变频节能技术在煤矿机电设备中的应用及其发展前景

◎常康寿

引言：

中国煤炭资源贮备量丰富，同时随着中国当前城市化进程的加速，现代科技的迅速发展，对煤炭资源的需要量也越来越大，因此煤炭资源利用效果及其对环保方面的影响已成为中国经济社会发展亟需破解的重大问题。煤炭资源随着中国经济社会的发展占有着很重要的经济社会地位，但在近年来，中国发展对煤炭开采的需求量逐渐增加，不规范作业的情况等使得我国煤矿开采过程安全事故频发。安全和节约已是煤炭行业生产和发展过程中遵循的主要准则，为了提高煤炭行业的生产效益，在安全生产的同时实现节约的目标，运用现代高速发展的科技，升级煤炭机械装备，提高煤炭机电设备的生产技术含量。就整体的发展趋势而言，变频节能技术在煤矿机电设备中的运用起到了关键的作用，满足当前时代发展要求节能的需求。在这样的时代背景下，我国需抓住当前快速发展的科学技术，将变频技能技术应用于机电开采设备，确保充分发挥机电设备的各项性能，改善我国煤矿资源生产过程中存在的能耗大的问题，切实提升煤矿工程的开采效率。

一、变频技术的介绍

1.变频技术的概念。

所谓变频节能技术，就是利用半导体原件的通断进行对机械电路中电流运行频率的调节，随着时代的发展，此技术已经成为提高机械设备工作的效率、减少能源的主要技术之一。由电源板、电极电容和键盘等机械元件所构成的变频器是变频节电技术发展的核心技术，具有显著降低机电元件功率的功效。而变频器节电技术在煤矿机械器件中的运用有效提高了发电机的负荷状况，对减少机电元件工作功率、调节输出频率、延长发电机的使用寿命等都具有意义。

2.变频节能技术基本原理。

电机则是利用整流电压器将输入的电流转化为直流电，而后再将直流电转换成各种频段的交流电，最后将其传送至驱动器，从而完成了电气频谱的变化。总的来说，变频节电技术就是把交流电转换为可变性资源，在减少传统矿井机械装置能源的同时提高能源的使用率，从而提升了传统矿井电力装置的综合性能。而随着科技的发展，变频技术的应用也越来越普遍，在大大提高改善机电设备使用效果的同时，能够更高效辨识传输数据和变成数据，从而推进整个变频节电技术的发展，以矢量控制技术为核心，建立完备的控制网络，结合人脑神经网络系统以及自动控制系统，融合多方思考因素，最终将其建立为一个有机整体，形成一个综合性更为完善的集成系统。

二、变频节能技术的应用现状

我国煤炭生产领域受传统生产模式的限制，有些管理人员认为传统的生产模式已经可以达到基本的生产要求，并未紧随时代发展的趋势，将变频节能技术融入煤矿机电设备。随着科学技术的发展，变频节能技术迎来了更为广阔的发展空间，随着对此项新型技术的深入研究，已经取得了较为显著的成效，变频节能技术的应用有效降低能耗，为企业创造更为可观的经济价值。其实际应用范围遍布各个领域。首先，变频节能技术在机电设备中的应用，大大提高了器件的工作效率。其次，变频节能技术在机电设备中的应用，提升了设备运行的综合性。同时附加了通信以及编程等功能，实现机电设备的集成化调控，大大提高了设备的运行效率。最后，研究领域尝试将人工神经网络以及自动化控制系统等内容融入其中，切实提升机电设备的使用效率。

三、煤矿机电设备中变频节能技术的应用

当前，技术人员在开展矿井机械设备工作的实践中，借助了当前高速发展的先进科技，顺应着时代发展的趋势，进一步提高了变频节能技术在矿井机械设备工作中的运用。一般而言，变频节能技术在煤矿等机械设备工作中的运用，主要应用在提升机、风机等系统中。下文对其具体应用展开总结，详细如下：

