矿山机电设备变频控制技术分析

2024-04-05姜鹏

中国设备工程 2024年4期

姜鹏

（国能榆林能源青龙寺煤矿,陕西榆林 719400）

从前矿山企业主要为人工生产模式，生产效率低且安全风险大，影响了行业的现代化。当前技术进步的过程中，越来越多的矿山企业尝试机械化作业，内部配备的各种机电设备，使生产作业中不同设备可发挥其功能优势，在相互配合中完成了生产任务。但很多矿山企业机电设备的运行能耗较高，不符合节能目标。为发挥机电设备的功能、性能等优势，为矿山企业创造更大的经济、社会效益，各企业需合理引入变频控制技术，用于控制机电设备的运行，提高机电设备运行安全性、可靠性。

1 矿山机电设备中变频控制技术的应用优势

矿山企业内机电设备的类型繁多，每种设备都有其特殊的运行特点及功能优势，以这些为基准合理应用变频控制技术，能发挥变频调节的优势，具体表现在以下方面：（1）生产效益。变频控制技术下机电设备可灵活、高效运行，该技术兼具速度调节、自动化控制、远程控制功能，这些功能特点下可由自动化模块完成，很多部分不再需要人工完成，节约了这部分的人工费用；系统不工作时机电设备处于低功率状态，能耗偏低，也有助于控制成本，为矿山企业创造更大的生产效益，使企业有更大的利润空间。（2）作业状态。技术稳步发展的过程中，变频控制技术取得了显著成就，进入了相对成熟的发展阶段，这一技术下增强了机电设备的运行可靠性，降低设备故障，使各种机电设备保持最佳运行状态。（3）节能降耗。变频控制的灵活性高，控制模块能在设备运行中依据状态、参数等信息自动调节，降低设备运行中的能耗，实现节能目标。

2 变频控制基础原理

目前变频控制技术有两种模式：将直流电转化为不同频率的交流电、将交流电转化为直流电，最后再转化为不同频率的交流电。实际的生产生活中无论选用哪一变频控制模式，都能达到高效、精准控制，其技术特点决定了其在很多领域都有较大的应用潜力。变频控制的原理为：电能固定，调节电流频率，最终改变电机转速，达到对电机的精确化、自动化控制。变频控制期间逆变方式原理为：参考傅里叶级数公式，电压变化时基波幅值有一定波动，而此幅值为决定电流频率的关键因素，在这些关系下建立桥式逆变电路，合理调节电路的开关闭合，使电压达到标准，使电压调节期间基波幅值有所改变，通过电流频率的调节达到逆变目标。如实际的工作中存在交流电向直流电转化过程，变频控制基本原理中不仅涉及逆变内容，还存在整流原理。整流原理为：在整流电路下完成开关开合，调整电流频率，使交流电转为直流电，达到整流目标。

3 矿山机电设备中的变频控制技术

3.1 提升机设备

矿山企业的生产作业中涉及多种机电设备，提升机设备仅为其中的一种。根据矿山生产作业特点，提升机可为物料、人员的运输提供便捷，从运输方面可保障安全性。具体应用中，保持金属电阻器、电动机转子电路之间的可靠连接，再配备鼓型控制器或者接触器，关闭电阻以调节速度。传统的提升机在工作中如进入减速段或者为下降状态，需动力制动直流电源或者低频电源，操作不当可能损坏设备，且设备运行中的能耗较高，安全风险大，既不利于实现矿山企业的安全生产目标，也无法为企业创造更大的经济效益。而在现阶段的条件下，将变频控制技术应用于提升机设备中，就是在提升驱动系统内采用变频技术，达到无级、平稳加减速，优化设备功能，提升设备性能。将变频控制技术应用于提升机设备时，其技术优势表现为：（1）借助编程器实现编程，由逻辑方式实现电子控制系统中的逻辑关系，将调控电路图转换到梯形图；（2）外部线路控制的继电器数量较少，可增强安全性与可靠性，降低故障率，后续的维护工作量少；（3）显示屏操作、编程器的相互结合下能检测系统故障；（4）控制精度显著提高，扩展性增大，如需更改系统中的个别参数，只需要修改部分程序即可实现，硬件接线解除相对便捷；（5）如提升机在负力状态，电动机形成的再生能量能被反馈给电网，节约了电力消耗。

