煤礦機(jī)電設(shè)備中變頻節(jié)能技術(shù)的探討

于繼圖

（陜西正通煤業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 咸陽 713600）

0 引 言

目前，我國煤礦開采效率不高、耗電嚴(yán)重、安全管理低下等問題越來越嚴(yán)重?！笆濉币?guī)劃后，煤礦能耗嚴(yán)重的問題被予以高度重視，已然成為社會(huì)關(guān)注的新焦點(diǎn)。煤礦耗電主要是機(jī)電設(shè)備，如風(fēng)機(jī)設(shè)備、運(yùn)輸機(jī)械等。這些機(jī)電設(shè)備耗電能量占煤礦開采耗能的60%以上，且這些耗費(fèi)的電能沒有被再次利用。因此，煤礦開采節(jié)能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是機(jī)電設(shè)備節(jié)能。

1 變頻節(jié)能技術(shù)簡介

1.1 工作原理

變頻節(jié)能技術(shù)最主要的功能是節(jié)約能耗。將它運(yùn)用在煤礦機(jī)電設(shè)備中，可減少機(jī)電設(shè)備的能源消耗，使機(jī)電設(shè)備以最節(jié)能的方式正常運(yùn)轉(zhuǎn)。它的核心元件是變頻器，可以將直流電逆變成不同頻率的交流電，然后再將交流電逆變成直流電，優(yōu)點(diǎn)是僅有電流頻率的改變，在轉(zhuǎn)換過程中不會(huì)消耗電能。

1.2 變頻器主要內(nèi)容

變頻器是可將主頻電源逆變?yōu)榱硪活l率的電能控制裝置，主要利用了電力半導(dǎo)體元件的通斷作用。半導(dǎo)體是指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與半導(dǎo)體之間的材料，其導(dǎo)電性可被人為控制，電阻率處于絕緣體與導(dǎo)體之間。當(dāng)溫度升高時(shí)，電阻率指數(shù)減??；當(dāng)溫度降低時(shí)，電阻率增大。變頻器是將固定電壓和頻率的交流電逆轉(zhuǎn)成可變交流電的控制裝置，逆轉(zhuǎn)過程可分為兩步。第一步是將三相或者單相交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，第二步是將轉(zhuǎn)換后的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)槿嗷蛘邌蜗嘟涣麟?。電頻器在逆轉(zhuǎn)過程中會(huì)改變輸出頻率和輸出電壓，將電動(dòng)機(jī)運(yùn)行曲線平行下移，啟動(dòng)重載負(fù)荷，節(jié)約電機(jī)運(yùn)行耗費(fèi)的電能。變頻器的優(yōu)點(diǎn)是變頻性能良好，缺點(diǎn)是造價(jià)成本高[1]。

1.3 變頻器分類

變頻器大致可分為三類，分別是電流型、電壓型和高低高變頻器。電流型在逆變成直流后增加電感元件，使其具有四象限運(yùn)行功能，有利于電機(jī)制動(dòng)，缺點(diǎn)是必須對(duì)逆變橋強(qiáng)行換流，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)整和維修較為困難，產(chǎn)生的諧波較大，會(huì)對(duì)電機(jī)設(shè)備造成一定干擾。電壓型在直流環(huán)節(jié)增加電容元件，導(dǎo)致其不能進(jìn)行四象限運(yùn)動(dòng)，優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)生的干擾小，缺點(diǎn)是需要增加制動(dòng)系統(tǒng)，必要時(shí)還需增加正弦濾波器，應(yīng)用較為不便。高低高變壓器主要是利用降壓、升壓的方式控制電壓和頻率，需要增設(shè)降壓變壓器和升壓變壓器。