1.在风机系统中的应用。

风机系统作为煤炭开发工作的重点装置，其工作品质将直接影响到最后的作业成果，基于此，工程技术人员必须利用变频等节能技术进行风机控制系统的建设和完善。一般来说，传统的风机更换模式在实际使用的过程中更加复杂，繁重的工作内容也使得煤矿开采工作的困难度增加。对此，需要科研人员把握当前科技高速发展的机会，将变频节能技术科学合理地运用到风机系统，适应风机工作流程中对通风要求的各种需求，从而提高风机的变频效率，并完成对风机特性曲线的优化，保证风机系统可以在满足基本要求的基础上实现高质量、高效率作业。煤矿生产绝大多数在地表下几百米处进行，而且煤矿生产的过程中会产生大量的CH4，若不能及时排出，则容易发生瓦斯爆炸。而向矿井送入新鲜空气主要依靠风机。根据GB50215—2015《煤炭工业矿井设计规范》要求，矿井通风设备应满足矿井服务期限内各个时期的工况变化需求，并且应在较长时间内高效运行。同时《煤矿安全规程》也明确规定，应尽早建立地面永久通风系统，但是风机对于整个矿井来说，也属于大功率机电设备，在风机选型时以矿井通风困难时期的最大需求选择，而实际情况是，风机大部分时间不需要工作于额定功率下，因此大大浪费了电能。风机一般为平方转矩负载，根据其特性，轴功率与风机转速的立方成正比，当风机的转速下降时，其输出功率会大大降低，从而也能节约大量的电能。为使风机的转速下降，同时又能满足矿井通风的需求，一般的做法是将变频器引入到风机的控制中，根据矿井需求向下输送新鲜空气，自动控制风机转速，使风机始终工作在最佳风速下。比如通过监测矿井出风口中粉尘、CH4 等特征气体的浓度来控制风机转速，当出风口的粉尘、特征气体浓度低时，则降低风机的转速，耗能相较于恒定转速则会大幅下降；当粉尘、特征气体浓度增大达到设定值时，则提高风机的转速，在紧急情况下还可以让风机短时间内超负荷运行，以保证向矿井提供的风量。综上所述，将变频机应用于风机中，能够大幅降低风机的能耗，而且能够降低风机的故障率，提高风机运行的可靠性，对提高企业经济效益和竞争力起到积极作用。

2.水泵系统。

在水泵运转系统中，水流的速度必须根据具体的煤炭开采要求而加以控制，水流量的变化情况会直接对煤矿开采工作状态造成影响。在此过程中，对水流速度的调节必须充分考虑其流动及对水泵的冲击情况。传统的水泵流量调控都是利用机械闸门的控制实现，复杂的调控形式在加重操作人员负担的同时造成了水资源的大量浪费，不利于环境友好型社会的建设，降低企业的经济效益。随着现代科技的发展，变频技能技术也顺应着时代发展的趋势而逐渐发达，和以往的机械操作方式比较，在设备满载排水量相同的情况下，大大减少了通过水泵的输送流量和作业情况，从而延长了设备的使用寿命，同时建立与之对应的水泵监控系统，实现对于水泵运行状态的动态性监测，努力实现高质量、低能耗的作业目标。

3.提升机的使用。

提升机在生产煤炭的作业工程中也占有着重要地位，由于提升机在煤炭的生产实施工程中的使用，重要程度上对煤炭产品的安全性和其他方面产生了关系。所以，在提升机工作的环境中，对其调速要求比较高，可通过金属电阻与电动机之间的联系达到对提升机调速的需要。但把其实际应用到煤炭工程上，会降低煤炭生产过程中的安全问题，从一定意义上增加了机电的人力成本。在一煤矿立井提升机系统中，其电机拖动系统采用的就是交-直-交变频原理，配备整流柜采用的是高功率的绝缘双极型晶管功率半导体器件，并且通过有源变流柜的设计，可以有效地对提升机电机在每次提升过程中，在加速、减速段产生的能量损耗反馈进行收集，反馈给电网或者进行系统的电气制动，从而有效地降低系统的功率损耗，达到节能的目的。经过实践，比如西门子公司出产的SINAMICSSM150 系列产品，该交-直-交变频拖动技术中，电网侧的功率因数接近1，无需再进行功率补偿。