3.2 皮带机

矿山生产作业中皮带机也为比较常见的机电设备，在此设备运行中功率略高于提升机，通过绕线电机，经转子绕组降压启动工频巡行，由液力耦合器切换到皮带机。操作过程中驱动轮毂的作用突出，在一定的摩擦力下能牵动皮带，而皮带在张力变形、摩擦力作用下，可依据规定在滚轴上转动。在此过程中，转子串联电阻下的转矩较大，机电设备兼具减压、空载启动功能，但一些情况下的启动电流往往超出了正常值，增大了电网电压风险，不稳定电压对电机内部的冲击较大，电机散热不佳，个别零部件损坏严重。由于启动时间短，皮带机运行过程中出现皮带断裂、老化故障的概率较高，为提高皮带机运行的可靠性，对皮带性能的要求较高，皮带的坚固性要好，一旦有破损或者其他问题，需立即更换。液力耦合器工作中，随着其工作时间的延长，内部油温明显增大，易引起其他故障，后续处理故障的难度大、成本高，还可能伴随环境污染、能耗浪费问题。而在当下，在皮带机中应用变频控制技术，可创新软启动、软停止模式，大大增强皮带机的运行效率。利用变频控制改造了皮带机系统后，皮带机运行中的输出频率、转矩均由调节负载来实现，改动电机前为工频恒速运行模式，而改造后的变频调速控制，能耗低，皮带机功率因数基本在90%以上。

3.3 通风机

由于矿山生产作业条件的复杂性，为满足高效、安全生产的目标，矿山企业必须配备通风机来实现通风目标，以创造良好的作业条件。结合矿山企业的生产特点，通风机保持长时间、高强度运行状态。开采作业中，需通风系统提供更多风力，通风机风压增大的过程中其功率、能耗都显著增大，如缺乏有效控制，无法实现矿山企业的节能目标。因此，现阶段的矿井作业中有关人员必须密切关注通风机的功率大小。市场上的部分通风机中采用了变频控制技术，当矿井作业中配备这类通风机时，系统可根据巷道的风量需求实现调速，控制效率高且能保障设备的高效运转。通风机中如调整变频器，可实现变频软启动，大大减小电流在设备的冲击，启动与停止控制更便捷。一般情况下，如在通风机中配备变频控制部分，可大大降低通风机的运行速度、工作强度，使设备长时间维持在最佳状态，降低故障频次。另外，为保障电动机的转速相同，正常情况下2 台电动机的工作频率应一致，否则，可能产生风阻影响通风机风险运行。

3.4 井下绞车电控系统

矿山机电设备也包含井下绞车，当前很多矿山企业在生产作业中越发关注井下绞车电控系统的节能改造。依据绞车电控系统的工作情况，如输入电源为660V，其频率基本在50Hz 上下，为此，实际的工作中应将调节输出功率控制在0 ～50W，此情况下的电压波动区间为-15%～+10%，频率调控范围在-120%～+120%，形成四象限运转条件。部分井下绞车如采用变频控制技术，电控系统兼具自动扭矩提高功能，如绞车维持低频运转状态，电控系统可保持整体额定转矩，起到过热保护作用，增强绞车系统的安全性。另外，控制箱中的快开门方式，能凸显双PLC 全数字控制系统的功能优势，再加上不同硬件电路之间高度融合，为绞车工作提供了便捷。PLC系统运行中如出现故障，系统可临时提升，避免故障处理不及时引发的其他问题。如电控系统有正常和稳健操作工况，为保障这些工况下绞车正常运行，需合理设置保护设备，发挥设备的保护功能。过卷装、限速装置方面，为达到加速保护，需在系统内引入双线工作模式，此模式能独立运行。如系统运行中未按照有关要求接收到信号，严禁直接启动车，只有当信号发出时间间隔在30d 以上的情况下，才可顺利启动车。根据实际经验，在井下绞车电控系统中采用变频控制技术，可减少电能消耗，采用智能模块一旦采集到过载或者超载信息，系统可立即断电。通过变频控制技术将故障自断系统应用于井下绞车电控系统，司机操作台能显示与故障相关的信息，如故障类型、位置、原因等，有关人员可根据这些信息快速处理故障，最快时间内恢复井下绞车系统的正常运行。