2 變頻節(jié)能技術(shù)在煤礦電機(jī)設(shè)備中應(yīng)用現(xiàn)狀以及存在的問題和對(duì)策

2.1 應(yīng)用現(xiàn)狀以及存在問題

進(jìn)入21世紀(jì)后，數(shù)字化技術(shù)和智能技術(shù)得到高速發(fā)展，一定程度上帶動(dòng)了變頻節(jié)能技術(shù)的發(fā)展。如今，我國變頻節(jié)能技術(shù)的智能化和自動(dòng)化程度越來越高，在煤礦中的應(yīng)用也越來越廣泛。但是，由于我國對(duì)能耗節(jié)約的關(guān)注較晚，導(dǎo)致煤礦機(jī)電設(shè)備變頻節(jié)能技術(shù)的發(fā)展緩慢，且落后的技術(shù)在煤礦應(yīng)用過程中存在諸多問題。第一，缺乏規(guī)范制度。煤礦企業(yè)機(jī)電設(shè)備變頻節(jié)能技術(shù)相關(guān)負(fù)責(zé)人員相互推諉責(zé)任，職權(quán)不明確，導(dǎo)致節(jié)能效果不明顯。第二，煤礦機(jī)電設(shè)備變頻節(jié)能技術(shù)管理水平低，監(jiān)督力度弱，導(dǎo)致煤礦機(jī)電設(shè)備中變頻節(jié)能技術(shù)相關(guān)設(shè)備無人巡視或者巡視次數(shù)少，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，影響其正常運(yùn)轉(zhuǎn)。第三，機(jī)電設(shè)備中變頻節(jié)能技術(shù)自動(dòng)化程度低且管理混亂，很多工序需要人工完成，容易出現(xiàn)不必要的失誤，進(jìn)而影響煤礦機(jī)電設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，降低了工作效率。

2.2 相關(guān)建議

針對(duì)以上現(xiàn)狀和問題，建議建立并完善機(jī)電設(shè)備管理規(guī)范制度。合理、科學(xué)、適合的管理機(jī)制和運(yùn)行制度，是變頻節(jié)能技術(shù)降低能耗的保障。如果缺乏制度的規(guī)范，相關(guān)技術(shù)人員就會(huì)相互推諉、玩忽職守，致使變頻節(jié)能技術(shù)不能充分發(fā)揮節(jié)能作用。首先，明確崗位職責(zé)，制定完善的規(guī)章制度，確保每一個(gè)職工都有自己的工作職責(zé)。其次，加強(qiáng)煤礦機(jī)電設(shè)備管理強(qiáng)度和監(jiān)督強(qiáng)度。建立并完善巡視管理機(jī)制，預(yù)防機(jī)電設(shè)備變頻節(jié)能系統(tǒng)出現(xiàn)故障而影響正常工作；建立并完善設(shè)備檢修機(jī)制，定期或者不定期檢測相關(guān)設(shè)備，尤其是使用頻繁的機(jī)電設(shè)備，必須增加檢測頻率并做好記錄工作。最后，需要引進(jìn)先進(jìn)的科技提高機(jī)電設(shè)備自動(dòng)化程度，進(jìn)而強(qiáng)化管理。雖然變頻節(jié)能技術(shù)廣泛應(yīng)用在煤礦機(jī)電設(shè)備中，但是很多煤礦企業(yè)為節(jié)約成本未將其與現(xiàn)代化計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、智能化技術(shù)等結(jié)合，導(dǎo)致自動(dòng)化程度低，影響了工作效率和質(zhì)量[2]。因此，需要積極引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，提高變頻節(jié)能技術(shù)的自動(dòng)化程度。

3 變頻節(jié)能技術(shù)在煤礦主要機(jī)電設(shè)備中的應(yīng)用

3.1 采煤機(jī)

采煤機(jī)是煤礦開采的核心設(shè)備，集機(jī)械、液壓、電氣為一體，組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜且龐大。由于地下煤礦工作環(huán)境非常惡劣，導(dǎo)致采煤機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)故障，給采煤企業(yè)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。但是，利用采煤機(jī)進(jìn)行采煤，可以減少人工勞力，提高采煤的安全性，且機(jī)器可日夜工作，提高了采煤的工作效率。隨著我國數(shù)字化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，采煤機(jī)更加智能化、人性化、簡單化，采煤故障明顯降低。但是，這些高科技的運(yùn)用都需要耗費(fèi)大量電能，增加了采煤成本。尤其是近幾年，國家提倡可再生能源發(fā)展，各行各業(yè)開始關(guān)注可再生能源，逐漸淘汰非再生能源。煤作為主要的非再生能源之一，市場需求逐漸縮短。為求生存，煤礦企業(yè)必須降低生產(chǎn)成本，而節(jié)約能耗成為降低生產(chǎn)成本的重要對(duì)策之一。為節(jié)約能耗，很多煤礦企業(yè)開始關(guān)注電流型變頻器，并將其應(yīng)用于采煤機(jī)，根據(jù)采煤機(jī)工作實(shí)際需要改變電壓和頻率，使電壓和頻率始終以最適合采煤機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行工作，從而減少電壓和頻率過高或者過低產(chǎn)生的能耗，最終實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

3.2 風(fēng) 機(jī)

