探析煤矿机电设备中变频技术的节能改造

杨光

（上海大屯能源股份有限公司江苏分公司，江苏 徐州 221600）

1 变频技术的原理和应用

变频技术是一种电力电子技术，通过改变电源频率，控制电机的转速和输出功率。基本原理是将输入的交流电转换为直流电，然后再通过逆变器将直流电转换为可调频的交流电。，从而实现电机的调速控制。在煤矿机电设备中，变频技术被广泛应用于提高机械设备的效率、降低能耗、减少机械损耗和提高生产效率等方面[1]。

变频技术的应用范围非常广泛，包括空调、电梯、机床、水泵、风机等机电设备。在煤矿行业中，变频技术被广泛应用于采掘机、运输机、通风机、提升机、水泵、压缩机等设备中，变频技术能够实现设备的精准调速和节能控制，从而提高设备的工作效率和生产能力。

2 煤矿机电设备的能耗特点和节能潜力

2.1 煤矿机电设备的能耗特点

众所周知，在煤矿生产中煤矿机电是不可或缺的设备，能耗比较高，根据煤矿机电设备的特点，其能耗主要表现在以下4 个方面。

（1）启动能耗。煤矿机电设备在启动时，电机的电流会瞬间达到较高值，导致启动时的能耗较大。

（2）滞后能耗。煤矿机电设备在停止后，电机的转速并不会立即降为零，而是需要消耗一定的电能才能停止转动。

（3）空载能耗。煤矿机电设备在空载状态下，电机的转速仍然会保持一定的值，从而消耗一定的电能。

（4）部分负载能耗。煤矿机电设备在部分负载状态下，电机的转速和电流并不是恒定的，而是随着负载的变化而变化，从而导致能耗的变化。

2.2 节能改造的必要性和优势

随着环保意识的不断提高和能源价格的不断攀升，煤矿企业越来越关注节能减排的问题。煤矿机电设备的节能改造对于煤矿企业来说，有以下4 个方面的优势。

（1）节约能源成本。可以降低能耗，从而减少企业的能源成本。

（2）提高设备效率。可以提高设备的效率，从而提高煤矿的生产能力。

（3）延长设备寿命。能够减少设备的损耗和磨损，从而延长设备的使用寿命。

（4）提升企业形象。提高企业的环保形象，增强企业的社会责任感。

3 对煤矿机电设备中变频技术进行节能改造的意义

3.1 节约能源

变频技术可以实现电机的无级调速，使得设备能够根据实际负载情况实现自动调节，从而避免了传统电机启动时高速度、低效率的问题。因此，采用变频技术可以大大降低设备的能耗，实现节能效果。

3.2 提高设备稳定性

传统的电机在启动过程中会产生大的冲击电流和机械应力，容易导致设备损坏。而采用变频技术可以实现平滑启动和停止，避免了电机启动时的冲击问题，同时提高了设备的稳定性和可靠性。

3.3 延长设备寿命

变频技术可以控制电机的转速，使得设备在长时间使用过程中不会受到过高的机械应力，从而减少了设备的磨损和损坏。所以，科学且合理的应用变频技术，能够进一步延长设备寿命，也能降低成本，避免维护所产生的影响[2]。

3.4 提高生产效率

有效的应用变频技术能够进一步实现设备的无级调速，从而使设备能够根据实际负载情况进行自动调节，保证了设备的运行效率。同时，变频技术还可以实现设备的远程控制和监控，方便管理人员对设备进行监控和调度，提高了生产效率。

3.5 减少环境污染

采用变频技术可以减少设备的能耗，从而减少了燃煤等能源的消耗，降低了CO2等排放物的排放量，减少了对环境的污染，符合可持续发展的要求。

4 煤矿机电设备中变频技术的节能改造内容

4.1 提升式皮带输送机变频技术节能改造

作为煤矿生产中的重要设备，提升式皮带输送机能耗占到煤矿总能耗的比例较大。传统的提升式皮带输送机通常采用定速电机进行控制，而这往往会导致生产过程无法满足实际的负载要求，出现浪费能源的不良现象，由于提升式皮带输送机的负载变化大，定速电机在启动和停止时产生的冲击电流和机械应力也会影响设备的稳定性和可靠性。

