變頻控制技術(shù)在煤礦機(jī)電設(shè)備中的應(yīng)用

韓少勇(山東能源集團(tuán)肥城礦業(yè)工程管理科，山東 肥城 271600)

1 變頻控制技術(shù)的原理分析

對(duì)于變頻控制技術(shù)來說，其充分發(fā)揮出電子半導(dǎo)體部件的作用，推動(dòng)工頻電源轉(zhuǎn)化為其他工作電源、將工頻交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妷?，結(jié)合逆變器裝置的應(yīng)用，達(dá)到調(diào)整原有頻率及電壓的效果，達(dá)到無附加損耗調(diào)速的效果。變頻控制技術(shù)的性能主要通過變頻器實(shí)現(xiàn)，重點(diǎn)完成對(duì)輸出頻率以及輸出電壓的控制，這是其他電機(jī)控制系統(tǒng)難以做到的。同時(shí)，變頻控制技術(shù)還具有軟啟動(dòng)以及通知的功能，促使電子與轉(zhuǎn)子阻值的下降、無級(jí)變速、電能消耗降低成為現(xiàn)實(shí)。

2 煤礦機(jī)電設(shè)備中變頻控制技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)分析

將變頻控制技術(shù)應(yīng)用于煤礦機(jī)電設(shè)備中具有極為明顯的優(yōu)勢(shì)，具體如下：

第一，提升煤礦生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。在變頻控制技術(shù)的支持下，煤礦機(jī)電設(shè)備的自動(dòng)化、靈活性啟停、調(diào)速成為現(xiàn)實(shí)，即在不需要工作的情況下自動(dòng)停止或轉(zhuǎn)入休眠、節(jié)能狀態(tài)，而在需要工作時(shí)立即進(jìn)入工作狀態(tài)，由此減少了大量不必要的能源消耗，節(jié)能性更強(qiáng)，煤礦機(jī)電設(shè)備整體的運(yùn)行成本下降，且生產(chǎn)效率保持穩(wěn)定或有所提升，促使煤礦生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)收益增長(zhǎng)。

第二，改善設(shè)備性能。對(duì)于變頻控制技術(shù)而言，其可以直接轉(zhuǎn)化交流電的固定頻率，賦予設(shè)備可變性能，以此達(dá)到增高交流電能源應(yīng)用效率的效果。同時(shí)，變頻交流技術(shù)的應(yīng)用促使煤礦機(jī)電設(shè)備不再受到數(shù)字信息處理的制約，能夠生成集成化的電路，確保煤礦機(jī)電設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定在理想的工作狀態(tài)下。

第三，強(qiáng)化煤礦生產(chǎn)的環(huán)保性。通過在煤礦機(jī)電設(shè)備中應(yīng)用變頻控制技術(shù)，電能的消耗量明顯下降，生產(chǎn)中的煙氣排放量也有所減少，同時(shí)，生產(chǎn)過程中形成設(shè)備損耗程度也呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì)，總體推動(dòng)了煤礦生產(chǎn)環(huán)保性的增強(qiáng)。