煤礦開采時(shí)間越長，礦井里易爆灰塵和瓦斯等含量越高。如果不通風(fēng)，很容易發(fā)生爆炸。風(fēng)機(jī)是煤礦必備設(shè)備之一，主要作用是通風(fēng)，防止礦井發(fā)生爆炸。我國常用的風(fēng)機(jī)設(shè)備有防爆型負(fù)壓風(fēng)機(jī)、軸流式風(fēng)機(jī)和K系列礦用主扇軸流式通風(fēng)機(jī)等。其中，防爆負(fù)壓風(fēng)機(jī)電機(jī)是煤礦防爆型專用電機(jī)之一，采用的防爆外殼可避免電弧、電火花和高溫的電氣部分與周圍爆炸性氣體混合物接觸，防爆性能符合《爆炸性環(huán)境用防爆電氣設(shè)備隔爆型電氣設(shè)備“d”》和《爆炸性環(huán)境用防爆電氣設(shè)備通用要求》的規(guī)定。礦用軸流風(fēng)機(jī)也叫軸流式通風(fēng)機(jī)，不能單獨(dú)用于煤礦，必須和防爆電機(jī)結(jié)合才能在煤礦中使用。K系列礦用主扇軸流式通風(fēng)機(jī)具有氣動(dòng)效率高、運(yùn)轉(zhuǎn)噪音較低、穩(wěn)定性能好、安裝方便、安全可靠、維修容易和節(jié)能效果明顯等優(yōu)點(diǎn)，是井下煤礦最理想的機(jī)站風(fēng)機(jī)，缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴[3]。

3.3 帶式輸送機(jī)

帶式輸送機(jī)的主要作用是運(yùn)輸煤礦，即將礦井下開采的煤運(yùn)到井外。它利用輸送帶、滾筒、傳動(dòng)裝置等產(chǎn)生的摩擦力為驅(qū)動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)輸送帶往井外輸送開采的煤。截止到2018年，我國煤礦企業(yè)帶式輸送機(jī)仍以電動(dòng)機(jī)為輸出動(dòng)力。傳統(tǒng)輸送機(jī)啟動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量電流，這些電流產(chǎn)生的電能會(huì)轉(zhuǎn)化成內(nèi)能直接耗費(fèi)掉，因此會(huì)造成電能損耗。將變頻節(jié)能技術(shù)應(yīng)用于輸送機(jī)后，可將啟動(dòng)產(chǎn)生的過量電流逆轉(zhuǎn)給礦用電網(wǎng)，避免啟動(dòng)產(chǎn)生大量的熱量，從而達(dá)到節(jié)約能耗的目的。同時(shí)，大量熱能的產(chǎn)生容易燒壞設(shè)備，阻礙輸送機(jī)正常運(yùn)行，而運(yùn)用變頻節(jié)能技術(shù)可有效避免這些問題，且可以延長輸送機(jī)壽命，節(jié)約資源并提高運(yùn)輸效率。

3.4 提升機(jī)

煤礦提升機(jī)實(shí)際上是一種大型絞車，由原始的提水工具演變而來。傳統(tǒng)提升機(jī)是一種大型機(jī)械設(shè)備。如今，提升機(jī)和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)融合，已經(jīng)形成機(jī)械、電動(dòng)為一體的大型全自動(dòng)重型礦山電動(dòng)機(jī)械設(shè)備。它的主要驅(qū)動(dòng)力是電機(jī)產(chǎn)生的電能，在工作過程中由于電流不精確或者調(diào)速不精確等原因，會(huì)造成大量電能損耗。將變頻節(jié)能技術(shù)應(yīng)用于提升機(jī)，可利用其調(diào)速功能精準(zhǔn)調(diào)節(jié)電流，控制提升機(jī)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度，從而節(jié)約能耗。此外，變頻節(jié)能技術(shù)和現(xiàn)代化先進(jìn)技術(shù)結(jié)合后，還具有在線檢測、濾波、過載保護(hù)等功能，不僅可以節(jié)約能耗，還可延長提升機(jī)使用壽命，提高工作效率和質(zhì)量。

4 結(jié) 論

變頻節(jié)能技術(shù)隨著半導(dǎo)體電子設(shè)備的出現(xiàn)而出現(xiàn)，因?yàn)楣?jié)能的優(yōu)點(diǎn)而不斷被應(yīng)用到各大機(jī)電設(shè)備中，發(fā)展也越來越迅速。在我國，變頻節(jié)能技術(shù)被廣泛應(yīng)用在提升機(jī)、帶式輸送機(jī)、風(fēng)機(jī)等機(jī)電設(shè)備中，節(jié)能效果顯著。但是，由于我國起步較晚，應(yīng)用過程中存在規(guī)章制度不規(guī)范、管理水平低等問題，應(yīng)針對(duì)這些問題建立并完善相關(guān)制度和規(guī)范，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。