通过安装变频器控制系统，可以实现提升式皮带输送机的无级调速，而且也能依据实际的生产情况做到自动调节，满足节能的基本要求与目的。变频器控制系统通过改变电机的频率和电压，可以实现对提升式皮带输送机的无级调速，在运行过程中，变频器可以根据实际负载变化来调整电机的转速，保证设备始终处于最佳运行状态。与传统的定速电机相比，变频器可以实现节能效果高达30%以上。同时，采用变频器控制系统可以实现提升式皮带输送机的平滑启停，避免了传统启停方式产生的冲击电流和机械应力，提高了设备的稳定性和可靠性，变频器控制系统可以通过控制电机的加速度和减速度，使得设备在启动和停止时能够平稳地运行，避免了传统启停方式对设备的损伤。

在提升式皮带输送机的变频技术节能改造中，需要考虑的因素较多。首先，需要考虑提升式皮带输送机的特点和实际工况，确定变频器的选型和安装位置。其次，需要考虑提升式皮带输送机的工作状态和负载特点，进行变频器参数的设置和调整。在实际应用中，还需要加强对变频器的维护和管理，保证设备的正常运行和节能效果的持续发挥。

4.2 煤矿通风机的变频技术节能改造

煤矿通风机也是其中的设备之一，其作用是在矿井中为矿工提供充足的新鲜空气，同时将矿井中的有害气体、粉尘等物质排出矿井，保证矿工的生命安全和生产环境，但通风机长时间工作的能耗较高，是煤矿能耗的重要来源之一。众所周知，传统的通风机通常采用常规启停方式进行控制，启动过程中电流较大，启动时间长，能耗较高，而采用变频器控制系统可以实现通风机的无级调速，使得设备能够根据实际需要进行自动调节，达到节能的效果。变频器的主要功能是改变电机的运行频率和电压，以控制电机的转速，采用变频器控制系统可以将通风机的电机控制在最佳运行状态，达到节能降耗的目的。

4.3 煤矿提升机的变频技术节能改造

煤矿提升机是煤矿井下重要的物资和人员输送设备，其运行所需的能量消耗较大，传统的提升机采用常规启停方式进行控制，每次启动时电机都需要消耗大量电能，造成能源的浪费。此外，由于提升机在运行过程中所需的能量大小存在较大差异，常规控制方式很难满足设备无级调速的要求，也会浪费大量电能，在此背景下通过变频技术的节能改造，可以实现提升机的节能控制，降低煤矿的能源消耗和成本支出。

（1）无级调速控制。传统的提升机采用定速电机进行控制，很难满足设备在不同负载下的运行要求，会造成能源的浪费。通过安装变频器控制系统，可以实现提升机的无级调速，使得设备能够根据实际需要进行自动调节，达到节能的效果。

（2）平滑启动和停止。传统的提升机启动时电机需要消耗大量电能，并且启动时间长，容易造成电网电压的波动和电机的损坏。而采用变频器控制系统可以实现提升机的平滑启动和停止，避免了传统启停方式产生的冲击电流和机械应力，提高了设备的稳定性和可靠性[3]。

（3）节能效果显著。煤矿提升机采用变频器控制系统后，能够实现无级调速和平滑启动停止，从而达到节能效果。实际应用中，变频器控制系统可使提升机的能耗降低20%～30%，能够为煤矿带来显著的节能效益。

4.4 煤矿破碎机的变频技术节能改造

煤矿破碎机是煤矿生产中必不可少的关键设备之一，它的工作原理是利用破碎机刀片对煤炭进行破碎，将大块的煤炭破碎成小颗粒，方便后续的物料处理。然而传统的破碎机采用定速电机控制，导致在实际生产过程中，往往不能满足不同负载的要求，浪费能源。此外，破碎机启停时，电机电流瞬间升高，电网压降加大，这不仅增加了设备的机械应力，而且对电力系统的影响也不可忽视。为了解决上述问题，可以采用变频器技术来对煤矿破碎机进行节能改造。具体来说，通过安装变频器控制系统，可以实现破碎机的无级调速，使得设备能够根据实际需要进行自动调节，达到节能的效果。同时，采用变频器控制系统可以实现破碎机的平滑启停，避免了传统启停方式产生的冲击电流和机械应力，提高了设备的稳定性和可靠性。

