变频技术在现代煤矿机电工程中的应用实践

赵海鸿

（开滦（集团）蔚州矿业有限责任公司单侯矿，河北 张家口 075700）

目前，对能源需求也有所增加。当前的能源形势，依然以煤炭为主体，如何增加煤炭开采效率，降低煤矿成本，提高煤炭的竞争力显得尤为重要。在煤炭开采期间，如果能有效控制电力使用，将极大降低煤炭开采成本。变频技术在煤矿企业机电上的应用，有效降低了煤炭开采期间的电力使用，提高开采效率，降低成本的前提下，有效保障了煤矿企业的健康发展。

1 变频技术应用价值

1.1 提高资源利用效率

社会经济的快速发展，离不开各类能源的支持，煤炭作为化石能源中的一种，目前，已经广泛应用于生产制造业中。虽然煤炭资源属于不可再生能源，如果不能对其进行高效利用，势必会限制社会经济的长久发展。变频技术的应用，可以对机械设备的工作模式进行动态调整，如在煤层较薄的作业区域，可以降低开采设备的工作功率，使其以恰当的掘进方式进行开采，减少机械空转的情况。例如，在风机结构的应用过程中，可以适当提高机械设备的输出功率，其节能效果可以达到50%～70%，进而提高资源利用效率。

1.2 降低煤矿开采成本

现阶段，越来越多的先进开采技术流入市场中，这也在很大程度上提高了煤矿的工作效率，并且很多煤矿企业已经率先完成了生产模式转型，进入自动化生产阶段。与此同时，如何在可控范围内降低煤矿的开采成本，也成为人们重点关注的内容。在上文中已经提到，变频技术可以结合作业区域的实际情况，对机械设备的输出功率进行调整，这样可以提高开采过程的持续性。尤其是在一些煤层分布情况相对复杂的作业区域，动态调整的作业模式，不仅可以顺利地完成煤层开采任务，而且还能够降低开采过程中降低5%～15%的成本投入，从而提高企业在市场中的核心竞争力。

2 变频技术工作原理

变频技术是将三相380V(220V)/50Hz 交流电通过整流桥整流变成脉动直流电，通过电解电容滤波后变成平滑的直流电，控制板对IPM、IGBT 或模块的控制后将平滑的直流电变成三相频率可变的交流电。通常变频流程为整流器将交流电转变为直流电，之后将该直流电调整为频率可以控制的交流电，最后，从电动机输出。控制电路可以在相关运行需求条件下，对逆变器和整流器进行输出控制，达到改变电流频率的目的。

对于煤矿来说，矿井中要使用到的电力设备占到绝大多数，变频技术的应用可以调整电流频率，控制设备输出，让设备可以在更稳定的环境中工作。并且还可以通过控制设备输出，迎合目前的生产需求，达到了节能减排的目的。

3 变频技术在现代煤矿机电工程中的具体应用

3.1 空气压缩机运转

除了极少数煤炭资源所处位置距离地表较近以外，大部分煤炭资源都位于矿山或地下深处，这也在一定程度上增加了开采过程的困难度。而且煤炭资源在开采的过程中还存在着附带物，如瓦斯、地下水等。

瓦斯作为有害气体，若开采环境中含量过高，那么，很容易发生瓦斯爆炸事故，威胁到人们的生命财产安全。

对此，在煤矿开采过程中，空压机主要作用是压风自救系统，在矿井发生灾难时为井下提供新鲜风流，其次，是辅助供风，为井下风动水泵、风动锚杆钻机、等提供风能。

但是，压缩机一直处于高频率的工作状态，这样不仅会增加运行故障的发生概率，而且还容易增加电网的工作负担，影响其他机械设备的正常工作。将变频技术应用到空气压缩机运转过程中，可以对结构运行状态进行监控，提高系统的运行效果。尤其是在煤矿开采中期，煤层结构的复杂性也会增加开采难度，在其他设备出现运行故障的情况时，为了确保正常开采进度和确保开采人员的生命安全，通常会采用替换法在其他区域临时设置新的工作设备，但是，很容易忽略一直处于运行状态的空气压缩机，造成了较大的资源浪费。而变频技术的应用可以结合实际情况，及时停止空气压缩机的工作状态，能够节电30%～40%，从而起到降低资源损耗的作用。

