煤礦機(jī)電設(shè)備中變頻技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用

劉智 馬英輝

摘 要 煤礦行業(yè)為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。煤礦由于地理環(huán)境比較特殊，需要使用專業(yè)的設(shè)備才能開(kāi)采，需要消耗大量的電能，不利于國(guó)家能源戰(zhàn)略的發(fā)展。本文從變頻技術(shù)的定義以及原理和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行闡述，分析了煤礦機(jī)電設(shè)備中變頻技術(shù)使用的原則，以及相應(yīng)的技術(shù)應(yīng)用，對(duì)于煤礦企業(yè)有效控制能源浪費(fèi)、提高工作效率、促進(jìn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞 煤礦機(jī)電設(shè)備 能源消耗 節(jié)能 變頻技術(shù)

中圖分類號(hào)：TD6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0745（2021）10-0041-02

1 前言

我國(guó)對(duì)于煤炭的開(kāi)采歷史悠久，從最原始的手動(dòng)開(kāi)采，到借助各種工具，我國(guó)煤礦的開(kāi)采工作經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，目前已經(jīng)全部實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化開(kāi)采。與傳統(tǒng)的開(kāi)采方式相比，使用各種機(jī)電設(shè)備的開(kāi)采使得生產(chǎn)效率得到了大幅度提升。但是機(jī)電設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中所帶來(lái)的問(wèn)題，不僅制約到了煤炭開(kāi)采行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，也對(duì)我國(guó)的能源發(fā)展產(chǎn)生了一定的阻礙。比如機(jī)電設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中帶來(lái)的能耗高、故障率高和安全系數(shù)低等問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)煤礦開(kāi)采取得更進(jìn)一步的效率，必須要解決這些問(wèn)題。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，采用變頻技術(shù)，可有效提高機(jī)電設(shè)備在運(yùn)行中的能源利用率，降低能源消耗。不僅如此，還能極大提升機(jī)電設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2 變頻技術(shù)含義、發(fā)展、原理及優(yōu)勢(shì)

2.1 變頻技術(shù)的含義

變頻技術(shù)是指將直流電通過(guò)逆轉(zhuǎn)換變成不同頻率的交流電的一種轉(zhuǎn)換技術(shù)，整個(gè)技術(shù)的核心是變頻器設(shè)備。通過(guò)對(duì)工作電流頻率的改變實(shí)現(xiàn)控制交流電，在整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程中只有頻率發(fā)生了變化，電能是不會(huì)被改變的。作為核心設(shè)備，變頻器將電源中的電源進(jìn)行改變，從而實(shí)現(xiàn)電壓的調(diào)節(jié)和變化，并確保正常工作下的電流和電壓能夠得到保障[1]。變頻的主要目的就是為了節(jié)省電能，由于其良好的穩(wěn)定性，以及通過(guò)節(jié)約能源消耗而帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益，廣泛被各行各業(yè)所使用。

2.2 變頻技術(shù)的發(fā)展

變頻技術(shù)的發(fā)展，是在電子元器件發(fā)展的基礎(chǔ)上衍生出來(lái)的。從上世紀(jì)60年代開(kāi)始，電子元器件的技術(shù)得到了空前發(fā)展，從儲(chǔ)器的晶閘管到技術(shù)程度較高的控制晶閘管，通過(guò)技術(shù)的不斷提升，給變頻技術(shù)的發(fā)展打下了扎實(shí)的基礎(chǔ)。技術(shù)發(fā)展到上世紀(jì)70年點(diǎn)，開(kāi)始出現(xiàn)了VVVF調(diào)速技術(shù)，引起了相關(guān)行業(yè)的熱議。再到上世紀(jì)80年代，出現(xiàn)了PWM模式為技術(shù)核心的變頻技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上不斷進(jìn)行優(yōu)化，這個(gè)階段變頻技術(shù)得到了空前的發(fā)展，并出現(xiàn)了各種優(yōu)化模式，使用到市場(chǎng)中。隨著全球?qū)Νh(huán)節(jié)保護(hù)以及能源危機(jī)的意識(shí)越來(lái)越強(qiáng)，變頻技術(shù)無(wú)論從技術(shù)上，還是從市場(chǎng)應(yīng)用上都得到了很大的提升。

