变频技术在现代煤矿机电工程中的应用

章红全 淮南矿业（集团）有限责任公司老矿区事务管理处

煤矿变频控制技术的应用随着煤矿生产规模不断扩大，设备装机总功率持续增加，自动化程度越来越高，驱动设备的性能要求也在提升并广泛使用。变频器控制电机具有结构简单、造价低廉、启动转矩大、启停平稳、功率损耗小、启动电流小、调速性能良好等特点，使变频控制技术在煤矿机电设备中应用越来越广泛。文章通过分析变频器的优越性能，讨论其在煤矿采煤机、刮板运输机、胶带输送机以及乳化液泵站的应用效果，阐述了变频控制技术对煤矿实现最优的生产工艺、多负载动态平衡自动调节、低成本维护和保养、电力能源节约、消除机械及电气冲击、提高设备使用寿命等方面的优良效果，为大型煤矿驱动装备的选型提供依据。

一、变频节能技术概述

变频节能技术是利用变频技术实现节能的。变频技术是基于电力电子器件的一种技术，利用变频技术可以改变电流的频率。中国电网电流的频率为50Hz，利用变频技术可以将交流电变成直流电，或者将直流电变成任意频率的交流电。变频装置由交流电源、整流器、逆变器、控制器和驱动电路等构成，利用变频装置可以改变电机的工作频率，进而使电机处于节能状态运转。而传统电源装置不能够改变电机的工作频率，机电设备始终以一种模式运转，不能够随着工作状况的改变而改变，导致机电设备能耗增大，而且也大大影响到设备寿命。利用变频技术可以根据需要灵活地调整机电设备的工作状态，延长机电设备的使用年限，降低机电设备的功耗，进而降低企业的生产成本，提高企业的竞争力和经济效益。现在变频器已经广泛应用于煤矿机电设备中，由变频器原理可知：变频器基本的技术路线为“交-直-交”。首先将电网交流电整流成直流电，再利用逆变器将直流电逆变成所需要的交流电。变频技术又包括直接将交流电变换成另一频率的交流电的技术，但是在实际应用中存在着一定的局限性，在煤矿机电设备中几乎没有应用。交-直-交型变频器一般由整流器、滤波器、逆变器和控制器构成。其中，整流器用于将电网电压变换成直流电；滤波器负责滤除整流器输出的直流电压中的谐波；逆变器负责将直流电变换成任意频率的交流电；控制器是整个装置的控制中心，根据采集到的信号向逆变器发出不同的驱动波形，控制逆变器的工作状态。

二、变频技术在现代煤矿机电工程中的应用

（一）煤矿提升机中变频技术的应用

提升机在运行过程中其象限共有四种：第一种，每当运行速度降低以后，运行时间也会随之缩短。第二种，如果两台提升机向相反方向开始运行，那么会改变运行方式，由此也就改变了电机的运动形式。第三种，提升机在不同的运动形式下会受到电机的影响，此时电机会因为运动形式的转变而产生一定能源消耗，这一点在提升机的上升和下降中有很大不同。比如提升机在上升过程中能源消耗更大，因为同时要克服重力和摩擦力的影响，而在下降过程中能力消耗会有所降低，这是因为只需要克服摩擦力的影响。第四种，动态性的变化，指的是无法对提升机运行状态做出有效判断，但依然想输送同一种频率和强度的能源，从而使其处在稳定的运行状态下。应用变频技术的目的就是以原有提升机的运行状态为基础，同时结合提升机的运行状态向其输送能源，以此达到提升运行稳定性的目的。实际应用过程中，可以在提升机内加装信号反馈装置，然后通过信号反馈装置行像能源供应系统输送当前提升机的运行状态数据，而能源输送系统在接收到数据以后可以对提升机的运行状态做出准确判断，然后为其提供所需的能源。比如提升机在下降过程中，其所需的能源更小，那么能源输送系统在接收到信号以后不需要输送过多能源即可令提升机保持稳定下降。而且变频技术在提升机的作用是连续性的，也就是说其可以各种高精度的测量设备为基础，在提升机初始位置开始就全程监测运行状态，然后根据运行状态输出能源。因此在煤矿提升机中应用变频技术需要家装信号传输、运动状态监测等高精度的设备，这样才能获取提升机最准确的运行数据，并对能源输入开展合理规划，以此保证提升机能够更加平稳的运行。

