变频控制技术在煤矿机电设备中的应用

韩少勇(山东能源集团肥城矿业工程管理科，山东 肥城 271600)

1 变频控制技术的原理分析

对于变频控制技术来说，其充分发挥出电子半导体部件的作用，推动工频电源转化为其他工作电源、将工频交流电压转变为直流电压，结合逆变器装置的应用，达到调整原有频率及电压的效果，达到无附加损耗调速的效果。变频控制技术的性能主要通过变频器实现，重点完成对输出频率以及输出电压的控制，这是其他电机控制系统难以做到的。同时，变频控制技术还具有软启动以及通知的功能，促使电子与转子阻值的下降、无级变速、电能消耗降低成为现实。

2 煤矿机电设备中变频控制技术的应用优势分析

将变频控制技术应用于煤矿机电设备中具有极为明显的优势，具体如下：

第一，提升煤矿生产的经济效益。在变频控制技术的支持下，煤矿机电设备的自动化、灵活性启停、调速成为现实，即在不需要工作的情况下自动停止或转入休眠、节能状态，而在需要工作时立即进入工作状态，由此减少了大量不必要的能源消耗，节能性更强，煤矿机电设备整体的运行成本下降，且生产效率保持稳定或有所提升，促使煤矿生产的经济收益增长。

第二，改善设备性能。对于变频控制技术而言，其可以直接转化交流电的固定频率，赋予设备可变性能，以此达到增高交流电能源应用效率的效果。同时，变频交流技术的应用促使煤矿机电设备不再受到数字信息处理的制约，能够生成集成化的电路，确保煤矿机电设备长时间稳定在理想的工作状态下。

第三，强化煤矿生产的环保性。通过在煤矿机电设备中应用变频控制技术，电能的消耗量明显下降，生产中的烟气排放量也有所减少，同时，生产过程中形成设备损耗程度也呈现出降低的趋势，总体推动了煤矿生产环保性的增强。

3 煤矿机电设备中变频控制技术的具体应用

3.1 在矿井通风机中的应用

井下通风是保证井下工作人员供氧量、降低井下有毒有害气体含量的重要方法，主要由井下通风机实现，实现对煤矿生产安全水平的有效维护。对于以往的井下通风机来说，其运行功率始终保持在恒定状态，依托风机叶片的安装角度达到调节风量的效果，不仅运行效率偏低其繁琐程度更高。对于井下通风机来说，其工况点与通风阻力之间存在着相对紧密的联系，一旦矿井的通风阻力发生变化但是风量保持恒定，则井下通风机极有可能处于低效率运行的状态下(低效率工况点运行)。相关研究表明，井下通风机的电能消耗偏高，最高可以达到煤矿生产机电设备总电能消耗的一半[1]。此时，如果井下通风机处于低效率工况点运行的状态，那么会造成大量的电能被浪费，煤矿生产整体的效益下降。而通过引入变频控制技术就能够达到缓解上述问题的效果，通过在井下通风机中应用变频控制技术，则风量的自动化调节可以依托矿井通风阻力的变化完成，促使井下通风机的运行状态得以改善与优化，使得井下通风机的运行始终稳定在高效工况点水平下。诚然，对井下通风机落实变频控制技术改造会产生较大的成本，但是其节约电能的效果极为可观，能够推动井下通风机运行成本的大幅下降。同时，依托变频控制技术在井下通风机中的应用，可以使风机的运行状况始终稳定在平稳水平，达到延长井下通风机使用年限的效果，减少风机的后续维修成本，在维护煤矿生产安全性与经济效益方面发挥着重要作用。

3.2 在矿井提升机中的应用

矿井提升机主要承担着将工作人员、物料安全、平稳运输至目标位置的任务，是煤矿生产中的重要机械设备。在传统的矿井提升机运行中，普遍利用电阻带动电机控制，结合鼓型控制器调整速度。此时，由于小号电阻相对较多，所以极容易产生散热不良等问题，且难以保证对速度的精准调整，存在一定的安全隐患。而依托变频控制技术的应用就能够规避上述问题的发生，通过变频控制技术在矿井提升机中的应用，可以强化对设备的保护作用，优化矿井提升机的运行平滑性以及无级变速。实践中，将变频控制技术与编程器联合使用，可以根据调整输入于电控系统中的指令实现对继电器的高效控制，且提升梯形图与电路图之间转换的灵活性程度。通过应用变频控制技术实施对继电器的控制，能够明显减少外部线路的设置数量以及继电器的使用数量，也实现对故障问题的有效规避，避免空间不足的问题发生。同时，在变频控制技术的支持下，矿井提升机的启动/停止平稳程度显著上升，对钢丝绳的冲击减小。另外，变频控制技术的应用促使矿井提升机的无极调速成为可能，提升机的节能性以及运行可靠性增高，钢丝绳数量与检修次数减少，推动矿井提升机检修成本的降低。

