提高了煤矿企业的经济效益，提高了我国经济效益与社会效益。

1.2 变频节能技术的基本原理

变频技术主要是指改变交流电频率，使应用该项技术的设备达到自动化控制，是一项无附加转差损耗的现代化调速方式。在机械设备中应用变频技术，相关人员可通过机电设备负载段的变化值，在系统前段为设备设定参数值，改变设备的运转情况，提高机电设备运转效率。

式中，n表示应用变频技术设备的电动机转速；f表示频率；p表示电机级数。当n一定时，改变f，则n相应随之变化；当f在0～50Hz范围内变化时，n的调节范围较宽。变频调速就是利用这一原理改变点动力电源频率，进而起到调速效果。

2 不同类型变频器在煤矿机电设备中的应用

变频器的广泛应用，推动了变频器的发展，目前，变频器已经发展出多种不同类型，常见变频器主要有常规式变频器和交流四象限变频器两种。

2.1 常规式变频器在煤矿机电设备中的应用

在煤矿生产领域中，常规式变频器应用得非常广泛，且不仅仅应用于煤矿机电设备中。常规式变频器不仅具备降低能源消耗、节约能源的基本功能，还能够提高设备自动化系统的灵活性、智能化，提高系统远程控制，使设备操作更加便捷，这些功能使得常规式变频器应用更加广泛。随着知识型经济时代的到来，各种技术的更新速度加快、知识周期变短，常规式变频器只有不断更新才能保障其在煤矿机电设备中的重要地位。目前，常规式变频器逐渐向模块化、多功能化转变，其优越性更高。模块化多功能变频器的优势主要体现在以下几方面：其一，具备标准化参数结构与标准化调试软件；其二，工能广泛且丰富；其三，通讯接口是系统集成，安全性较高，使用较为便捷，操作与控制较为灵活。通过上述功能可知，常规式变频节能技术在我国煤矿机电设备应用上具有较大潜能，模块化多功能变频器在煤矿机电设备上的应用，必将取得更好的节能效果。

2.2 交流四象限变频器在煤矿机电设备中的应用

在煤碳采掘中，若采掘设备需要在大坡度工作面上采煤，则煤矿机电设备需要频繁调速、起停，尤其是提升机、输送机、电铲等煤矿机电设备，对此，保障煤矿机电设备内的变频器能够四象限工作非常重要。四象限变频器工作原理：变频器对蒸馏电路进行操作，使变频器内全波整流桥转变为由IPM构成的可控整流桥，当电机处于电动状态，则四象限变频器工作状态与普通二象限变频器相同，当电机处于发电状态，则四象限内原先的逆变电路将会作为整流电路工作，原先的整流电路转化为逆变电路进行工作，两种电流的转化实现了电量向电网的回馈，极大提高煤矿机电设备的节能效率。

3 变频节能技术在煤矿机械设备中的应用

3.1 变频节能技术在采煤机中的应用

采煤机是一种集机械、电气与液压为一体的大型复杂系统，是实现煤矿生产机械化与现代化的重要设备。因此，在煤矿开采中，采煤机占据着重要地位。大多时候，采煤机的工作环境恶劣，加之本身系统的复杂性，因此，提高采煤机的性能显得尤其重要。在煤矿开采过程中，采煤机占据主力地位，一旦采煤机发生故障，极易影响采煤过程的全部环节，导致采煤工作中断，为煤矿企业带来巨大的经济损失。在采煤过程中，采煤机占据着重要位置，因此，人们对其功能的要求越来越高，然而功能提高，各种新科技不断应用的同时，同样增加了采煤机的维修难度，一旦采煤机出现故障，极大影响了生产效率。变频节能技术的出现与应用，采煤机具备了变频调速功能，节约能源的同时，提高了采煤机的生产效率，降低了采煤机出现故障的几率。近年来，人们对煤矿的需求量逐年降低，许多煤矿企业经济损失较大，在此环境下，只有不断降低采煤过程所需成本，才能够避免企业入不敷出的现象，煤矿企业大胆创新，将能量回馈性四象限变频器运用在电牵引采煤机中，不仅提高了采煤机的科学含量，同时减少了采煤机的损坏，提高了生产效率，进一步节约能源，极大降低了煤矿开采时的成本。目前，我国采煤机变频调速系统已经由“一拖二”发展至“一拖一”，并且我国在能量回馈性四象限变频调速采煤技术上已经处于世界领先地位。