3.5 采矿机

矿山开采作业过程中，采矿机承担着重要的生产任务，因为矿山现场的环境条件负责，采矿机运行中往往受到环境条件的干扰，经常出现故障或者其他异常。当前部分矿山企业中采用了变频控制技术，此技术下可实现设备的自动化控制，有关人员借助电脑、手机等设备可实时监控设备运行状态，并依据设备参数等采取必要化调节措施，使采矿机保持正常运行状态，维持正常的生产作业。变频控制技术的优越性明显，在原先的采矿机工作中，一旦启动电气设备，瞬时电流异常大，可能损坏部分零部件，而变频控制技术下几乎无此问题，有关人员能在此技术下保持电流的稳定性，从而使采矿机的运行速度、状态等符合相关规定。从节能角度，变频调速下采矿机的牵引速度正常且稳定，能耗较低，符合节能标准。

3.6 井下水泵

矿山企业在生产作业中，井下水泵的作用也较为突出，此设备一般主要负责排水任务。矿井生产期间，在季节性因素影响下，不同时期的涌水量各有不同，而这些往往会干扰井下水泵的排水任务。因此，从矿井安全、高效生产的目标着手，相关人员必须清晰了解用水量与水泵类型的关系。如在水泵中应用变频控制技术，可改变电机设备的功能与性能，因为矿井排水量与电机性能、工作状态有关，相关人员可依据排水量情况合理调节电机运转速度、功率，保障矿井排水能达到标准，发挥水泵作用，降低水泵故障率，降低能耗。部分矿山企业的离心泵中采用了变频控制技术，满足了矿山给水、给液要求，抽水泵的控制、操作更便捷和高效，水泵运行期间，基本无急剧增速与减速情况，启动与停止更为正常，系统灵敏度高、可靠性强。另外，离心泵中合理应用变频控制技术，还可最大程度上减小离心泵的机械冲击作用，避免冲击力过大引起设备损坏的情形，降低离心泵磨损程度，以免离心泵工作期间频繁启停、增减速。当前的矿山生产作业中，主排水泵操作系统一般有远程控制与就地控制两种模式，该系统的驱动设备一般为就地模式，能直接控制泵机的电动闸开关，为设备的远程控制创造条件。

3.7 铲运机及矿山辅助机电设备

矿山生产作业中铲运机、辅助机电设备也比较常见，这些机电设备与其他类型的机电设备相互配合，可维持正常的生产作业。当前矿山企业内部都在探索全新的发展路径，一些企业在铲运机和辅助机电设备中均采用了变频控制技术，具体的应用中可将变频控制系统添加到整体的中控系统中，在机电设备进入运行阶段后，变频系统能动态监测铲运机、辅助机电设备的运行状态，获取设备的相关参数，达到自动化控制的目标。另外，中控系统支持人工操作，现场有关人员可立足实际情况采用人工控制方式向变频系统发送指令，以保障铲运机、辅助机电设备良好的运行状态。

3.8 渣浆泵

一些矿山企业内配备有渣浆泵，此设备在运行过程中如缺乏科学控制，设备难以发挥其功能优势。依据矿山生产中渣浆泵的运行原理，借助离心驱动力将电能转化为所需动能与势能，设备的机械功率等级高，且功率大，运行中的能耗较高。井下作业中渣浆泵持续运行，电能消耗大，而引入变频控制技术后可改变这一情况，降低渣浆泵的能耗，并为矿山企业创造更大的经济与社会效益。如变频控制下，渣浆泵加速模式有一定变化，智能控制程序可增强系统的安全性。