在变频器控制系统中，电机通过变频器接受来自控制系统的调速信号，实现破碎机的调速功能，变频器可以根据负载的变化自动调整电机的转速，从而达到节能的效果。同时，变频器还具有启动和停止的平滑控制功能，可以通过软启动和软停止技术，逐渐增加或减少电机的转速，避免了传统启停方式带来的冲击电流和机械应力[4]。

4.5 井下电机车的变频技术节能改造

井下电机车是煤矿井下主要的物资和人员运输设备之一，其能耗占到煤矿机电设备能耗的相当大比例，传统的电机车通常采用常规启停方式进行控制，导致电机在启动过程中电流较大，启动时间长，能耗较高，在运行过程中由于负载的变化，电机的转速也需要随之变化，如果采用定速电机进行控制则会浪费大量的能源。通过安装变频器控制系统，可以实现电机车的无级调速，设备能够根据实际需要进行自动调节，达到节能的效果。同时，采用变频器控制系统可以平滑启动和停止电机车，避免了传统启停方式产生的冲击电流和机械应力，提高了设备的稳定性和可靠性，变频器控制系统还可以实现电机车的动态制动，将制动能量回馈到电网，进一步提高能源利用效率。

在电机车的节能改造中，还可以采用高效能的永磁同步电机替代传统的异步电机，提高电机的效率和功率因数，进一步降低能耗。当然还可以采用能量回收系统，将电机车在制动过程中产生的能量回收并存储，用于电机车的加速和运行，从而进一步提高能源利用效率。

4.6 井下局扇变频技术节能改造

井下局扇是煤矿井下通风系统中的重要组成部分，其能耗占到井下总能耗的比例较大。传统的局扇通常采用定速电机进行控制，导致在实际生产过程中不能满足不同风量的要求，浪费能源，通过安装变频器控制系统，可以实现局扇的无级调速，使得设备能够根据实际需要进行自动调节，达到节能的效果，变频器控制系统可以使井下局扇的风量和静压得到精确控制，不仅提高了局扇的控制精度和稳定性，而且在控制风量和静压的同时，能够有效地减少能耗。换而言之，变频器控制系统还可以平滑启动和停止局扇，避免了传统启停方式产生的冲击电流和机械应力，提高了设备的稳定性和可靠性。在实际应用中，变频器控制系统还可以实现局扇的自动化控制，通过联网监测和数据分析，实现远程监控、故障诊断和预测维护，提高设备的运行效率和生产安全性，在井下局扇的节能改造中广泛采用变频技术，实现节能降耗和智能化运行[5]。

4.7 采煤机变频技术节能改造

采煤机是煤矿井下采煤作业中的主要设备，其能耗占到煤矿总能耗的比例较大。传统的采煤机通常采用定速电机进行控制，然而却无法依据实际情况满足负载要求，进而浪费能源，通过采用变频器控制系统对采煤机进行节能改造，可以实现以下效果。

（1）实现无级调速。变频器可以根据实际需要对采煤机进行无级调速，使设备能够适应不同的工作负载，提高设备的效率和能源利用率。

（2）平滑启动和停止。采用变频器控制系统可以实现采煤机的平滑启动和停止，避免了传统启停方式产生的冲击电流和机械应力，延长设备的使用寿命。

（3）实时监测和调整。变频器控制系统可以实时监测采煤机的运行状态，并通过调整参数来优化设备的运行效率和节能效果。

（4）减少能耗损失。采煤机在工作过程中常常会产生大量的惯性负载和回转损失，然而合理的应用变频器控制系统，不仅可以实现节能改造，降低能耗，而且也能减少成本，提高经济效益。

5 结语

本文从煤矿机电设备中的变频技术节能改造出发，详细介绍了变频技术在煤矿通风机、提升机、破碎机、电机车、局扇、采煤机等设备中的应用及其节能效果。通过对煤矿机电设备中变频技术的应用分析，可以发现变频技术具有广阔的应用前景和发展趋势，在未来的研究和实践中，需要进一步深入挖掘变频技术的潜力，推动煤炭行业的节能减排工作，实现绿色发展。