矿山机电设备中变频控制技术原理及应用探析

2021-12-26崔庆美

世界有色金属 2021年18期

崔庆美

（玉溪飛亚矿业开发管理有限责任公司，云南玉溪 653100）

矿山采矿中所应用的设备较为多样，整体采矿作业机电系统极为复杂，需要以自动化的形式，对机电设备予以控制，才能保证设备运行的稳定性。而变频控制技术是自动控制技术体系中一个重要组成部分，因此，为了更好地实现机电设备自动控制，必须深入研究变频技术的原理，并总结出科学、有效的技术应用方案，以提升矿山机电设备的自动化作业水平。

1 矿山机电设备中变频控制技术的应用优势

从总体上来看，变频控制技术在矿山机电设备控制中运用的主要优势在于以下几个方面：第一，生产效益方面，变频控制技术可以让设备运行更加灵活，而且变频控制系统支持速度调节、自动化控制、远程控制、启停控制等大部分机电自动控制功能，因此，在该技术的助力下，机电运行管理所需的人力资源数量将急剧减少，实现了成本的压缩，同时，该技术可以让系统在不需要工作的时候，进入低功率状态，减少了能耗，提高了成本控制力度，由此为企业创造了更大的生产效益空间；第二，作业状态方面，目前为止，变频控制技术以及配套设施的发展已经达到了比较成熟的水平，在矿山机电设备控制中具有较强的可行性，而且故障几率较低，能够保证各项控制功能的可靠运作，因此，可以使设备作业状态更加稳定；第三，环保方面，伴随着能量的消耗，机电设备通常会向外释放大量的烟气，导致环境污染，而变频控制具有降低能耗的作用，可以减少污染气体排放。此外，变频控制技术对机电设备功率的控制，能够极大地减少机电设备的运行磨损，控制后期运维带来的能耗以及污染。

2 矿山机电设备中变频控制技术原理

2.1 变频控制基础原理

变频控制有两种模式，第一种为将直流电转化为不同频率的交流电。第二种为将交流电转化为直流电，之后再转化为不同频率的交流电，但无论以哪种模式实现变频控制，变频控制技术的基础原理均为：在不改变电能的情况下，改变电流频率，由此改变电机转速，实现对电机运行的控制。其中，逆变方式的基础原理为，根据傅里叶级数公式，uo=4Ud/π，可知，电压的变化会改变基波幅值，而幅值决定电流的频率，然后基于此，构建一个桥式逆变电路，通过控制电路中的开关开合，改变电压，以引起基波幅值的变化，最终改变电流频率，实现逆变。但如果涉及到交流电向直流电的转化，那么在变频控制基础原理中，除了包含逆变原理内容以外，还包含整流原理内容。在此过程中，整流原理为，通过利用整流电路中开关的开合，改变电流频率，使交流电转化成为直流电，实现整流。此外，在变频控制技术基础原理中，控制运行部分的基础原理可以被概括为公式，，其中，n为电动机转速、p为极对数、f为电流频率、k为滑差系数。由此可见，n受f所影响，因此，可以通过变化电流频率来控制电机转速，实现变频控制。

2.2 交流变频控制技术原理

在变频控制技术中，交流变频控制技术是其中一个重要组成部分，总体上来说，该技术的基础原理可以被阐释为公式，同步转速表达式、异步电机转差率定义式，异步电机转速表达式。但如果从细化的技术基础原理层面上来看，需要将该技术分为三种类型，即恒压频比控制技术、矢量控制技术、直接转矩控制技术。其中，恒压频比控制技术原理为，将相电势近似为定子相电压，然后通过控制定子相电压，保持电动势与频率之间的比值恒定，由此，使调速控制时，气隙磁通更加恒定，实现恒压频比控制，增强变频控制功能的稳定性。矢量控制技术原理为，通过运用VFD对三相交流电机进行控制，来操控变频器的输出电压、功率等矢量，由此实现对设备的变频控制。直接转矩控制技术的原理为，通过直接控制马达的磁通、转矩，来控制马达的速度，由此改变电路频率，实现机电控制。根据上述理论论述，变频控制技术的运用可以有效改善电网、控制系统、电机的运行水平，如减小启动电流、启动电流对电网影响较小等。

2.3 整体变频控制技术原理

如果从矿山机电设备体系的整体来看，变频控制技术原理可以被宏观地阐释为：当技术配套物理结构接收到工频信号后，物理结构会将该工频信号转化为可以被识别、读取的工频信号，然后按照信号中所表述的控制指令，运用逆变器，将直流电转化为既定频率的交流电，由此控制机电的转速，达到机电设备控制的效果。基于上述对技术原理的阐释，可以了解到，运用该控制技术，仅需要在电源系统中设置一个逆变器以及工频信号识别装置，作为技术配套的物理结构，即可有效运用此技术，完成矿山作业中复杂机电设备的控制，并借此减低作业能耗、改善作业效益水平。但需要根据所用的具体控制技术，如矢量控制技术、恒压频比控制技术等，来选用相应的技术物理结构，由此保证上述技术原理的有效落实。

