韓保杰

（陽泉煤業(yè)集團二礦建筑安裝公司，山西 陽泉 045000）

引言

隨著采煤技術(shù)及綜采設(shè)備自動化水平的提升，工作面的生產(chǎn)能力不斷增加，對應(yīng)的工作面的電能消耗也在不斷增加。在當前節(jié)能減排、低碳生產(chǎn)的號召下，降低煤礦生產(chǎn)的能耗，實現(xiàn)煤礦機電設(shè)備的節(jié)能生產(chǎn)勢在必行[1]。因此，本文著重對煤礦機設(shè)備變頻節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用進行研究。

1 變頻節(jié)能原理

1.1 變頻調(diào)速理論基礎(chǔ)的研究

目前，變頻器在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用相對頻繁且應(yīng)用范圍較為廣泛，其主要功能是實現(xiàn)對交流異步電機的軟啟動、變頻調(diào)速、過載保護和過流保護功能[4]。變頻調(diào)速原理如式（1）所示：

式中：n 為提升機電機的轉(zhuǎn)速；f 為提升機電機的頻率；s 為提升機電機的轉(zhuǎn)差率；p 為提升機電機的極數(shù)。由公式（1）可知，通過調(diào)整電機的頻率實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，進而可實現(xiàn)提升機轉(zhuǎn)速的平滑調(diào)節(jié)。

1.2 變頻調(diào)速的控制機理

帶式輸送機、提升機、通風(fēng)機等均為綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，為解決煤礦機電設(shè)備的節(jié)能生產(chǎn)并滿足實際生產(chǎn)的需求，需根據(jù)實際工況對設(shè)備電機的轉(zhuǎn)速進行控制，從而達到對設(shè)備的節(jié)能控制。比如，就帶式輸送機而言，通過對帶式輸送機所運送物料的狀態(tài)及帶式輸送機的溫度、壓力等參數(shù)的實時監(jiān)測和采集，并將上述所采集的數(shù)據(jù)上傳于PLC 和上位機中，通過對上述參數(shù)的對比分析對變頻器的輸出頻率進行調(diào)整，從而達到對電機轉(zhuǎn)速的控制，最終實現(xiàn)對帶式輸送機帶速的控制[2]。

2 基于模糊控制算法的變頻節(jié)能技術(shù)研究

基于帶式輸送機運速與運量相匹配的設(shè)計思路，采用變頻技術(shù)實現(xiàn)帶式輸送機運速隨著其運量及工況實時調(diào)節(jié)的目的。為進一步提升節(jié)能控制系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)采用冗余設(shè)計技術(shù)，即采用工控機實時監(jiān)控和PLC 控制相結(jié)合的控制方式，實現(xiàn)帶式輸送機的變頻節(jié)能控制，可滿足實際生產(chǎn)中的緊急停車、故障保護以及智能監(jiān)控等功能[3]。

目前，應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的控制算法包括有PID 控制算法、模糊控制算法以及自適應(yīng)控制算法等。其中，PID 控制算法主要應(yīng)用于線性控制系統(tǒng)，模糊控制算法主要應(yīng)用非線性控制算法。因此，一般帶式輸送機變頻節(jié)能常與模糊控制器相結(jié)合。帶式輸送機節(jié)能控制系統(tǒng)的模糊控制原理如圖1 所示。

圖1 帶式輸送機節(jié)能控制系統(tǒng)的模糊控制原理圖

如圖1 所示，節(jié)能控制系統(tǒng)對輸送帶的運速進行實時監(jiān)視，并將監(jiān)視所得結(jié)果通過模糊控制器傳入PLC 控制器中，根據(jù)PLC 控制器中所存儲的模糊控制算法對比當前的帶速是否與實時載荷相匹配。若帶速與運量不匹配，系統(tǒng)立即控制變頻器完成對帶式輸送機電機的頻率的控制，從而實現(xiàn)對帶速的調(diào)整。