4.皮带运输机的应用。

皮带运输机在煤炭开采过程中的运用也相当普遍，运用皮带进行煤矿上下之间煤炭的运送，利用运输机的摩擦牵拉功能，依靠在支撑轮上的摩擦力和张力使物体产生水平运动的特性，进行煤炭的运送工作。在传统的皮带电机运输中，通常都是通过液力耦合装置实现输送机的软启动，这个方法虽然能够保障皮带输送机的顺利作业，但是在长期的运转下来，极易出现皮带电机的老化问题，甚至会使得电机中的皮带发生折断，大大地降低了皮带输送机的工作性能与寿命。倘若将现代化的变频与节能技术运用于其中，可以在电源启动的初期降低输入输出电流的波动，减轻皮带运输机内部因电流过大而出现发热问题的概率减轻运作过程对自身的冲击，充分发挥皮带的运输功能。

5.流体负荷设备。

变频节能技术在流体压力装置上的运用也相当普遍，其中，其主要应用于煤矿领域的开采工作，通过变频调速功能的应用实现对煤矿生产作业工程中的整体调控。在煤炭开发作业中，变频节能技术在流体负荷装置上的运用主要变现为通过调节转速，减小机器的实际输出功率，以适应煤炭开发施工中的一般要求，从而降低开采消耗，降低在施工过程对设备本身的损害，延长设备的使用寿命。变频节能装置对煤矿机械设备管理上的运用体现了过程管理的实用性，减少机器受到的冲击力，在降低能耗的同时提升产品的生产治理。随着变频节能技术在气流图负荷装置上的广泛运用，提高了煤矿内液压的稳定性，从而有效减少了煤炭挖掘工作的能量，也提高了生产过程的稳定性。

6.矿井中锅炉、采暖等领域的应用。

抽气机作为矿井中机械系统的主要成分，它的运行特性对工业生产系统有着很重要的控制意义，通过变频设备的引入，将变频设备与鼓风机相结合，就能够使暖风机的能源消耗大大降低。具体来说是在作业环境特定的状态下，风机出口的功率会因为外部环境的不同而发生变化，这种情况通过调整鼓风机的参数，就能够使伸抽气机在良好的环境下进行作业，避免发生某些恶劣的现象，影响抽气机的效率。在对鼓风机参数设置的具体操作时，也应重视闭环控制方法的实际应用，可采用A/D 切换和D/A 切换的方法来获取仿真数的信息，这样就可以做到对风机转速变频控制。在矿井锅炉中实施变频控制技术改造，能够使锅炉在良好的运行情况下开展作业，使矿井企业的经济效益实现最优化，在计算机系统的管理功能下，能够有效地进行节能减排。

四、变频节能技术在煤矿机电设备中的应用前景

中国是世界能源的生产和消耗大国，节能改造也是国家根据时代进程而秉承的重要发展目标，伴随科学和信息技术的高速增长，各种高温大功率调速器开发日新月异，均立足于中国当前科技开发的新方向上，把变频等节能技术也纳入其中，降低了煤矿等机械器件作业过程中的损耗能源，减轻作业生产过程中对机械设备的损害，延长机电设备的使用寿命，顺应当前时代发展的潮流，实现电能的有效节约，帮助煤矿企业控制生产成本，实现产品高质量生产的目标。变频节电方式是其中最常采用的一种节电方式，是优化煤矿机电设备生产过程的媒介。近年来，由于国家对新兴资源的发展和使用的不断深入，煤炭资源的利用范围和比例上已经大大减少了，但因为国家资源所需基数仍然很大，对煤炭资源需求量仍然较高，但今后煤炭资源的开发将会保持长期平衡的发展态势，在短时间内基本不变。