3 煤礦機(jī)電設(shè)備中變頻控制技術(shù)的具體應(yīng)用

3.1 在礦井通風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用

井下通風(fēng)是保證井下工作人員供氧量、降低井下有毒有害氣體含量的重要方法，主要由井下通風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦生產(chǎn)安全水平的有效維護(hù)。對(duì)于以往的井下通風(fēng)機(jī)來說，其運(yùn)行功率始終保持在恒定狀態(tài)，依托風(fēng)機(jī)葉片的安裝角度達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)量的效果，不僅運(yùn)行效率偏低其繁瑣程度更高。對(duì)于井下通風(fēng)機(jī)來說，其工況點(diǎn)與通風(fēng)阻力之間存在著相對(duì)緊密的聯(lián)系，一旦礦井的通風(fēng)阻力發(fā)生變化但是風(fēng)量保持恒定，則井下通風(fēng)機(jī)極有可能處于低效率運(yùn)行的狀態(tài)下(低效率工況點(diǎn)運(yùn)行)。相關(guān)研究表明，井下通風(fēng)機(jī)的電能消耗偏高，最高可以達(dá)到煤礦生產(chǎn)機(jī)電設(shè)備總電能消耗的一半[1]。此時(shí)，如果井下通風(fēng)機(jī)處于低效率工況點(diǎn)運(yùn)行的狀態(tài)，那么會(huì)造成大量的電能被浪費(fèi)，煤礦生產(chǎn)整體的效益下降。而通過引入變頻控制技術(shù)就能夠達(dá)到緩解上述問題的效果，通過在井下通風(fēng)機(jī)中應(yīng)用變頻控制技術(shù)，則風(fēng)量的自動(dòng)化調(diào)節(jié)可以依托礦井通風(fēng)阻力的變化完成，促使井下通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)得以改善與優(yōu)化，使得井下通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行始終穩(wěn)定在高效工況點(diǎn)水平下。誠然，對(duì)井下通風(fēng)機(jī)落實(shí)變頻控制技術(shù)改造會(huì)產(chǎn)生較大的成本，但是其節(jié)約電能的效果極為可觀，能夠推動(dòng)井下通風(fēng)機(jī)運(yùn)行成本的大幅下降。同時(shí)，依托變頻控制技術(shù)在井下通風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用，可以使風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀況始終穩(wěn)定在平穩(wěn)水平，達(dá)到延長(zhǎng)井下通風(fēng)機(jī)使用年限的效果，減少風(fēng)機(jī)的后續(xù)維修成本，在維護(hù)煤礦生產(chǎn)安全性與經(jīng)濟(jì)效益方面發(fā)揮著重要作用。

3.2 在礦井提升機(jī)中的應(yīng)用

礦井提升機(jī)主要承擔(dān)著將工作人員、物料安全、平穩(wěn)運(yùn)輸至目標(biāo)位置的任務(wù)，是煤礦生產(chǎn)中的重要機(jī)械設(shè)備。在傳統(tǒng)的礦井提升機(jī)運(yùn)行中，普遍利用電阻帶動(dòng)電機(jī)控制，結(jié)合鼓型控制器調(diào)整速度。此時(shí)，由于小號(hào)電阻相對(duì)較多，所以極容易產(chǎn)生散熱不良等問題，且難以保證對(duì)速度的精準(zhǔn)調(diào)整，存在一定的安全隱患。而依托變頻控制技術(shù)的應(yīng)用就能夠規(guī)避上述問題的發(fā)生，通過變頻控制技術(shù)在礦井提升機(jī)中的應(yīng)用，可以強(qiáng)化對(duì)設(shè)備的保護(hù)作用，優(yōu)化礦井提升機(jī)的運(yùn)行平滑性以及無級(jí)變速。實(shí)踐中，將變頻控制技術(shù)與編程器聯(lián)合使用，可以根據(jù)調(diào)整輸入于電控系統(tǒng)中的指令實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器的高效控制，且提升梯形圖與電路圖之間轉(zhuǎn)換的靈活性程度。通過應(yīng)用變頻控制技術(shù)實(shí)施對(duì)繼電器的控制，能夠明顯減少外部線路的設(shè)置數(shù)量以及繼電器的使用數(shù)量，也實(shí)現(xiàn)對(duì)故障問題的有效規(guī)避，避免空間不足的問題發(fā)生。同時(shí)，在變頻控制技術(shù)的支持下，礦井提升機(jī)的啟動(dòng)/停止平穩(wěn)程度顯著上升，對(duì)鋼絲繩的沖擊減小。另外，變頻控制技術(shù)的應(yīng)用促使礦井提升機(jī)的無極調(diào)速成為可能，提升機(jī)的節(jié)能性以及運(yùn)行可靠性增高，鋼絲繩數(shù)量與檢修次數(shù)減少，推動(dòng)礦井提升機(jī)檢修成本的降低。