3.3 在皮带运输机中的应用

皮带运输机承担着运输煤炭或物料的任务，在煤矿生产中不可或缺。在传统的皮带运输机运行过程中，普遍使用交流电动机(工频拖动与耦合器配合)完成对煤炭与物料的运送，运行效率整体呈现出较低水平。同时，如果运送的物料重量增大，皮带的磨损程度会随之提升，容易出现故障问题，维修养护成本偏高。而依托变频控制技术的应用就能够解决上述问题，通过在皮带运输机中引入变频控制技术，能够根据现实工况对皮带运输机的运行速度、张紧程度实施自动化调节，提升工作效率。例如徐矿集团研发并投入使用的顺槽皮带机4 000 m长距离运输机，就使用了变频控制技术。该皮带运输机应用了四相线变频控制，工作人员可以直接通过上级自动化系统监控、控制皮带的运行情况，并由变频控制系统自动完成调速，降低皮带运输机启动过程中启动电流对整个系统造成的冲击程度。同时，在皮带运输机的运行中，输送皮带运输机材料的总量与皮带的转速之间始终保持着一定的比例关系，促使其工作效率及质量明显增强。总体而言，使用变频控制技术对皮带运输机进行控制，规避了运输中失控问题的发生，运行中产生的浮力可以被电网吸收，促使由设备过热而导致的磨损问题产生概率下降，延长皮带运输机的使用年限，维护煤矿生产企业的经济效益。

3.4 在采煤机中的应用

采煤机属于电气液压与机械集成的设备，设备整体较大且运行环境复杂，所需要消耗的能源量更高。为了在保证煤矿生产安全的条件下降低采煤机的能源消耗，在当前的生产中，普遍将变频控制技术应用于采煤机中，促使采煤机实现结合实际工况需求自动化调整运行状态，保证煤矿生产效率，消除电能的不必要浪费。例如，交流电牵引采煤机就使用了变频控制技术。交流牵引采煤机的型号较多，其中，在型号为MG450(400)/1100(930)-WD的采煤机中，使用了多电机驱动的形式。该采煤机的电机横向布置，变频调速无链双驱动。对于该交流电牵引采煤机而言，其在工作面倾角≤35°的综采工作面中更加适用，能够切割硬煤、夹矸和过断层。同时，可以与830～1 000 mm不同槽宽的运输机配套使用，应用整体弯摇臂结构，刚性好，过煤空间大。对于MG300(250)/710(610)-WD型采煤机而言，其中的各个部件可积木式组合，在倾角≤20°的综采工作面中更加适用，能够截割1 650～3 620 mm厚含有矸石夹层的工作面，其中应用了成熟的一拖二变频调速技术、人机界面相结合PLC控制技术以及能耗制动技术，使得操控更加方便，具有调速范围广、牵引力大、防滑能力强等优点[2]。综合来看，通过在采煤机中应用变频控制技术，能够进一步强化采煤机的运行稳定性，降低停机问题与故障问题的发生概率，减少电能不必要浪费的同时，为煤矿生产的安全维护提供支持。

3.5 在空气压缩机中的应用

在实际的煤矿生产中，可以将压缩空气设定为钻孔动力，并配合火药的使用完成岩层的爆破。此时，需要空气压缩机的支持，相比于其他钻孔设备来说，空气压缩机能够进行灵活配置，可以结合现实情况设置于井上或是井下，因此有着更高的应用优势。实践中，依托进气管的关闭操作，能够促使空气压缩机储气罐中的气压下降至设定气压数值之下，由此带动进气管蝶阀自动开启。在空气压缩机正常运行条件下，当其排气量与气压达到满载状态时，受到额定转速下磨损严重、高电耗、空转等移速的影响，空气压缩机运行中所消耗的能源量大幅上升。而依托变频控制技术的应用就能够规避上述问题的发生，通过变频控制技术在空气压缩机中的应用，可以实现对空气压缩机运行转速的合理调节，推动排气量下降，促使空气压缩机的轴功率与运行转速之间的关系始终稳定在正比例水平。同时，结合用气量的变化进行气压值的随时调整也成为现实，确保空气压缩机内的空气始终稳定在恒压供应的状态下，推动空气压缩机运行效率的增高。

3.6 在矿井水泵中的应用

水泵承担着处理井下供水及排水的任务，是保证井下生产安全、高效的重要设备。通过在水泵中应用变频控制技术，能够实现对电机转速的自动化调节。例如，某煤矿生产中在水泵房内加设了变频电机以及变频器，依托正压传感器实现出水压力的检测；结合变频器PID调节模块的运行，能够参考井下水量完成对变频电机转速的实时性、自动化调整，达到井下供排水系统恒压出水的效果。通过这样的方式，有效解决了出水压力偏低且不稳定的问题，切实满足井下用水及排水需求。

4 结语

综上所述，将变频控制技术应用于煤矿机电设备中具有极为明显的优势，有着极高的研究与推广应用价值。通过在通风机、矿井提升机、皮带运输机、采煤机、空气压缩机中引入变频控制技术，提升了煤矿机电设备运行的效率效果以及电能利用率，降低了不必要的电能消耗，增加了煤矿生产的经济效益，推动了煤矿机电设备的技术升级。