矿山机电设备变频控制技术
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作者: 杜威
摘要 变频控制技术凭借其优越的调节性能，在矿山的地面和井下的提升、通风、采矿、运输、选择等各种矿山机电设备控制系统中得到广泛的应用。本文首先针对变频控制技术基本原理进行概述，然后再详细阐明变频控制技术在矿山机电设备当中实践应用。
关键词 变频控制；矿山机电；节能
中图分类号TD8 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2012）58-0131-02
0 引言
随着国内计算机技术、电子信息技术、自动化控制技术、大功率输出技术的迅猛发展，机电设备变频技术同样也得到了突破性的进展，而当今推崇的节约型、环保型社会，正是需要这样的技术支持。众所周知，对于采矿业而言，采矿时机电设备耗能比例相当大，这无疑给人类、环境都带来了巨大的压力，其中通风、提升、压气等设备损耗的电能，有很大一部分都是白白浪费掉的。变频控制技术的出现，在很大程度上解决了节能的问题，随着矿山矿业持续发展，此项技术的应用也越为广泛起来。
1 变频控制技术原理及其发展
交流变频调速技术是包含了电力电子技术、点击传动技术、微机技术的综合型应用，是结合机电与强弱电混合的综合型技术。其实质是采用电力半导体器件通断作用将工频电源变换成为其他频率的电能控制装置，而基本原理是通过整理将工频交流电压转换为直流电压，再通过逆变器改变为频率、电压可调的交流电压作为交流电机的驱动能源，使得电动机得到无级调速的电压与电流，是一种无附加损耗的有效调速方式之一。变频调速技术能根据电机负载的变化来实现自动、平滑的增减速，使得工作效率大幅度提高，因此此项技术在能源危机中产生并不断发展。随后在功率器件上更换了GTR、IGBT，同时经一部发展成为智能功率模块。在控制技术上，压频比控制方式取得了很大的改进，在实际变频器中矢量控制和转矩直接控制方式的到了广泛的应用，并同时开发出了模糊自动化控制、人工神经网络等新的研究方向。调速系统集成化程度越来越高，产生了精简指令集计算机、数字信号处理器、高级专用集成电路等单片机。特别是随着变频器不断综合化，在功能上不仅完成了基本调速功能，而且还通过内置设备而具有了参数辨识、可通信、可编程序等功能。
2 矿山机电设备变频控制技术应用
2.1 变频控制技术在提升机设备中应用
在矿井当中，提升机的主要任务就是负责安全输送物料以及人员，在矿井生产上具有举足轻重的地位。其一般传统型的方式就是首先将金属电阻接入当电动机转子电路内部，然后采用鼓型控制器或者接触器切除电阻来进行调速。而其中不免伴随有电阻能消耗过大、散热性能差等问题。由于电阻调速调速范围过小，也导致了精确度低的问题。在减速段和下放时需要动力制动直流电源或者是低频电源，容易造成设备的损坏，并带来了很大电能的浪费，而此时安全性能也受到了质疑。这样在一定程度上就抑制了矿山安全生产和经济运行的效率。
将变频控制技术引入到矿井提升机驱动系统当中，便从根本上避免了上述的许多弊病，不仅实现了无级平稳的加速、减速。还提高了系统的各方面性能，增强了各方面的保护，其中具体优点如下：1）可通过编程器指令进行程序编写，完成电控系统中的继电器逻辑关系，同时控制电路图和梯形图相互转换也十分方便；2）由于外部线路控制执行继电器数量少，占用实际空间随着减少，故障自然减少，基本上免除了维护；3）系统故障能够通过触摸显示屏和编程器直接查出，处理简单，同时检测机械、电汽方面故障；4）控制精度较高，可扩展性强，通过修改内部程序即可完成对系统功能参数的改变，无须更改硬件接线，真正实现柔性控制；5）回馈制动，提升机负力状态时，电机产生再生能量反馈至电网，明显节约了电能，与此同时，制动力矩增大，提高了绞车下方安全性；6）速度和制动不是通过机械来完成，而是通过电气来控制得，减少了系统冲击，减少了机械磨损，延长了设备使用寿命。