3.3 在皮帶運(yùn)輸機(jī)中的應(yīng)用

皮帶運(yùn)輸機(jī)承擔(dān)著運(yùn)輸煤炭或物料的任務(wù)，在煤礦生產(chǎn)中不可或缺。在傳統(tǒng)的皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行過程中，普遍使用交流電動(dòng)機(jī)(工頻拖動(dòng)與耦合器配合)完成對(duì)煤炭與物料的運(yùn)送，運(yùn)行效率整體呈現(xiàn)出較低水平。同時(shí)，如果運(yùn)送的物料重量增大，皮帶的磨損程度會(huì)隨之提升，容易出現(xiàn)故障問題，維修養(yǎng)護(hù)成本偏高。而依托變頻控制技術(shù)的應(yīng)用就能夠解決上述問題，通過在皮帶運(yùn)輸機(jī)中引入變頻控制技術(shù)，能夠根據(jù)現(xiàn)實(shí)工況對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)行速度、張緊程度實(shí)施自動(dòng)化調(diào)節(jié)，提升工作效率。例如徐礦集團(tuán)研發(fā)并投入使用的順槽皮帶機(jī)4 000 m長(zhǎng)距離運(yùn)輸機(jī)，就使用了變頻控制技術(shù)。該皮帶運(yùn)輸機(jī)應(yīng)用了四相線變頻控制，工作人員可以直接通過上級(jí)自動(dòng)化系統(tǒng)監(jiān)控、控制皮帶的運(yùn)行情況，并由變頻控制系統(tǒng)自動(dòng)完成調(diào)速，降低皮帶運(yùn)輸機(jī)啟動(dòng)過程中啟動(dòng)電流對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成的沖擊程度。同時(shí)，在皮帶運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)行中，輸送皮帶運(yùn)輸機(jī)材料的總量與皮帶的轉(zhuǎn)速之間始終保持著一定的比例關(guān)系，促使其工作效率及質(zhì)量明顯增強(qiáng)?？傮w而言，使用變頻控制技術(shù)對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)進(jìn)行控制，規(guī)避了運(yùn)輸中失控問題的發(fā)生，運(yùn)行中產(chǎn)生的浮力可以被電網(wǎng)吸收，促使由設(shè)備過熱而導(dǎo)致的磨損問題產(chǎn)生概率下降，延長(zhǎng)皮帶運(yùn)輸機(jī)的使用年限，維護(hù)煤礦生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

3.4 在采煤機(jī)中的應(yīng)用

采煤機(jī)屬于電氣液壓與機(jī)械集成的設(shè)備，設(shè)備整體較大且運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，所需要消耗的能源量更高。為了在保證煤礦生產(chǎn)安全的條件下降低采煤機(jī)的能源消耗，在當(dāng)前的生產(chǎn)中，普遍將變頻控制技術(shù)應(yīng)用于采煤機(jī)中，促使采煤機(jī)實(shí)現(xiàn)結(jié)合實(shí)際工況需求自動(dòng)化調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)，保證煤礦生產(chǎn)效率，消除電能的不必要浪費(fèi)。例如，交流電牽引采煤機(jī)就使用了變頻控制技術(shù)。交流牽引采煤機(jī)的型號(hào)較多，其中，在型號(hào)為MG450(400)/1100(930)-WD的采煤機(jī)中，使用了多電機(jī)驅(qū)動(dòng)的形式。該采煤機(jī)的電機(jī)橫向布置，變頻調(diào)速無鏈雙驅(qū)動(dòng)。對(duì)于該交流電牽引采煤機(jī)而言，其在工作面傾角≤35°的綜采工作面中更加適用，能夠切割硬煤、夾矸和過斷層。同時(shí)，可以與830～1 000 mm不同槽寬的運(yùn)輸機(jī)配套使用，應(yīng)用整體彎搖臂結(jié)構(gòu)，剛性好，過煤空間大。對(duì)于MG300(250)/710(610)-WD型采煤機(jī)而言，其中的各個(gè)部件可積木式組合，在傾角≤20°的綜采工作面中更加適用，能夠截割1 650～3 620 mm厚含有矸石夾層的工作面，其中應(yīng)用了成熟的一拖二變頻調(diào)速技術(shù)、人機(jī)界面相結(jié)合PLC控制技術(shù)以及能耗制動(dòng)技術(shù)，使得操控更加方便，具有調(diào)速范圍廣、牽引力大、防滑能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[2]。綜合來看，通過在采煤機(jī)中應(yīng)用變頻控制技術(shù)，能夠進(jìn)一步強(qiáng)化采煤機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性，降低停機(jī)問題與故障問題的發(fā)生概率，減少電能不必要浪費(fèi)的同時(shí)，為煤礦生產(chǎn)的安全維護(hù)提供支持。