3 矿山机电设备中变频控制技术应用

3.1 提升系统机电设备应用

在变频控制技术的应用中，最早人们构建逆变回路时，会设置一个电阻接入回路部分，并通过控制回路内鼓型控制器，在回路中将电阻接入、隔离，以改变电流频率，由此运行变频控制技术。但事实上，电阻的接入势必会带来一部分电能的损耗，使该技术的能耗控制作用受到限制，而且很容易在提升设备调速时，出现低频电流的问题，影响了设备运行的稳定性。为此研发出了一种基于逻辑关系构建出的逆变回路，这种逆变回路主要依靠继电器来完成电流频率的调控，消除了电阻接入造成的电能损耗，而继电器则遵循既定的程序运行，同时，工作者可以通过编程的方式，为继电器的运行设置程序，由此实现了考虑具体控制需求的变频控制技术。由于继电器对程序的识别，主要依靠于将梯形图转化为控制电路图，所以工作者运用梯形图这种较为简单的方式，即可完成编程，提高了技术的可行性[1]。

3.2 皮带系统机电设备应用

在矿山机电设备系统中，皮带设备属于金属、非金属矿山水平传送设备，由于大部分矿山的开矿区域规模较大，因此，水平传送路程也比较远，这在很大程度上增加了皮带系统的能耗，凸显出了变频控制技术的应用价值。在变频控制技术应用中，为了达到良好的控制效果，需要让变频控制系统根据负载的变化，进行输出频率、力矩的调整，因此，工作者应根据：

等公式，开展继电器编程，然后通过控制继电器的运行，使逆变器的输出电流状态，符合皮带机电系统控制需求，由此，达到预期的控制效果。就目前来看，变频控制技术在此处的应用，能够使矿山作业节约大量的电力，而且消除了上下轴出力不均匀，造成的工作辊偏移、皮带偏移等问题，改善了皮带机电系统的使用性能，有助于矿山生产作业水平的发展[2]。

3.3 通风系统机电设备应用

通风系统是保证矿井内作业安全的重要设备，而长时间高负荷的运作容易加剧设备的磨损，增加故障几率。由此人们会运用变频控制技术，根据风量需求，对通风系统运作功率进行控制，控制长期高负荷运转下，形成的故障风险，同时，也能够借此，来降低通风设备的能耗量，以达到更好的设备运行效果。此外通风系统运行中，工作者还可以采用远程控制的方式，对通风系统进行调控，以消除地理位置束缚对通风控制工作时效性的影响，由此大幅度减少通风不畅事故发生的几率，压缩此方面的人力资源消耗量。

3.4 采矿系统机电设备应用

采矿机电是矿山作业机电设备体系中的核心设备，其负责进行具体的矿石开采工作。从整体上来看，该设备的运行行为较为复杂，因此，变频控制技术通常与PLC技术等自动化控制技术共同应用，在技术的应用中，需要将变频控制配套设施接入到自动化控制系统中，并通过接收、识别中控系统下达的指令，来运行继电器，使逆变器的输出电流能够控制指令要求，实现变频控制。

3.5 井下绞车机电设备应用

在井下绞车机电设备应用中，借助变频控制技术，工作者可以在电源660V、频率50HZ的前提下，将井下绞车的输出功率灵活控制在0～50之间。但考虑到整体电网供电运行，必须将电压控制范围设置在-15%～10%，并将频率控制范围设定在-2.5%～2.5%，以免变频控制运行影响其他设备的作业。但由于绞车设备在低频运行时容易出现元件过热问题，因此，在运用该控制技术时，还需做好配套冷却辅助装置的设置，保持绞车设备在变频控制下的良好运行状态。此外，目前矿山自动化作业水平的发展，让PLC等自动化技术逐步被引入到井下绞车机电设备的运作管理中，所以在此处，变频控制技术也经常与电气自动化技术联合应用。

3.6 铲运机及矿山辅助机电设备应用

铲运机、矿山辅助机电设备的运行控制也是变频控制技术常用领域。在技术应用中，可以将变频控制系统设置到整体的中控系统中，让变频控制系统能够按照中控系统统筹得出的控制方案，对铲运车、矿山辅助机电设备的运行行为进行控制，以确保上述两种设备能够按照人们的需求，进行自动化运行，同时，由于中控系统支持人工操作，因此，工作者还可以根据实际情况，以人工操作的方式，直接向变频控制系统下发指令，由此操控铲运机、辅助机电设备的运行，提高控制系统的灵活性。