（二）通风机调速技术方案

1）恒速改变叶扇风门角度调节风量对于双轴流式叶扇通风机来说，通过转速增大叶扇通风机构和叶片的旋转角度大小来同时调整叶扇风压，也就是能够通过转速改变叶片和轮片的齿数大小来同时调节叶扇风量。但是需要通风机停机后才能够进行调整设备，需要长时间的调整才能实现，没办法实现平滑调节的通风量，也不能随时随地根据通风状况进行改变。离心式的通风机指的是通过手动调节整个通风机口的整体形状及其通风道口的大小，或调节通风机管道里手动开关的风口开启关闭程度，手动调节减小了通风道的流动横断面，以直接增加风道通风的流动阻力，从而直接改变了整个通风机组管网系统的性能特性变化曲线，最后再用来直接改变整个通风机组在生产工作时的状态，以此来实现整机风量的自动调节，这种手动调节风量方法其实缺乏可操性。2）变速调节风量通过变速改变驱动通风机的横向转轴角和旋转运动速度，改变驱动通风机自身的各种特性运动曲线从而调整了通风量的大小，有效地调节通风机性能。

（三）矿井皮带输送机变频技术的应用价值

皮带输送机是矿井上下运输的核心机器，其每日运行时间长，运行距离远，消耗功率巨大，传统控制方式无疑会消耗巨大的电能。变频技术的应用可以降低皮带输送机的能耗，而且皮带输送机变频器已经取得飞速发展。现在皮带输送机的变频启动技术已经广泛应用，再配合选用低耗能的变频电机，结合电控系统的变频调速原理，可进一步降低煤矿皮带输送机的能耗。皮带输送机变频技术的应用使得皮带输送机可以自主调整转速，减少空载耗能和启动损耗，效率得到很大的提高。运输同样吨位、同样距离的煤炭，研究利用变频技术来降低皮带输送机的能耗、提高皮带输送机的效率，对于矿井来说具有重大的经济效益，同时在很大程度上能够实现能耗的降低。

（四）变频器在综采采煤机上的应用

采煤机是煤矿综采工作面不可缺少的设备，长壁式采煤机按牵引方式可分为3种类型，即机械牵引、液压牵引、电牵引。机械牵引采煤机结构简单、适应性差、效率低，现基本淘汰；液压牵引采用液压泵、液压马达及阀组管路系统，结构复杂，液压件要求精度高，而且液压系统阻力大、泄露损耗大，总效率只有60%～70%左右；电牵引采煤机可分为直流电牵引采煤机和交流电牵引采煤机2种，具有控制简单、传动效率高，能够适用于各种地质条件，电牵引采煤机已成为采煤机发展主导方向。采用直流电动机，用晶闸管调速装置改变直流电动机电枢回路的电压或磁通实现采煤机牵引速度的无级调速，具有调速性能好、控制响应快，能够实现各种保护、检测和显示，但直流电动机结构复杂，电动机电刷、整流子易磨损。如今矿用采煤机牵引多采用交流电牵引方式，利用变频调速装置改变输入电机的频率、电压进行调速，大多采用交-直-交变频器控制。以美国JOY7LS采煤机为例，该采煤机变频系统由1个交-直整流电源模块BSM、2个直-交逆变器模块组成，控制2台交流牵引电机。当采煤机割煤时，由遥控器启动采煤机变频器，三相整流模块BSM将电源575V交流电整流为800V直流电压，经过电容器滤波，送至2个逆变器，逆变器将直流电压逆变可控三相交流输出频率、电压，给定牵引速度，可使采煤机在运输机上匀速往返割煤，当采煤机截割电机电流、温度超过额定值时，采煤机主机给变频器发出命令，强制减速，直到采煤机截割电机电流、工作温度在额定值以内，牵引速度恢复设定值；当采煤机牵引电机电流、温度超过额定值时，变频器自动降低输出频率，直到采煤机牵引电机电流、工作温度在额定值以内。

三、结语

根据变频器实际应用可知，将变频器应用于煤矿提升机、皮带输送机、风机、采煤机等大功率煤矿机电设备中，在节能方面取得了很好的效果，据有关统计，可以降耗30%左右。变频技术全面取代传统调速技术是大势所趋，也是国家发展、社会进步的需求。变频技术的应用不仅能直接降低机电设备的损耗，还能降低设备的故障率，直接提升作业效率，间接实现节能降耗。但是，目前变频器的应用存在着一定的问题，比如变频器本身损耗较大，可以进一步研究变频器的控制算法，使用低损耗的器件，在实现性能提升的同时，降低变频器自身损耗。