張善強(qiáng)

摘 要：隨著我國科技水平的不斷進(jìn)步和國家對(duì)能源問題重視程度的加深，節(jié)能和安全成為當(dāng)今礦山生產(chǎn)工作中的首要工作任務(wù)，而變頻技術(shù)因其突出的調(diào)節(jié)和控制性能而被越來越廣泛的應(yīng)用在礦山機(jī)械設(shè)備中，尤其是在礦山及井下運(yùn)輸、采礦、通風(fēng)等多個(gè)方面。變頻技術(shù)的應(yīng)用成功的提高了礦山機(jī)械設(shè)備的性能，進(jìn)而提高了礦區(qū)的生產(chǎn)效率和質(zhì)量，而且使煤礦企業(yè)取得了良好的節(jié)能效果。該文中筆者根據(jù)自己的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，立足于變頻技術(shù)的應(yīng)用原理，就變頻技術(shù)在礦山機(jī)械設(shè)備中的應(yīng)用現(xiàn)狀做出了分析，并闡述了其應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：變頻技術(shù) 礦山 機(jī)械設(shè)備 應(yīng)用前景

中圖分類號(hào)：TD4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）08（b）-0043-02

我國地大物博，是一個(gè)礦產(chǎn)資源豐富的國家，特別是地表土層之中礦產(chǎn)種類及儲(chǔ)存量豐富，這大大推動(dòng)了我國的國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展。然而礦山耗電量巨大，只電耗成本一項(xiàng)就占據(jù)了總生產(chǎn)成本的70%左右，并且這種能耗對(duì)礦山設(shè)備在啟動(dòng)、加速、制動(dòng)、減速及維護(hù)方面都是非常大的浪費(fèi)，這在當(dāng)前推崇環(huán)保節(jié)能的社會(huì)環(huán)境中顯得格格不入。伴隨著科技的迅速發(fā)展，變頻技術(shù)在礦山機(jī)械設(shè)備中的廣泛應(yīng)用逐漸解決了這一問題，尤其是對(duì)電力能源需求較大的壓氣、通風(fēng)等多個(gè)方面，更加需要變頻技術(shù)來防止能源無謂的損耗，從而更好的推動(dòng)礦山的可持續(xù)發(fā)展；另一方面，變頻技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于礦山生產(chǎn)設(shè)備效率的提高和優(yōu)化也是至關(guān)重要的。為此，加強(qiáng)對(duì)礦山機(jī)械設(shè)備中變頻技術(shù)的探討與研究，在當(dāng)前具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 變頻技術(shù)概述

隨著全國各地區(qū)礦山資源的不斷開采，總量越來越少，這也就意味著各開采企業(yè)之間的競爭會(huì)愈演愈烈，尤其是作為耗電大戶的煤炭開采企業(yè)，其在市場上綜合競爭力的優(yōu)勢很大程度上依賴于其所用機(jī)械設(shè)備的高節(jié)能效率和低污染排放。而在礦山機(jī)械設(shè)備中應(yīng)用變頻技術(shù)是節(jié)能減排、增強(qiáng)企業(yè)競爭力、保護(hù)環(huán)境、促進(jìn)企業(yè)長期發(fā)展的不可或缺的重中之重。當(dāng)前礦山機(jī)械設(shè)備的用電量占企業(yè)總用電量的絕大部分，因此變頻技術(shù)巨大的節(jié)能潛力決定了其在礦區(qū)生產(chǎn)中占有不可取代的地位。

1.1 變頻技術(shù)

變頻技術(shù)，簡而言之就是電流頻率的改變和優(yōu)化技術(shù)，變頻技術(shù)主要分為以下幾種類型：直——直變頻技術(shù)（即斬波技術(shù)）、交——直變頻技術(shù)（即整流技術(shù)）、直——交變頻技術(shù)（即逆變技術(shù)）、交——交變頻技術(shù)（即移相技術(shù)）?，F(xiàn)在人們常說的變頻技術(shù)通常就是指交流變頻調(diào)速技術(shù)，它是將工頻交流電通過不同的技術(shù)手段變換成不同頻率的交流電。就當(dāng)前來看，交流變頻調(diào)速技術(shù)屬于一種綜合性的應(yīng)用技術(shù)，不僅包括了電力電子技術(shù)、微機(jī)技術(shù)及電力傳動(dòng)技術(shù)等，同時(shí)也是一種實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)弱電與機(jī)電設(shè)備一體化的綜合技術(shù)。

