浅谈变频技术在煤矿设备中的应用
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作者: 赵琦 秦令坦
摘 要：煤矿环境恶劣，大功率设备多，生产条件复杂，不确定因素多，大量机电设备负荷处于频繁波动的工况，致使工作效率低，设备耗损严重，影响了煤矿高效安全运行。随着我国市场经济的深入发展，煤矿的增产、降耗、提效被提到了重要地位，设备节能改造势在必行。长期以来，交流电的频率一直是固定的，随着电子技术、计算机技术、自动控制技术、大功率输出技术的迅速发展，交流电机变频调速技术取得了突破性的进步，成为当今节电和改善环境、推动技术进步的一种主要手段，已成为一种必然的发展趋势。
关键词：煤矿 设备 变频技术
煤炭企业是耗电大户，其电耗成本占其生产成本相当大的比例，在煤炭行业中采煤机、运输机、提升机、风机、水泵等设备都采用电动机拖动，其电能消耗和损失量较大。例如风机、水泵、提升机、皮带机类设备维护维修的费用占到生产成本的7％-25％。通过变频器和交流电动机的结合，实现对生产机械的传动控制。具有综合性的技术优势，应用到不同场合，可体现出不同的功能，达到不同的目的，得到满意的效果。
一、变频技术简介
1.1什么是变频技术
变频技术是指通过改变交流电频率的方式实现交流电控制的技术，变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。它是一种无附加转差损耗的高效调速方式。由于变频技术是根据电机的负载变化来实现自身的功能变化，这样就大大提高了电机的效率，也减少了磨损。
1.2变频技术的发展状况
近年来，变频技术在理论和应用方面都取得了较快的发展。在功率器件方面，经过了GTR、IGBT的更替，并进一步发展为智能功率模块（IPM）；在控制理论方面，压频比（U1，f）控制方式得到很大改进，矢量控制和转矩直接控制方式在实际变频器中广泛应用，模糊自优化控制、人工神经网络等控制方法成为新的研发方向；在功能方面，变频器的综合化程度越来越高，除了能完成基本的调速功能外，还具有内置的可编程序、参数辨识及通信等功能。
二、变频技术在煤矿机电设备中的应用
2.1变频技术在提升机的应用
变频技术在矿井提升机的应用，主要采用了高压变频调速控制系统和PLC控制系统：第一，在提升机电控系统设计中，高压变频调速控制系统，采用单元串联多电平能量回馈型四象限高压变频控制系统。高压主电路与低压控制电路之间的通讯采用光纤传输，保证电隔离性能安全可靠。系统抗干扰能力强。第二，提升机电气控制系统采用PLC控制，实现提升全过程的位置控制、速度控制、动态画面监视和绞车系统的各项保护功能，满足电磁兼容性的技术要求。
2.2变频技术在水泵中的应用
矿井中应用较多的另一种设备是多级离心泵。电能输送给水泵电机后，电机带动多级离心泵旋转，将电能转换为机械能，把井下的水举排到地面。由于水泵是在井底工作，工作环境非常恶劣，传统的供电方式一全压、工频使它故障频繁，运行成本大增。一方面，水泵在工频启动时，启动电流大，电机电缆的压降较大，使得电机电缆在启动过程中的反压较高，使绝缘性能降低，每次开机都会使水泵寿命降低，大大影响了水泵的使用寿命。另一方面，水泵在正常工作时，普遍存在着电机负载率较低的情况，水泵的功率因数较低，耗电量多，“大马拉小车”现象严重。通过改变电动机转速，在降低水流量的同时，可有效降低系统的电能损耗。
2.3变频技术在煤矿通风机的应用
主扇风机在煤矿生产中有着重要的地位，作为矿井主通风，它每天24h不停地运转，是整个矿井的“呼吸”系统。由于变频器改造后风机可以实现变频软起动，避免了起动电流的冲击，不仅对电网没有任何冲击，而且还可以随时起动或停止。进行变频改造后，风机的大部分工作时间都在较低的速度下运行，因而大大降低了风机工作的机械强度和电气冲击，将会大大延长风机的使用寿命。
2.4变频技术在煤矿采煤机中的应用
采煤机作为煤矿井下的主要综采设备，常工作在比较恶劣的环境当中。其所处环境一般粉尘较大，空气相对湿度较高。目前，我闰能量回馈型四象限运行的交流变频调速采煤技术处于世界领先水平，国产电牵引采煤机行走功率最大2×l10kW，变频器电压380V，能够实现额定转速下恒定转矩调速.额定转速以上恒定功率调速及两台变频器之间的主从控制和转矩平衡。
2.5变频技术在矿井皮带输送机中的应用
目前，我国许多煤矿用的皮带输送机除装车系统使用外，井下也大量使用。由于诸多原因，使用中相当长时间都处于空载或轻载运行状态，电能浪费严重。若在皮带输送机上安装变频器，可随时将电机产生的负力回馈到电网中，减少发热损耗，解决机械系统及电气系统的冲击问题，延长设备的使用寿命，并能有效地节约电能。
三、变频技术在煤矿机电设备的应用前景
虽然，目前煤矿井下交流变频调速技术的应用尚在起步阶段，但在煤矿企业技术改造和产品更新换代，在节能和实现生产过程自动化方面已取得了明显的节能效果。（1）推广而较广，矿山中大小机电设备种类繁多，能解决好变频器与这些设备的匹配向问题，就能得到更广泛的推广。（2）需求量很大，我国矿山基数大，在机电设备的改造中必然需要大量的变频器，会极大推动变频技术在矿山的发展。（3）专业化可以加强，矿山有很多特殊工作环境，如井下工作等，需要具有特殊功能的专业变频器配置这些装备。（4）多功能、网络化的更新。电子技术日新月异，矿山改造过程中对变频器的使用和控制也会呈现多功能的趋势，对变频器的控制也会成为矿山网络化管理中的一个重要环节。
参考文献：
[1]韩焕胜.变频节能技术在煤矿通风工作中的应用[A].第八届中国煤炭经济管理论坛暨第二届中国煤炭学会经济管理专业委员会工作会议论文汇编[C].2007.
[2]时均龙.大功率变频技术在胶带运输机上的应用[J].山东煤炭科技，2010，（4）
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