3.2 采煤机械设备

在煤炭资源开采的过程中，采煤机械设备属于主要的执行载体，其工作状态也将直接影响到煤炭的开采效率和开采质量。机械设备都有固定的使用寿命，受到工作环境、操作人员水平、设备生产质量等因素影响，其使用寿命还会缩减。一旦设备出现了停摆的情况，由于作业区域位于地下，其维修的难度非常大，此类情况也将直接影响整个开采活动推进的顺畅性。结合以往的管理经验，导致设备运行寿命不断降低的主要原因与高负荷运转情况有关，而变频技术的应用，可以对采煤机的输出功率进行动态调控，结合开采区域煤层厚度，适当加大或减小设备的输出功率，故障发生概率较以往也下调了60%，使设备的运行情况保持在稳定的状态。另外，变频技术的应用还可以适当降低采煤机械设备操作的复杂程度，提升了设备工作状态的可靠性。

3.3 煤矿皮带装置

在煤矿开采的过程中，煤矿皮带装置属于常用的运输载体，即将煤炭资源从开采区与运输到矿外。其工作原理是在电能的驱动下，皮带与轮毂之间所产生的摩擦作用会带动整个设备的运行，如果想保持皮带高速的运行状态，需要损耗掉大量的电力，这也在很大程度上造成了资源的浪费。

目前，常用的煤矿皮带装置以液压耦合装置来促进设备的正常运行，但是，该过程会消耗掉大量的电能，并且装置上还会附加较多的电压，增加了安全隐患的发生概率。变频技术的应用，可以对液压耦合装置的工作状态进行优化，引入了软启动模式，这样在皮带装置正常运行的过程中，电路网结构的功能损耗可以下调30%～55%，从而起到节能减排、提升资源利用效率的作用。而且在设备维护的过程中，变频技术可以辅助数据信息采集，借助传感器设备运输设备的工作状态进行监督，在检修时，也可以快速定位故障部位，加快了故障检修速度。另外，变频技术还可以避免由于液力耦合器损坏，电机控制失灵的情况。

3.4 提升机械设备

结合以往的开采经验，现阶段我国在开采煤炭资源时，一般会采用垂直轴开采或斜轴开采的方式来完成既定的开采任务。在此过程中，需要借助提升机械设备来将货物或人员从地面上输送到作业区域，随后再继续开展相关的煤炭开采任务。在以往开采过程中，所开采的煤炭资源主要位于浅层，但是，在煤炭资源损耗速度加快的背景下，煤矿企业对浅层煤炭资源的损耗速度也在加快，而且还需要对深层煤矿资源进行的开采，这也对提升机械设备的运转性能提出了新的要求。变频技术在该环节的主要任务是合理管控设备本身的运行速度，结合实际运行状态下设备实际的运行情况，合理调整设备的对外输出功率，减少设备空转情况的出现。同时，对于设备关机功能可以进行适当调整，在确定完成开采任务之后，能够在第一时间完成关机操作，从而在确保机械设备运行稳定性的基础上，降低运行成本的支出。

3.5 安全防护方面

在煤矿开采深度不断增加的背景下，安全防护工作的重要性也在凸显，如何采取积极有效的措施来保护开采人员的生命安全，也成为煤矿企业需要重点衡量的问题。结合以往的应用经验，变频技术应用到该环节中，可以和自动化监控系统关联在一起，同时，在大数据技术、专家系统、云计算技术等帮助下，协调各机械设备的工作状态，减少设备启动与停止的次数，这样可以降低设备惯性所带来的影响，延长结构的使用寿命。并且变频技术的应用，可以渗透到多个安全防护层面，如最基础也是最关键的通风装置上，变频技术可以结合空气中有害气体浓度，适当调整通风量大小，从而在确保工作环境安全性的基础上，降低能源的损耗速度。另外，变频技术还可以调节其他辅助系统正常的工作状态，减少重复作业情况的发生概率，如提升机工作状态、电路网工作状态等，确保各个系统之间工作的稳定性，从而提高整个工作过程的安全性。

4 结语

综上所述，在资源损耗速度不断加剧的背景下，如何提升资源利用效率已经成为社会关注的焦点问题之一。煤炭资源作为不可再生资源，为了确保煤矿企业经济的稳定发展，需要从充分发挥变频技术的应用优势，将其合理地应用到机械设备运行过程中，从而提高确保整个煤矿生产过程的安全性，降低整个过程的能耗，促进煤矿产业的可持续发展。