1.2 應(yīng)用原理

礦山機(jī)械設(shè)備在正常使用過程中，不會(huì)在滿載負(fù)荷的情況下進(jìn)行長時(shí)間工作，當(dāng)電機(jī)在非滿負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，達(dá)到動(dòng)力驅(qū)動(dòng)要求后的多余力矩會(huì)增加功耗，造成電能的浪費(fèi)。為使設(shè)備既不造成浪費(fèi)又能達(dá)到工作動(dòng)力要求，非常有必要在設(shè)備運(yùn)行過程中使用變頻技術(shù)，變頻器會(huì)根據(jù)實(shí)際負(fù)荷用改變電流頻率的方式來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，避免設(shè)備產(chǎn)生多余的力矩。礦山機(jī)械設(shè)備中應(yīng)用的變頻技術(shù)，其基本原理是利用半導(dǎo)體元件的通斷作用將工頻電源信號(hào)轉(zhuǎn)換為不同的頻率。確切的說，礦山機(jī)械設(shè)備中的變頻技術(shù)就是基于電流頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的同比增長關(guān)系，通過改變電機(jī)的速度來調(diào)節(jié)電機(jī)輸出功率與之匹配進(jìn)而科學(xué)有效的控制機(jī)電設(shè)備，這是一種可以盡量避免額外轉(zhuǎn)差損耗的高效率調(diào)速方式，也解釋了在如今能源匱乏的大環(huán)境中變頻技術(shù)為何能夠脫穎而出并倍受青睞的原因。同時(shí)，變頻器的整流、直流、逆變和控制四大組成部分相輔相成，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備轉(zhuǎn)速的自動(dòng)、平穩(wěn)、節(jié)能、高效控制，使礦區(qū)的工作效率得到了大幅度的提高并最大程度的減小了能源損耗，也由此促進(jìn)了變頻技術(shù)理論和實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的快速發(fā)展。

1.3 發(fā)展歷程

變頻技術(shù)是在交流電機(jī)無極調(diào)速的廣泛需求下產(chǎn)生，并在能源危機(jī)中不斷發(fā)展。變頻控制裝置的功率器件經(jīng)歷了GTR（達(dá)林頓功率管，電流驅(qū)動(dòng)）和IGBT（絕緣柵雙基極場效應(yīng)管，電壓驅(qū)動(dòng)）交替的過程，并且進(jìn)一步發(fā)展成為了智能功率模塊IPM（Intelligent Power Module），IPM可以將變頻的功率不斷的增大。在控制技術(shù)方面，隨著壓頻比U/f控制方式的巨大進(jìn)步，矢量控制變頻調(diào)速和直接轉(zhuǎn)矩控制變頻技術(shù)被更加廣泛的應(yīng)用于變頻器的實(shí)際操作中。同時(shí)，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊自動(dòng)化控制等變頻節(jié)能技術(shù)新的研究思路也得到了設(shè)想和開發(fā)，技術(shù)也由以前單一的數(shù)字信息處理發(fā)展到目前較先進(jìn)的高級(jí)專用集成電路。最后隨著當(dāng)前變頻器系統(tǒng)化和綜合化的不斷加強(qiáng)，在功能上不僅具有基本的調(diào)速功能，還通過內(nèi)置設(shè)備具有了編程、通信和參數(shù)辨識(shí)等功能。在我國變頻技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中越來越廣泛，并隨著轉(zhuǎn)矩直接控制與矢量控制的不斷應(yīng)用研究有了新的方向。比如：交流變頻向直流變頻方向轉(zhuǎn)化；功率器件向高集成智能功率模塊發(fā)展；縮小裝置的尺寸；高速度的數(shù)字控制；模擬器與CAD技術(shù)等。