3.2 变频节能技术在风机中的应用

在矿井生产时期，随着矿井开采程度的加深，矿井内含煤量不断减少，为保障煤矿生产的安全性，矿井通风设计也应随着矿井生产的时期而不断变化。过去，我国多数煤矿开采企业为保障煤矿的通风效果，提高矿井生产的安全性，在矿井生产中期会重复不断更换风机，然而该种方式不仅为工作人员增加负担，且风机极易损坏，增大了生产成本的投入。并且被更换下的风机也被搁置，设备利用率低下，造成资源浪费。变频节能技术的应用，将传统的电机调速技术、现代电力电子技术以及计算机控制技术有机结合，风机具备了自动调速功能，使风机由原先需要不断更换的状态下解脱出来，减少了资源的闲置与浪费，起到较好的节能效果。并且，变频节能技术在风机中的应用，提高了风机的调速效率、调速范围与调速精度，提高风机的运行性能，节约了频繁维修所花费的成本，降低了启动所需的电流量，风机实现了闭环控制，有效节约了电能。

3.3 变频节能技术在带式输送机中的应用

带式输送机是一种以摩擦力为驱动力来运输物料的机械，由机架、输送带、滚筒、传动装置等组成，是将煤炭、矸石等由井下运输至井外的最佳帮手，在矿井开采中起着重要作用。目前，在大多矿井开采过程中，采用的运输装置多是以电动机输出为动力，以摩擦阻力为主要牵引力的带式输送机。在带式输送机工作过程中，多是以工频拖动的方式实现带式输送机的软启动，极易造成皮带老化甚至断裂，影响运输效率，造成较大成本浪费。采用变频节能技术后，变频器能够随时将电机中产生的负力回馈给电网，有效降低了启动电机时的大流量冲击，减少设备过热情况发生，延长了带式输送机的使用寿命，节约成本；并且，变频节能技术的应用，将电机转速调节至经济状态，当输送机负荷率较低，则电机转速下降，主设备与相应辅设备磨损较轻，较少设备发生故障的几率；另外，变频节能技术在带式输送机中的应用，能直接对电机实现软启动，且电机启动电流不超过其额定电流的1.2倍，保障了电机的平稳运行，且变频器对电机过流、短路、过压等多项功能均起着保护作用，更好地保护电机，降低了维修成本，为企业带来更高效益。

3.4 变频节能技术在提升机中的应用

提升机是一种通过改变势能进行运输的大型机械设备。在煤矿生产过程中，提升机除了运输煤炭等物料外，能够有效保障采煤作业人员的安全，在煤矿开采中占据着非常重要的作用。在变频节能技术未被煤矿机电设备应用前期，人们为赋予提升机的调速功能，将金属电阻运用在电动机转子电路中，虽然起到一定的调速作用，然而，在作业人员真正操作设备时，调速功能很难起到效果，各种各样的问题存在其中，尤其是安全问题与电能大量消耗问题，此两种问题直接阻断了该项技术的发展。变频节能技术的出现与应用，提升机才真正具备调速功能，并起到了其保护作业人员安全的作用。现今，科学技术的不断发展，变频节能技术也经过不断更新，实现了数字信息化控制，将四象限变频器与变频防爆提升机协调运行，提高了提升机的远程控制，有效控制了提升机的输出与输入接口，保障工作人员与物料的安全、高效输送。

3.5 变频节能技术在主排水泵中的应用

排水泵的主要目的是抽送液体，在这一过程中，排水泵将机械能转换为液体能量。排水泵不仅仅能够进行液体的传输，还能够实现液体的增压，在煤矿开采过程中的给液、给水中发挥着重要作用。在没有引进变频技术前，排水泵拥有较长的空转时间，在排水泵频繁起停工作中，不仅消耗大量电能，排水泵还易发生故障，造成资源与成本的浪费。自变频节能技术应用于排水泵以来，有效提高了排水泵的运行率，减少了设备发生故障的几率，电能消耗明显降低，且排水泵的操作更加方便，排水泵起停减速效果也得到有效控制。

4 结语

当前，我国煤炭行业的规模不断发展扩大，煤矿机电设备科技水平的提高越发重要。变频节能技术的应用不仅赋予了设备良好的节能效果，更为设备增加了调节功能，促进煤电机械设备更进一步发展。在文中，笔者简单介绍了变频节能技术的发展现状与基本性能，并探讨了不同类型变频器在煤矿机电设备中的应用，详述了变频节能技术在采煤机、排水泵、提升机、输送机等机械中的应用，介绍了变频技术及其应用所带来的优势。

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