变频控制技术在煤矿机电中的应用研究

何新建

(河南省煤层气开发利用有限公司，河南 郑州 450016)

变频器是一种具有无冲击启动与软停机优良控制特性的新型电力变换装置，近年来已经广泛的应用于工业生产的不同层面，实现了较好的效果。但是，在煤矿环境中，由于生产环境的特殊性，变频控制技术在煤矿中的应用相对较晚，而在国家节能减排目标的号召下，煤矿机电应用变频控制技术已经势在必行——主通风机、空气压缩机、水泵、提升绞车、牵引电机车等——都将把该技术应用其中，改善工况点，提高运行效率［1］。可见，随着煤矿生产过程复杂性的不断增强和现代电力电子技术与微电子技术的迅速发展，变频控制技术在煤矿机电中的应用逐渐成熟，煤矿设备的可靠性、操作性和节能型得到了不同程度的提升，对采矿业的生产运行效率起到了极大的促进作用。基于此，本文首先对煤矿机电设备中变频技术进行了阐述，然后讨论了变频技术在煤矿机电中的作用和具体应用。相信随着科学技术的不断发展，变频控制技术将得到进一步的发展，也将在煤矿机电中得到更加广泛的应用，使煤矿企业的生产更加科学、理性和安全。

1 变频控制技术及其在煤矿机电中的重要性

1.1 变频控制技术原理

变频控制是一综合性的技术门类，涉及到电机传动技术、电力电子技术和计算机技术等，主要应用于强弱电和机械设备的运行之中［2］。对变频控制技术而言，其工作原理是经由半导体元件把工频电流信号转换成其他的频率，而后再把转换成的工频交流电转换为直流电，并在这一过程中通过逆变器实现对电压与电流的控制和调节，使机电设备处于无级调速的状态之中。在煤矿机电中，变频控制技术的应用就是要通过电机转速和电流频率之间的同步增长关系，实现对电机转速和机电设备的有效控制。同时，将变频控制技术应用于煤矿机电中，该可以在一定程度上实现对设备的平稳和自动加、减速控制，从而提高煤矿的工作效率，降低能耗。

1.2 变频控制技术的发展

近年来，在科学技术尤其是电子信息技术的推动下，变频控制技术得到了飞速的发展，无论是在理论研究还是在实践应用方面，都获得了长足的进步，所取得的经济效益和社会效益都是非常可观的［3］。比如，随着变频控制技术在节能减排领域中的突出表现得到越来越广泛的认可，越来越多的生产企业和行业领域都试图尝试使用变频控制实现对生产机械设备运转的控制;再如，变频控制技术中智能控制模块的出现，实现了控制方式和控制功能的拓展，生产活动的综合化水平得到了前所未有的提高，同时也促进了变频控制技术在更为广阔空间内的应用。而在自动化控制与网络技术的辅助下，变频控制技术的集成程度也不断提高。

1.3 变频控制技术在煤矿生产中的重要性

随着我国经济社会的不断进步，尤其是工业生产规模的不断扩大，社会对能源的需求量长期处于高涨的趋势。虽然最近几年在国内外因素的共同作用下，我国能源的需求量处于较为平稳的态势，但是最为基础性资源的煤炭还是在国民经济中充当重要的不可替代的角色［4］。在这种情况下，煤矿资源得到了不断的甚至是过度的开采，煤矿资源的储量越来越有限，煤矿开采企业之间的竞争也表现出了前所未有的激烈程度。能否在提高产量的同时，进一步的提高机械设备的利用效率，最大限度的节约资源，减少污染物的排放，就成为决定煤炭企业竞争成败的重要因素［5］。在这种情况下，开始有煤炭企业注意到了科学技术对于上述目标实现的重要性，有意识的在煤矿机械电设备中融入变频控制技术，以此来实现节能减排、提高企业竞争力和保护环境的目的，也唯有如此，才能保证煤炭企业获得长期的稳定发展。并且，变频控制技术在煤炭企业得到应用之后，因其良好的可控性与节能性受到了越来越多企业的关注，更多种类的变频设备应用到了这一领域之中［6］。

2 变频控制技术在煤矿机电中的适用层面

2.1 流体负荷设备对变频控制技术的适用性

在煤矿机电设备中，将变频控制技术应用到流体负荷设备中，能够实现更高的自动化水平和运行效率：(1)在掘进的整个过程中，风量在变频控制技术的作用下，能够实现动态的控制，以此满足不同情况下的需求，这样一来，除了能够节省宝贵的时间外，还能够在很大程度上实现对电能的节约;(2)如果出现了计划性停风或者意外停电的情况，此时是不必由人来进行瓦斯排放的，只需通过自动调速装置的功能就能够实现目标;(3)在串联通风状态下，能够通过自动调速装置实现对上级风量的有效控制，下级通风也会因此得到必要的保障;(4)在供电正常的情况下，通风机自动调速装置可以根据掘进工作面涌出的瓦斯量，对风速进行自行的调整，降低瓦斯超限的风险。