2 變頻技術(shù)在礦山機(jī)械設(shè)備中的應(yīng)用

變頻技術(shù)因其自身的優(yōu)越性在我國礦山機(jī)械設(shè)備中得到越來越廣泛的應(yīng)用，這不僅大幅度的降低了礦產(chǎn)工作中所造成的電能耗費(fèi)及環(huán)境污染情況，同時(shí)也縮短了設(shè)備的維修和養(yǎng)護(hù)開支，有效的提升了礦產(chǎn)開采效益。

2.1 礦井提升機(jī)中變頻技術(shù)的應(yīng)用

提升機(jī)作為礦山機(jī)械中的一項(xiàng)主要設(shè)備，主要擔(dān)負(fù)著安全輸送施工設(shè)備、物料、人員等方面的任務(wù)，是礦山日常生產(chǎn)和建設(shè)中必不可少的一部分。其傳統(tǒng)的調(diào)速方式是在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電路內(nèi)接入金屬電阻，而后利用鼓形控制器或者接觸器切除電阻，但這種方式在實(shí)際運(yùn)用中存在極大的安全隱患，并會(huì)大量消耗電能且散熱性能差。在提升機(jī)當(dāng)中使用變頻技術(shù)，可改變這一現(xiàn)狀，既能實(shí)現(xiàn)無級(jí)平穩(wěn)的加減速，又能增強(qiáng)系統(tǒng)各方面的性能。主要做法是選用交流四象限變頻調(diào)速系統(tǒng)配上變頻防爆提升機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)信息化控制，在完備的輸入輸出接口電阻中，實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)的遠(yuǎn)程控制，確保提升機(jī)順利完成自身任務(wù)。變頻應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)：（1）在對(duì)電路圖與梯形圖之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換控制上更加簡便；（2）在一定程度上可以免除維護(hù)，故障查找簡單，且在查找的過程中也會(huì)對(duì)機(jī)械和電汽進(jìn)行故障檢測；（3）不需要對(duì)硬件經(jīng)過接線，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)柔性控制；（4）當(dāng)提升機(jī)負(fù)力的情況下，電機(jī)產(chǎn)生回饋制動(dòng)的效果將再生能源反饋到電網(wǎng)，電能節(jié)約明顯提升。而且制動(dòng)力矩增大的同時(shí)也提高了絞車的安全性；（5）相對(duì)以前減少了系統(tǒng)沖擊和機(jī)械磨損，增加了設(shè)備的使用年限。endprint

2.2 采煤機(jī)中變頻技術(shù)的應(yīng)用

采煤機(jī)由早期的液壓牽引發(fā)展到如今的交流電牽引，與提升機(jī)相同，采煤機(jī)也具有啟停頻繁、變速復(fù)雜的特點(diǎn)，因此，在引入變頻器時(shí)理應(yīng)考慮進(jìn)行四象限工作。目前，采煤機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)已從“一拖二”發(fā)展到“一拖一”，我國能量回饋型四象限運(yùn)行的交流變頻調(diào)速采煤技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平，能夠?qū)崿F(xiàn)額定轉(zhuǎn)速下恒定轉(zhuǎn)矩調(diào)速，額定轉(zhuǎn)速以上恒定功率調(diào)速及兩臺(tái)變頻器之間的主從控制和轉(zhuǎn)矩平衡。從現(xiàn)場運(yùn)行情況來看，采用四象限工作形式能夠?qū)Σ擅簷C(jī)進(jìn)行較大范圍的控制和調(diào)節(jié)，維持牽引速度在一個(gè)較為穩(wěn)定的水平，避免機(jī)器出現(xiàn)溜車、下滑等現(xiàn)象。此外，引入變頻技術(shù)后采煤機(jī)的操作也相對(duì)簡單，控制更加精確，操作方便、速度調(diào)節(jié)可靠。目前我國很多采煤機(jī)都是采用四象限變頻器，這種變頻器具有結(jié)構(gòu)簡單、容易控制、速度可以隨機(jī)調(diào)節(jié)的優(yōu)勢。