2.3 變頻技術(shù)的原理

在原有電壓條件下，通過(guò)對(duì)交流電的頻率進(jìn)行改變，并自動(dòng)控制設(shè)備。使用變頻器并利用電力半導(dǎo)體的元器件作為通斷作用，將交流電再轉(zhuǎn)換為可變交流電，從而達(dá)到了變頻調(diào)速的效果[2]。

2.4 變頻技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

在煤礦行業(yè)中，由于使用大量的機(jī)電設(shè)備，必然要消耗大量的電能。眾所周知，我國(guó)目前電能主要還是來(lái)源于火力發(fā)電，而火力發(fā)電使用的原材料就是煤炭。電力的需求提高，也就意味著要消耗更多的煤炭才能滿足社會(huì)的發(fā)展需求。地球下可開(kāi)采的煤炭資源是有限的，待到消耗殆盡時(shí)，將會(huì)給社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)嚴(yán)重的制約。因此，通過(guò)變頻技術(shù)的使用，在保證創(chuàng)造同樣的社會(huì)價(jià)值前提下，減少煤炭的消耗，不僅能提升企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，從宏觀層面來(lái)說(shuō)，延長(zhǎng)了地球上可開(kāi)采煤炭的使用年限。

不僅如此，變頻技術(shù)在機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性方面都要高于傳統(tǒng)的技術(shù)。在機(jī)電設(shè)備工作過(guò)程中，變頻器和電機(jī)的運(yùn)行機(jī)制與運(yùn)行過(guò)程中所產(chǎn)生的實(shí)際符合相結(jié)合，從而能夠精確地控制電極的運(yùn)行，達(dá)到穩(wěn)定性的目的。如果運(yùn)行過(guò)程中動(dòng)電流要比額定電流值小，對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，降低其運(yùn)行速度，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的損耗降低。

3 煤礦機(jī)電設(shè)備中變頻技術(shù)的使用原則

變頻技術(shù)作為一項(xiàng)高水平技術(shù)，不僅能夠促進(jìn)機(jī)電設(shè)備能夠穩(wěn)定的運(yùn)行，提升設(shè)備運(yùn)行壽命，而且降低設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的損耗，通過(guò)節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)低碳環(huán)保，其應(yīng)用范圍越廣泛，將會(huì)對(duì)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益以及我國(guó)的資源環(huán)境保護(hù)都會(huì)帶來(lái)很多好處。但是，變頻技術(shù)也不是在任何場(chǎng)合、任何機(jī)電設(shè)備都可以使用的。在煤礦機(jī)電設(shè)備中變頻技術(shù)的使用需要遵循下述幾項(xiàng)原則。

3.1 使用條件需要被滿足

我國(guó)的煤礦機(jī)電設(shè)備經(jīng)過(guò)數(shù)年的發(fā)展，結(jié)合現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，已經(jīng)在大多數(shù)機(jī)電設(shè)備上都使用到了變頻技術(shù)，在使用過(guò)程中必須使用到變頻器。煤礦機(jī)電設(shè)備不同于一般的機(jī)電設(shè)備，由于是要深入地下進(jìn)行煤礦的開(kāi)采，設(shè)備不僅體積龐大，數(shù)量眾多，而且為了實(shí)現(xiàn)各種功能，設(shè)備的零件眾多，構(gòu)造復(fù)雜。使用變頻技術(shù)時(shí)，需要綜合考慮到設(shè)備的狀態(tài)和各電氣參數(shù)，尤其是要注意電容量，不滿足使用的情況下需要進(jìn)行改造，包括時(shí)間和電壓的技術(shù)參數(shù)都要進(jìn)行確認(rèn)。