3.5 在空氣壓縮機(jī)中的應(yīng)用

在實(shí)際的煤礦生產(chǎn)中，可以將壓縮空氣設(shè)定為鉆孔動(dòng)力，并配合火藥的使用完成巖層的爆破。此時(shí)，需要空氣壓縮機(jī)的支持，相比于其他鉆孔設(shè)備來說，空氣壓縮機(jī)能夠進(jìn)行靈活配置，可以結(jié)合現(xiàn)實(shí)情況設(shè)置于井上或是井下，因此有著更高的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。實(shí)踐中，依托進(jìn)氣管的關(guān)閉操作，能夠促使空氣壓縮機(jī)儲(chǔ)氣罐中的氣壓下降至設(shè)定氣壓數(shù)值之下，由此帶動(dòng)進(jìn)氣管蝶閥自動(dòng)開啟。在空氣壓縮機(jī)正常運(yùn)行條件下，當(dāng)其排氣量與氣壓達(dá)到滿載狀態(tài)時(shí)，受到額定轉(zhuǎn)速下磨損嚴(yán)重、高電耗、空轉(zhuǎn)等移速的影響，空氣壓縮機(jī)運(yùn)行中所消耗的能源量大幅上升。而依托變頻控制技術(shù)的應(yīng)用就能夠規(guī)避上述問題的發(fā)生，通過變頻控制技術(shù)在空氣壓縮機(jī)中的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣壓縮機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速的合理調(diào)節(jié)，推動(dòng)排氣量下降，促使空氣壓縮機(jī)的軸功率與運(yùn)行轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系始終穩(wěn)定在正比例水平。同時(shí)，結(jié)合用氣量的變化進(jìn)行氣壓值的隨時(shí)調(diào)整也成為現(xiàn)實(shí)，確?？諝鈮嚎s機(jī)內(nèi)的空氣始終穩(wěn)定在恒壓供應(yīng)的狀態(tài)下，推動(dòng)空氣壓縮機(jī)運(yùn)行效率的增高。

3.6 在礦井水泵中的應(yīng)用

水泵承擔(dān)著處理井下供水及排水的任務(wù)，是保證井下生產(chǎn)安全、高效的重要設(shè)備。通過在水泵中應(yīng)用變頻控制技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的自動(dòng)化調(diào)節(jié)。例如，某煤礦生產(chǎn)中在水泵房?jī)?nèi)加設(shè)了變頻電機(jī)以及變頻器，依托正壓傳感器實(shí)現(xiàn)出水壓力的檢測(cè)；結(jié)合變頻器PID調(diào)節(jié)模塊的運(yùn)行，能夠參考井下水量完成對(duì)變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)性、自動(dòng)化調(diào)整，達(dá)到井下供排水系統(tǒng)恒壓出水的效果。通過這樣的方式，有效解決了出水壓力偏低且不穩(wěn)定的問題，切實(shí)滿足井下用水及排水需求。

4 結(jié)語

綜上所述，將變頻控制技術(shù)應(yīng)用于煤礦機(jī)電設(shè)備中具有極為明顯的優(yōu)勢(shì)，有著極高的研究與推廣應(yīng)用價(jià)值。通過在通風(fēng)機(jī)、礦井提升機(jī)、皮帶運(yùn)輸機(jī)、采煤機(jī)、空氣壓縮機(jī)中引入變頻控制技術(shù)，提升了煤礦機(jī)電設(shè)備運(yùn)行的效率效果以及電能利用率，降低了不必要的電能消耗，增加了煤礦生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益，推動(dòng)了煤礦機(jī)電設(shè)備的技術(shù)升級(jí)。