2.2 变频技术在皮带机中的应用
皮带机的功率较提升机来说更大，它是通过然绕线电机经转子绕组降压启动后工频巡行，经液力耦合器切换到皮带机。其工作原理是通过驱动轮毂，依靠摩擦力牵动皮带运动，皮带通过其特殊的张力变形以及摩擦力带动在滚轴上运动。其中转子串接电阻改善转矩和减压空载启动等方法，但启动电流还是过大，这样容易产生电网电压剧烈波动、电机内部机械冲激、发热等现象。由于启动时间过短，加大了皮带断裂、老化，要求皮带任性够强。液力耦合器运转时引起内部油温上升，磨碎部件程度加大等，既加大了维护难度与成本，还污染社会环境，导致难以功率平均和同步问题。采用变频技术实现皮带传输机软起、软停等运行方式，稳定了皮带机工作性能。改造之后，系统可以根据负载变化情况，调整输出频率和力矩，改变了以往电机工频恒速运行模式，在一定程度上节约电力能源消耗。系统功率因数在过程当中到达90%以上，大大提高了工作效率。高压变频器采用了皮带机能量回馈 功能，进一步节约了能源消耗，同时也减少了其他设备的维护费用，节约资金，完善了环保方面。
2.3 变频控制技术在通风机中的应用
矿山主要设备当中，通风机当中主扇风机在矿物生产中具有重要地位。作为矿井主要通风设备，运转时间长，被称为是矿井中的“呼叫系统”。随着开采和挖掘不断深入，井下的风压不断增加，通风机需要的功率也在不断增大。但通风机功率则成了矿井开采的重要问题。在矿山通风机设备采用了变频调速之后，可以根据巷道的风量需求情况进行调速，避免了电能消耗，应用效果十分显著。由于通风机通过变频器的改造之后实现了变频软启动，防止了启动电流冲击，既对电网设备没有冲击，又能随意启停。在大部分时间里面，通风机都是在较低的速度下面运行，所以大大降低了通风机工作强度，能使得通风机的使用寿命得到延长，避免不必要的维修。同时为了保证电机转速一致，一般情况下要求两台电机的运行频率尽量保持一致性，这样才能避免形成风阻，影响风机正常运转。
2.4 变频控制技术在井下绞车电控制系统中的应用
在电控系统和保护系统中采用变频调速技术，其中有一些具体细节，输入电源660V，频率大小为50Hz，输出功率可在0~50之间调节，电压变动范围必须保持在负15%到正10%，频率变动的范围保持在负2.5%到正2.5%，过载能力要强，在负载变化负120%到正120%额定负载中符合四象限运行要求。有自动转矩提升功能，在低频运转的时候，能准确保证全部额定转矩，保护好各个元件过热现象。快开门方式应用于控制箱当中，电气控制应用双PLC全数字控制系统，硬件电路互相荣誉做好绞车提升控制与数字监控，并且在PLC发生故障能技术完成零食提升。在控制系统中配置正常操作，设置各种保护设备，其中过卷装置、限速装置和加速功能保护成为相互独立的双线模式。同时还是需要有保护试验的功能。没有发出信号不能启动车，发出信号时间次数记忆要大于30天，是的声光信号与控制回路具有闭锁功能。电流温度等指标能相对比较直观。
3 结论
随着国内采矿业不断发展，机电设备自然也面临着许多挑战，而变频技术的出现，提升了设备安全可靠性，并具有速度可调、操作简单、工作效率高、占地面积小、拆装方便以及节能降耗等特点，有效带动了采矿业的生产运行效率。同时随着变频控制技术的不断改进，相信在不久的未来将在各业当中都能得到广泛的应用。
参考文献
[1]吕汀，石红梅.变频技术原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2003(1).
[2]史颂平.变频调速只能控制节能技术[M].贵阳：贵州科技出版社，2010(6).
[3]岳庆来.变频器、可编程控制器及触摸屏综合应用技术[M].北京：机械工业出版社，2006.
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