3.2 機(jī)電設(shè)備運(yùn)行時(shí)的負(fù)載模式要匹配

雖然在煤礦開(kāi)采過(guò)程中會(huì)使用到大量的機(jī)電設(shè)備，但是這些機(jī)電設(shè)備根據(jù)開(kāi)采過(guò)程中分擔(dān)的任務(wù)不同，設(shè)備的性能、參數(shù)均有著比較大的差異。因此這些人設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中負(fù)載能力也各有差異。此時(shí)使用到變頻技術(shù)，顯然不能過(guò)于統(tǒng)一，必須要根據(jù)各機(jī)電設(shè)備的電動(dòng)機(jī)實(shí)際參數(shù)進(jìn)行匹配合適的變頻技術(shù)，同時(shí)還要考慮到變頻器設(shè)備，可能會(huì)涉及到設(shè)備的改造等工作。比如在選擇恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)，一般都要選擇運(yùn)行穩(wěn)定性高的變頻設(shè)備，風(fēng)機(jī)泵由于性價(jià)比高，而且輸出的參數(shù)也比較精準(zhǔn)，可以適當(dāng)進(jìn)行應(yīng)用。為了更進(jìn)一步提升設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，通常需要對(duì)設(shè)備之間進(jìn)行參數(shù)的精準(zhǔn)確認(rèn)和匹配，這樣才能做出最優(yōu)的負(fù)載模式匹配。因此，機(jī)電設(shè)備需要根據(jù)各自特點(diǎn)進(jìn)行匹配，不可一成不變。

3.3 嚴(yán)格按照操作規(guī)范進(jìn)行安裝和使用

變頻技術(shù)之所以能降低設(shè)備的能源消耗，促進(jìn)機(jī)電設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，和變頻技術(shù)的嚴(yán)格操作規(guī)范也有著密不可分的關(guān)系。在設(shè)備使用變頻技術(shù)之前，首先需要做好變頻技術(shù)的安裝。設(shè)備和設(shè)備之間嚴(yán)格按照操作規(guī)范進(jìn)行各參數(shù)、性能指標(biāo)的比對(duì)確認(rèn)，這樣才能提升設(shè)備的而運(yùn)行效率，否正會(huì)影響到最終的操作結(jié)果。變頻技術(shù)在安裝時(shí)，為了保證設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性和使用壽命，設(shè)備的安裝環(huán)境也有一定的要求，比如不能置于潮濕的空氣中，外界的環(huán)境溫度也不能過(guò)低，一般要控制在10°C以上[3]。另外還有一點(diǎn)容易被人們所忽略，為了發(fā)揮變頻技術(shù)的效率，最佳安裝地區(qū)的海拔在1000m以內(nèi)。當(dāng)然不是說(shuō)超過(guò)這個(gè)海拔就不能使用變頻技術(shù)了，而是需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行防護(hù)設(shè)置，這樣才能保證變頻技術(shù)不受影響。

4 煤礦機(jī)電設(shè)備中變頻技術(shù)的具體應(yīng)用

煤炭機(jī)電設(shè)備中由于設(shè)備的種類眾多，很多環(huán)節(jié)都可以應(yīng)用到變頻技術(shù)。

4.1 礦井提升機(jī)中應(yīng)用變頻技術(shù)