經(jīng)實踐表明，基于模糊控制算法實現(xiàn)對帶式輸送機的變頻控制，可根據(jù)輸送帶的運量對帶式輸送機的運行速度進行實時調(diào)整。以陽煤某礦帶式輸送機例進行變頻控制的節(jié)能計算，該礦共有帶式輸送機3 臺，每臺額定功率為1 400 kW，每臺每天工作18 h，每年按照工作300 d 計算，則改造前帶式輸送機每年耗能=3 臺×1 400 kW/ 臺×18 h/d×300 d=22 680 000 kWh。改造后，以該礦的年生產(chǎn)能力為5 Mt 可得帶式輸送機的運量為926 t/h?；谀：刂埔?guī)則，該運量下對應(yīng)的最佳帶速為2.13 m/s，對應(yīng)帶式輸送機的實時功率為663 kW。則，改造后每年耗能=3 臺×663kW/臺×18h/d×300d=10740600kWh。

經(jīng)對比可得：基于模糊變頻調(diào)速改造后帶式輸送機節(jié)能效果可達52.6%。

3 基于行程控制理念的變頻節(jié)能技術(shù)研究

變頻節(jié)能技術(shù)在提升機電氣控制系統(tǒng)中的應(yīng)用所形成的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 提升機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

如圖2 所示，提升機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)主要由變頻器、行程控制系統(tǒng)、操作控制系統(tǒng)、抱閘控制系統(tǒng)以及能耗制動系統(tǒng)組成[4]。各分系統(tǒng)的功能分別為：變頻器：實現(xiàn)對提升機的變頻調(diào)速；操作控制系統(tǒng)：根據(jù)控制指令實現(xiàn)對提升機啟動、制動以及復(fù)位等功能；行程控制系統(tǒng)：對提升機的變速、停車以及制動等操作的行程進行控制；能耗制動系統(tǒng)和行程控制系統(tǒng)主要服務(wù)于提升機的制動操作。

以陽泉煤礦工作面的提升機為例，當前提升機所采用的調(diào)速方式為轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，經(jīng)研究可知：轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的耗能巨大?；谔嵘龣C的變頻調(diào)速技術(shù)可實現(xiàn)對提升機行程的控制，將提升機在實際運行工況下的行程區(qū)間進行劃分，針對不同的行程區(qū)間采用不同變頻調(diào)速控制可實現(xiàn)對提升機上升、下放速度的控制。

經(jīng)實踐表明，以陽泉煤礦提升系統(tǒng)為研究對象，改造前后的故障對比情況如表1 所示。

表1 改造前后故障情況對比

4 基于組態(tài)網(wǎng)絡(luò)控制的變頻節(jié)能技術(shù)研究

變頻節(jié)能技術(shù)在通風(fēng)機中的應(yīng)用控制框圖如圖3 所示。

如圖3 所示，控制系統(tǒng)的核心為PLC 與變頻控制技術(shù)相結(jié)合的控制思路，首先由現(xiàn)場瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳒y量工作面的瓦斯?jié)舛群屯L(fēng)機的實時通風(fēng)量，通過PLC 控制器分析當前瓦斯?jié)舛认聦?yīng)的通風(fēng)量，通過變頻器對通風(fēng)機電機的轉(zhuǎn)速進行控制，從而實現(xiàn)對通風(fēng)量的控制。

圖3 通風(fēng)機的變頻節(jié)能控制框圖

在實際應(yīng)用中，還需對通風(fēng)機的運行狀態(tài)進行監(jiān)測，包括井下的壓力、有害氣體濃度、風(fēng)壓和風(fēng)量等。同時也對控制系統(tǒng)的各個硬件和軟件運行狀況進行監(jiān)控，包括電機溫度、控制后的風(fēng)壓風(fēng)量和電機運行參數(shù)[5]。監(jiān)控系統(tǒng)采用觸摸屏和計算機的狀態(tài)軟件來實現(xiàn)以上功能。其功能結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示。

經(jīng)實踐表明，根據(jù)工作面瓦斯?jié)舛鹊牟煌c其相對應(yīng)的變頻器電機的工作頻率如表2 所示。

圖4 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

表2 不同瓦斯?jié)舛认码姍C頻率

5 結(jié)論

變頻節(jié)能技術(shù)在陽泉煤礦中應(yīng)用后，得到了良好的效果，經(jīng)實踐表明：

1）變頻節(jié)能技術(shù)在帶式輸送機中的應(yīng)用其節(jié)能效果可達52.6%；

2）變頻節(jié)能技術(shù)在提升機中的應(yīng)用，能夠降低設(shè)備的故障率及減少停機時間；

3）變頻節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用可根據(jù)工作面瓦斯?jié)舛葘ψ冾l器電機頻率進行控制，從而達到節(jié)能的效果。