1.变频节能技术的发展方向。

随着人类社会对变频节电技术研究的不断深入，变频节电技术也得到了更广步的应用和完善。变频器的节电技术彻底改变了传统机械传动的方法，通过变频器的广泛应用，使电能传动变为了可能，在日益崇尚绿色生产的现代社会，变频器节电技术的发展无疑是当前较为理想的发展方向。我国在对变频节能技术的开发上投入了大量的人力物力，也取得了不小的成果，但是我国生产出来的变频器在品质方面存在有不小的问题，因此大多数的厂家都会引进外国的变频器，外国的变频器在性能和稳定性方面都比国内的优势明显。对此，在未来的变频节能技术的发展上，我国首先就要做好变频器，在变频技术发展的基础上大力支持国产变频器，有利于推动变频节能技术的应用。

2.变频节能技术的应用前景。

随着变频节能技术的应用，我国在变频节能技术的应用方面取得了重大的进展，经济的快速发展从某种程度上来说是建立在资源消耗上的。这也说明变频节能技术的发展前景非常广阔，使用安全高效的变频节能技术已成为当下煤矿机电设备发现改进的必然趋势。企业应从实际出发，不断地创新，促进设备的更新与完善，服务于我国的经济社会建设。为满足国家煤电联合开发的现代化特大型煤炭机电基地的发展需求，矿用变频器的总容量正在朝着更大功率的趋势推进。而目前，我国的煤炭行业在实施节能的工作中，已经普遍利用电子信息技术、智能化手段进行作业，并为变频技能技术的应用提供依据。同时为了实现各工序效率和产品质量的提高，技术人员还需要进行变压器的降压处理，并以此减少消耗。另外，技术人员还需要进行视频三位图识别系统的建设和应用，以便于从中得到有关物料质量的数据，并以此为数据分析提供基础数据。技术人员还需要在后期开发流程中合理的调控各环节的效率，从而降低生产消耗。工作人员还应及时建立区域自动化信息网，进行矿山能源信息系统的建立，以此为电机能源研究项目的实施提供依据，最后及时发现能源异常装置，从而逐渐消除高能耗装置。因此，煤矿企业工作人员必须随时提高对煤炭生产工作的关注程度，跟随时代发展趋势，把变频节能技术引进机电装置，发挥煤矿自身的潜力，对此，煤炭企业管理者应该时刻保证对煤矿生产作业的重视程度，随着时代发展，将变频节能技术引入机电设备，充分发挥煤炭企业的潜能，在低能耗、高质量的生产中为煤炭企业创造更为可观的收益，帮助企业实现健康、长远的发展。

结束语：

综上所述，尽管当前随着科学技术的发展，新型能源生产与投入使用量增加，但因我国对资源需求量的基数较大，在能源应用的过程中，对于煤炭资源的需求仍然具有较大基数，且在未来一定时期处在基本稳定的需求状态。在当前电子信息技术高速发展的时期，随着大功率传输技术以及自动控制技术等的日益完善，使先进信息技术在煤矿生产领域中的运用更加普遍。其中，高耗能问题仍是当前煤炭工业生产中必须处理的问题，而变频节能技术在其中的运用有助于企业实现节约生产的目标。而通过比较目前煤炭机电设备中变频节电技术的运用状况，也不难看出，变频节电技术还具有较为巨大的发展空间，在节省能源的同时降低了对机械设备的伤害，从而有助于煤炭公司进一步节省成本，并创造了较为可观的收入。所以，在中国煤矿机电控制系统的开发使用过程中，积极推进变频节能技术在机电系统中的运用是十分必要的。