作為煤礦生產(chǎn)過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，礦井提升機(jī)主要復(fù)雜運(yùn)輸人員、開(kāi)采材料和煤炭的運(yùn)輸，不僅影響到了煤礦開(kāi)采效率，其運(yùn)行穩(wěn)定性更直接影響到了煤炭企業(yè)員工的生命財(cái)產(chǎn)安全。傳統(tǒng)開(kāi)采過(guò)程中，主要是通過(guò)切換相應(yīng)的操作擋位來(lái)實(shí)現(xiàn)提升機(jī)的調(diào)速，它的工作原理和手動(dòng)汽車的換擋有些類似。擋位和提升機(jī)上的轉(zhuǎn)子中的電阻相連接，通過(guò)對(duì)電阻的調(diào)節(jié)就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)速。這種操作方法雖然比較監(jiān)督，但是當(dāng)電阻過(guò)大時(shí)，就會(huì)消耗較多的電能，而且電阻由于發(fā)熱，影響電阻的使用壽命。如果提升機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中遇到電阻故障，將直接影響到提升機(jī)的運(yùn)行安全。因此，對(duì)提升機(jī)進(jìn)行變頻技術(shù)改造，減少了因調(diào)節(jié)電阻而帶來(lái)的能量損耗。變頻技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速，促進(jìn)提升機(jī)更加平穩(wěn)的運(yùn)行。而且，變頻技術(shù)與傳統(tǒng)的機(jī)械開(kāi)關(guān)調(diào)速不同，它不會(huì)出現(xiàn)機(jī)械故障，因此也就避免了設(shè)備因機(jī)械問(wèn)題而造成安全事故了。

4.2 礦井通風(fēng)中應(yīng)用變頻技術(shù)

為了保證礦井下作業(yè)人員的安全，需要及時(shí)將地下氣體排除，這就要求通風(fēng)設(shè)備必須不間斷工作，而且要具備超強(qiáng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。如果電網(wǎng)中的電壓波動(dòng)較大，容易造成通風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)風(fēng)扇葉片出現(xiàn)晃動(dòng)[4]，這樣就不利于風(fēng)力的循環(huán)。而且長(zhǎng)時(shí)間這種狀態(tài)，也很容易破壞風(fēng)扇，造成安全事故的發(fā)生。傳統(tǒng)的通風(fēng)機(jī)中通過(guò)對(duì)葉片安裝角度的角度來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)工況，操作不僅不方便，而且精確度也不高。甚至在一些情況下會(huì)對(duì)其他設(shè)備造成沖擊電流。通過(guò)變頻技術(shù)的改造，提高通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性，延長(zhǎng)通風(fēng)機(jī)的使用壽命。更重要的是，給礦井作業(yè)人員的生命財(cái)產(chǎn)安全提供了可靠的保障。

4.3 皮帶運(yùn)輸機(jī)中應(yīng)用變頻技術(shù)

為了可靠地將開(kāi)采出來(lái)的煤礦運(yùn)輸?shù)降厣?，需要使用到皮帶運(yùn)輸機(jī)。它是通過(guò)皮帶的摩擦力，將放在皮帶上的物體進(jìn)行運(yùn)輸。由于煤礦開(kāi)采過(guò)程的持續(xù)性，皮帶運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)行持續(xù)時(shí)間非得長(zhǎng)，一般不會(huì)停下來(lái)。傳統(tǒng)開(kāi)采過(guò)程中，通過(guò)設(shè)備的調(diào)速能實(shí)現(xiàn)皮帶的調(diào)速，但是容易產(chǎn)生較大的沖擊力，一旦超過(guò)皮帶的承受力，就會(huì)拉斷皮帶，給運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)行帶來(lái)安全隱患。通過(guò)變頻技術(shù)的改造，可以在啟動(dòng)時(shí)以較低的頻率力控制皮帶運(yùn)輸機(jī)，平緩將電能輸出，這樣不僅減少?zèng)_擊力，延長(zhǎng)皮帶的使用壽命，而且還能提升工作效率。

5 結(jié)語(yǔ)

煤炭對(duì)于我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了非常重要的促進(jìn)作用。同時(shí)由于地球的煤炭?jī)?chǔ)存量隨著開(kāi)采的力度越來(lái)越大，能源危機(jī)的問(wèn)題也越來(lái)越突出，這就要求各行各業(yè)從能源節(jié)約和可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略眼光來(lái)推動(dòng)技術(shù)的革新。在煤炭機(jī)電設(shè)備中，合理應(yīng)用變頻技術(shù)，不僅能夠提升設(shè)備的運(yùn)行效率，降低企業(yè)能源消耗，還能夠促進(jìn)機(jī)電設(shè)備安全平穩(wěn)的運(yùn)行，促進(jìn)企業(yè)的良性發(fā)展。

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