变频节能技术在煤矿机电设备中的实践应用

付诗春

（陕西涌鑫矿业有限责任公司， 陕西 榆林 719400）

0 前言

在煤矿开采中，由于环境恶劣，各类地质及生产条件复杂，很多机电设备需要频繁启停，因此导致电能消耗过大，且机电设备工作效率较低，同时设备的频繁启停对电网冲击过大，影响电网的安全运行，严重制约着煤矿的进展。因此变频节能技术的应用为煤矿发展注入了新的动力，通过应用变频节能技术，可以科学有效地实现能源的节约，达到降低煤矿生产成本的目的，同时还可以保护设备的安全平稳运行，延长设备使用寿命，对煤矿长久发展有着重要的作用。

1 当前煤矿机电设备不足及变频技术的优势

由于当前煤矿企业主要精力是应付生产，因此没有重视对变频节能技术的应用，尤其是在一些地方煤矿，企业为了节省开支，要求机电管理人员身兼数职，无视机电设备能耗过高、效率低下等问题，严重制约着煤矿企业快速发展。传统的煤矿机电设备主要以工频电压为主，大部分煤矿机电设备一般采取直接启动模式，设备的频繁启停会导致瞬间电流过大，从而引起电网电压波动，同时造成电机设备启动振动过大，甚至损坏电机轴承等。机电设备的长期工频运行，不仅会造成电能消耗，还会增大机电设备的发热量，引起机电设备绝缘老化，容易出现短路、火灾，极大地缩短了机电设备的使用寿命，影响煤矿的安全生产和长期发展[1]。

将变频控制技术应用到煤矿生产过程中，能够调节交流电源频率，根据设备实际运载情况合理安排运行速度，降低设备频繁启停带来的损害。因此，在满足机电设备生产需求的同时，最大限度地减少无功功率，从而可以节约电能。机电设备采取变频技术，还能有效降低电流过大对电网的冲击，以及降低电机启动时由于振动过大而造成的设备损坏，大大延长了电机的使用寿命。因此，煤矿变频技能技术的应用是现代智慧煤矿的发展趋势，值得深入研究。

2 煤矿机电变频节能技术的实际应用

在现代社会发展的背景下，从节能和环保的角度出发，充分发挥变频控制技术在煤矿机电设备运行中的作用，不仅能够有效降低煤矿企业生产过程中消耗的电能，还能够通过降低资源的消耗来节约企业运行的生产成本，从而提高企业实际的经营效益，有效促进企业的发展。在对基于煤矿机电变频控制技术的节能方法应用进行分析时，主要可以从以下几个方面入手。

2.1 提升机节能

提升机是煤矿开采中应用的主要机电设备之一，是将开采工作中应用到的物料及开采人员传送到指定位置的设备。该设备是煤矿企业技术优化的一个主要表现，能够通过调节金属的电阻来切断电源，从而有效提升机的运行速度。但这种技术在实际应用中暴露出一定的问题，提升机在矿井开采中需要长时间保持运行的状态，而在消耗大量电阻的情况下，提升机本身缺少散热的装置，再加上利用电阻进行调速的范围较小，很难保证对提升机运行速度进行调节的精度，影响提升机运输物料和人员的安全[2]。

基于这种问题，在实际的煤矿开采和生产过程中，可以应用变频控制技术控制提升机的运行速度，并保证提升机的运行安全，从而通过提升机的有效控制来改善煤矿机电系统的整体性能，达到节能的目的。

在提升机设备中应用变频控制技术，最主要的就是结合提升机在煤矿开采中的实际应用情况，对提升机运行中应用的调速系统进行改造和调整。基于提升机的应用情况，可以将编程器应用到提升机中，以编制具体指令的方式，通过指令对提升机的运行速度进行调整。这样不仅能够有效控制提升机的运行速度，还能够对改善整个煤矿电控系统中继电器的逻辑关系起到积极的作用。具体而言，应用变频控制技术，可以应用变频器来代替以往提升机中应用的调速装置，实现对提升机运行速度的有效调节，适当减少提升机运行中应用的外部线路数量，以更少的外部线路达到控制继电器的目的，从而降低继电器在提升机运行中发生故障的概率[3]。图1是基于变频控制技术对提升机进行调整的一种系统，该系统主要由电动机、矿用提升机减速器、制动器及圆盘齿轮传动机构组成，在运行中能够通过减速器和制动器的运行来带动传动机构工作，从而更好地实现对提升机运行速度的管理和控制，保障提升机的应用安全。

图1 矿井提升机的变频调速系统改造

除提升机外，输送机也是煤矿开采和生产作业中常用的输送设备，以变频控制技术的应用来提升输送机的运行效率，降低资源能源的消耗，也能够起到促进开采作业效率提升的作用。在实际作业的过程中，考虑到输送机在自动启动和停止的过程中会消耗掉大量的电能，可以应用变频控制技术，在输送机运行控制系统中加装变频装置，让输送机的运行速率能够始终保持在一个恒定的频率之内，从而实现对设备运行中消耗能源多少的有效控制，同时能够通过降低能耗解决设备散热的问题。

2.2 皮带机节能

将变频控制技术应用到皮带机的运行当中，能够在一定程度上达到节能的目的。结合当前煤矿生产作业的整体情况来看，传统意义上的皮带机大多以驱动和多滚筒系统作为支撑，这种系统运行方式已经难以满足当前市场对煤炭资源的需求，在实际应用中也会消耗较多的经济成本，且皮带机在处于长时间的运行状态时，存在着散热性能较差的问题。