2.2 采煤机层面使用交流四象限变频器

将变频控制技术应用于采煤机层面时期又一个主要的应用层面。其工作原理为，整流电路能够依据四象限变频器对全波整流桥进行调整，使其以可控整流桥的状态出现。当电机位于具体的电动状态之下时，四象限变频器与两象限变频器之间并不存在明显的差异，但是当电机表现为发电状态时，四象限变频器中的逆变电路将以整流电路的形式开始具体工作，而原来的整流电路则以逆变电路的形式工作［7］。在当前情况下，我国采煤机在能量回馈型四象限中使用交流变频控制技术已经发展到了世界领先水平，不但能够在额定转速下实现对恒定转矩的调速，还能够在额定转速之上完成恒定功率的调速。

3 变频控制技术在煤矿机电设备中的具体应用

3.1 变频控制技术在煤矿主通风机的应用

伴随着煤矿开采量的不断增大，对通风机功率的要求也越来越高，将变频控制技术应用到通风机设备已经成为一种明显的趋势。其目的在于根据实际情况改变风量、降低能耗。因此，经过改造之后的通风机会在变频控制技术的作用下，通过软启动达到避免出现启动时电流过大的情况，减少对电网设备的冲击，降低危险事故发生的概率。更为重要的是，这样做能够视实际情况完成对设备的启动与停止操作，控制通风机的强度，增加其使用寿命。

3.2 变频控制技术在电控保护系统中应用

在煤矿生产过程中，电控系统与保护系统也在采用变频控制技术，控制箱一般采用快开门方式，电气控制则采用双PLC全数字控制系统［8］。该系统还具有相应的保护试验功能。比如，声光信号和控制回路具有闭锁功能，在未接到信号时是不能开车的;深度指示也以数字的形式显示出来，使得矿车在巷道中运行位置能够准确的显示出来，而当深度指示失效时，还能够完成迅速断电、停车的功能;绞车控制可以通过手动、自动、检修运行以及远程控制等手段完成。

3.3 变频控制技术在矿井提升机的应用

在煤矿生产过程中，矿井提升机负责输送物料与人员，其重要性不言而喻。而作为矿井生产四大运转部件中最为重要的设备，其传统的调速模式为通过在电动机转子电路内接入金属电阻的方式完成。该类控制装置的缺点是不容置疑的：不但电阻消耗大、还存在散热难以解决的问题;此外，电阻只等完成有级调速，对于无极调速是难以实现的。将扁平控制技术应用到这一领域中，将能够很好的转变这一状况，实现在较大范围内的调速，提升提速的精度性和安全性。更为重要的是，它能够在减速段与下放时保证设备的良性运转，避免设备的损坏和电能的浪费。因此，将变频控制技术应用其中，能够提升煤矿的安全生产与经济运行，在无级平稳变速的同时，提升系统的安全级别。

3.4 变频控制技术在皮带机中的应用

皮带机在煤矿生产中的运作原理较为简单：通过对轮毂的驱动产生摩擦力，以此带动皮带进行作业，而为了牵引滚轴进行运作，只需将皮带施以特殊张力使其产生变形与摩擦力即可。传统的方法在启动的过程中，时间间断往往较短，这对皮带的运行提出了更严格的要求，除了要具备足够大的韧性外，还应该能够避免皮带的断裂与老化。而将变频控制技术应用其中之后，皮带机便能够通过承受的重量对其运作功率与力矩进行动态的调整，保证电机工频恒速运行。

4 结束语

随着技术的普及和市场竞争的日趋激烈，变频控制技术在煤矿机电设备中的应用越来越广泛。但是，实际情况是，我国煤矿对于变频控制技术的应用还达不到普及的程度，一些大型的变频设备和关键技术还未应用其中，这与国外的实践相比，还存在着较大的差距。从这个角度讲，变频控制技术在我国煤矿机电设备中还存在较大的发展和应用空间。相信随着随着自动化控制、电子技术、信息技术和计算机技术不断在煤矿机电领域中得到应用，煤矿机电设备的智能化水平也会越来越高，这将为变频控制技术的应用奠定坚实的基础，机电设备能耗会逐渐的降低，煤矿企业的生产成本也会得到较大的改善，煤矿企业的经济效益也会因此得到不同程度的提升。

［1］赵志宏.煤矿机电设备变频控制技术［J］.中国新技术新产品，2010(14)：125.

［2］王端焕.浅谈煤矿机电设备中变频技术的应用［J］.中国高新技术企业，2012(27)：51-53.

［3］张云飞.变频技术在煤矿机电设备中的应用［J］.煤炭技术，2011(1)：82-83.

［4］刘映武，李居鹏.四象限变频调速提升机的开发应用［J］.煤矿机电，2006(6)：90-92.

［5］黄琦.矿井排水泵的节能改造［J］.中国煤炭，2005(8)：34-35.

［6］董恒贤，陈定永.变频技术在孔庄煤矿的应用［J］.能源技术与管理，2007(1)：23-25.

［7］石树君.浅谈四象限交流变频器在采煤机上的应用［J］.山西焦煤科技，2006(10)：9-11.

［8］许洪杰，王方红.变频调速技术在煤矿露天生产中的应用［J］.科技资讯，2007(21)：4-6.