2.3 皮帶機(jī)中變頻技術(shù)的應(yīng)用

在礦井機(jī)械設(shè)備中皮帶機(jī)的使用功率比提升機(jī)還大，皮帶機(jī)是借助繞線電機(jī)的經(jīng)轉(zhuǎn)子繞組來進(jìn)行降壓啟動(dòng)后工頻巡行，而后再經(jīng)由液力耦合器轉(zhuǎn)換到皮帶機(jī)中。其工作原理是利用驅(qū)動(dòng)輪轂轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦力牽動(dòng)皮帶運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而通過皮帶上特殊的張力變形，來帶動(dòng)皮帶在滾軸上的運(yùn)動(dòng)。在這個(gè)過程中，轉(zhuǎn)子串接電阻會(huì)改善轉(zhuǎn)矩以及減壓空載啟動(dòng)等，不過其啟動(dòng)電流依然過大，易產(chǎn)生電網(wǎng)電壓的劇烈波動(dòng)、電機(jī)內(nèi)部機(jī)械沖激及發(fā)熱等現(xiàn)象；而且因啟動(dòng)時(shí)間太短也造成了皮帶的斷裂以及老化，所以對(duì)皮帶的韌性提出了嚴(yán)苛的要求；同時(shí)液力耦合器自身運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)存在部件磨損嚴(yán)重、油溫上升等問題，這無疑加大了設(shè)備的維護(hù)成本和難度，也極大的污染了環(huán)境。在皮帶機(jī)中融入了變頻技術(shù)后，可從根本上穩(wěn)定皮帶機(jī)的工作性能，實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)的軟起軟停，系統(tǒng)就可以根據(jù)皮帶的實(shí)際負(fù)荷，來調(diào)節(jié)輸出頻率及力矩，有效降低了對(duì)電力能源的消耗，而且過程中系統(tǒng)的功率因數(shù)也高于90%，大大提高了礦井的工作效率。變頻技術(shù)的能量回饋功能在減少能源消耗的同時(shí)還降低了設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用，節(jié)約資金和完善環(huán)保，一舉兩得。

3 變頻技術(shù)在礦山機(jī)械設(shè)備的應(yīng)用前景

雖然目前我國礦山機(jī)械設(shè)備中變頻技術(shù)的應(yīng)用尚不完全成熟，但隨著我國相關(guān)技術(shù)的推廣和開發(fā)，加之對(duì)能源利用率提出的更高要求等可以看出，變頻技術(shù)在礦山機(jī)械設(shè)備應(yīng)用中的發(fā)展空間還是很大的。首先，礦山中采用的機(jī)械設(shè)備種類繁多，解決好變頻器與設(shè)備的匹配問題，就能更加大范圍的推廣；其次，我國礦產(chǎn)豐富，未來設(shè)備升級(jí)對(duì)變頻器的需求量加大，也推動(dòng)了變頻技術(shù)的推廣應(yīng)用；再次，礦山工作環(huán)境特殊繁雜，對(duì)變頻器特殊功能的需求也呈現(xiàn)專業(yè)化趨勢；最后，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展和礦山改造中對(duì)變頻器需求的增加，變頻器的控制也會(huì)成為礦山管理中的重要工作環(huán)節(jié)。

總之，隨著變頻技術(shù)在礦山機(jī)械設(shè)備中的有效應(yīng)用，其速度可調(diào)、操作簡單、工作效率高、占地面積小、拆裝方便以及節(jié)能降耗等特點(diǎn)，使我國的礦山生產(chǎn)和建設(shè)不僅改善了當(dāng)前的工作環(huán)境，同時(shí)還降低了生產(chǎn)成本，保護(hù)了生態(tài)，有效提高了采礦業(yè)的效益?！吨腥A人民共和國節(jié)約能源法》第39條，已將變頻技術(shù)列為通用節(jié)能技術(shù)加以推廣。隨著變頻技術(shù)的不斷改進(jìn)，相信在不久的未來將在各業(yè)當(dāng)中都能得到廣泛的應(yīng)用。本文由于作者的水平有限，所述內(nèi)容不足之處，望同行予以斧正。

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