应用变频控制技术实现皮带机的节能和高效运行目的，也需要对皮带机应用的传动控制系统进行改造。在考虑皮带机散热性能和电磁兼容问题的基础上，首先选择双滚筒三机方式来配置3台高压电机，然后在系统中应用降速设备，搭配耦合设备来带动皮带机传动系统中的两个滚筒，以滚筒的转动来带动皮带的运行[4]。将改造后的系统应用到皮带机的实际运行当中，在开启皮带机电流值时让电流始终保持在低值状态，并尽可能缩短设备的开启时间，避免因电流冲击和过高的阻力值对设备的正常运行造成干扰。为了能够保证皮带机设备和系统能够正常运行，通常需要将设备的开启时间控制在55 s左右，而系统中电动设备开启的转矩最大值需要超过设备额定数值的2倍。

在设备实际运行的过程中，需要依据皮带机设备的应用环境，对设备在不同环境下运行产生的电力运行负荷进行计算，以便能够在进行变频控制系统改造的过程中直接依据电力负荷值来确定设备在实际运行中能够承受的最大负荷，从而选择更利于皮带机设备运行控制的变频装置（表1）。

表1 皮带机设备运行电力负荷计算系数表

在实际验证这种系统改造方式时，发现在煤矿运输作业环节中应用皮带机时，由于煤矿开采和生产的环境较为恶劣，设备很容易受到电磁的干扰。在受到干扰的情况下，变频设备难以保持正常工作，很容易因为运行错误而直接影响皮带机的运行效率。同时，还发现在应用变频技术后，当皮带机处于正常运行状态时容易出现电源异常的问题。针对这些情况，在实际应用变频控制技术时，可以在保证应用变频控制相关原理的基础上，尽可能减少设备运行中的回路配线距离，并尽可能将变压器与其他高功率的设备之间相互分离，从而避免因环境和其他设备对皮带机变频装置应用产生的干扰影响，保证变压器能够在系统运行中实现自行转换，从而提高皮带机的运行效率，降低电能的消耗。

2.3 水泵节能

在煤矿开采和生产作业中，水泵的运行会消耗掉较多的水资源，也会产生大量的能耗。将变频控制技术应用到水泵中，可以通过对水泵抽水启动和停止状态的有效控制来提升水泵设备的使用性能，以提高水泵灵活性和稳定性的方式来保证煤矿开采和生产作业的正常运行。具体而言，在水泵设备的运行中应用变频控制技术，主要能够发挥变频控制装置的作用，降低水泵在启动、停止及运行状态中产生的大量能耗，也能够减少水泵装置中各个部件之间的磨损情况，从而降低水泵设备发生故障的概率，对延长水泵设备的使用寿命，节约设备维修和更换的成本具有重要的作用。

2.4 通风机节能

通风机也是煤矿开采和生产作业中常用的一种机电设备，在当前能够用于煤矿开采作业的技术设备不断优化的情况下，煤矿开采作业的深度也不断提高，矿道长度不断增加。为保证通风机在矿井下的运行效果，需要通过加大通风机运行功率的方式，才能够更好地保证矿井下的通风效果。考虑到矿井下的空间有限，将变频控制技术应用到通风机的改造当中，是一种能够尽量避免矿井巷道开采中的风险因素的技术优化方法。

具体而言，将变频控制技术应用到通风机中，主要采用的是软启动的方式，以降低在设备开启瞬间电流对设备造成的冲击为主要目的，避免因电流过大而影响到设备乃至整个电网的正常运行。通过变频控制技术调整通风机在运行中承受的电流负荷，让其不必长时间处于满状态当中，不仅能够有效降低在通风机运行中消耗的电能，还能够延长通风机设备的使用寿命。而考虑到实际煤矿开采作业当中，较慢的设备运行速度能够提高设备的使用强度，进而降低设备维修频率，也能够有效降低在通风机设备维护方面消耗的成本。

2.5 设备故障检测节能

在煤矿开采和生产作业中，无论哪种设备发生故障问题，都会对整个作业过程和作业中消耗的资源能源产生影响。以变频控制技术对机电设备的故障检测技术进行优化，也能够更好地保障整个作业过程的顺利进行。具体而言，在系统运行中，可以通过构建煤矿变频器自控系统的方式，在对煤矿开采作业的现有情况进行分析了解的基础上，以设置远程监控方案的方式，将以往机电设备在运行中产生的故障数据进行整合分析，从而实现对故障设备维修方案的优化和完善。而在这个过程中，应用变频故障检测的方法，能够通过对设备运行电流大小的监测来掌握井下各种设备的整体运行情况，从而及时发现容易出现故障的设备，有效保障井下作业的安全，也能够通过减少故障发生频率来提高煤矿开采和生产作业的效率，有效达到节能和促进煤矿企业发展的目的。

3 结论

将节能理念和方法应用到煤矿机电设备当中，能够在弥补以往煤矿开采中的技术瓶颈问题的同时，有效促进煤矿企业的发展。煤矿企业在实际经营中，需要结合自身情况，充分发挥机电变频控制技术的作用，重点从提升机、皮带机、通风机及水泵4个方面加强对生产过程的节能控制，从而推动煤矿企业的健康发展。

在实际应用过程中，变频节能技术还存在诸多缺陷，例如：变频机组造价过高，后期维护成本高，对工作人员技术要求较高，因此对于一些经济效益较差的煤矿企业，很难做到应用变频技术。这就需要相关工作人员加大变频技术的研究，降低制造生本，使其操作简单，便于使用维护，从而扩大变频技能技术普及率。