煤矿机电设备变频节能技术的应用探讨

＊张新齐

（晋能控股煤业集团铁峰煤业有限公司机电部 山西 037200）

随着我国在环境保护方面投入大量资源，相关部门逐渐收紧矿产领域的发展政策，出台了多套控制制度方案，相关配套的调控政策则对煤矿行业的发展产生巨大影响。但就实际而言，国家出台的环保政策是维护国家长期利益与生态环境可持续发展的重要举措，不仅有利于促进企业实现行业升级，也可进一步降低行业次生污染问题，对于整个产业发展以及民计民生有着巨大的帮助。但是，在落实过程中，矿产开采企业在升级转型过程中同样存在大量问题，进而对整体产业技术优化发展造成不同程度的影响。在多数煤炭开采企业中，生产开采成本控制是主要问题之一，多数企业难以在有限技术条件下实现成本控制，进而在市场竞争中处于劣势地位，此外，少数企业开采过程中存在耗电量过高的问题，不利于实现产业绿色发展，因此，积极开展煤矿机电设备变频节能技术研究工作有利于进一步推动煤矿企业快速发展，同时在节能技术方面积累足够的经验，对于后续整体产业向着绿色化、节能化方向转型升级具有重要的现实意义。

1.变频节能技术的原理

煤矿企业在开采中需应用大量的机电设备，常见包括采煤机、提升机、输送机以及流体负荷设备等。此类设备在工作过程中始终以额定电压状态运作，在部分高负载条件下可处于超压运行状态，此外，由于煤矿行业特殊性，多数机械设备始终处于长期开机状态，在受到设备调运调度或设备工作计划要求等多样化因素影响下，部分设备可能出现超载工作状态或待机工作状态，因此，在此时间段内，机电设备则处于高耗能状态。当机电设备长期处于高负荷状态时则可能导致整体设备安全隐患逐渐增加，使得企业的运维成本进一步上升。而随着技术的逐渐发展，变频技术逐渐应用到各个行业中。在煤矿机电设备中，引入的变频技术，可根据工况对供电频率进行调整，从而控制设备的实际运行速度。借助变频技术可实现供电电源的转换，可将50Hz工频交流电转换为直流电源，同时将直流电源导入逆变器后，即可输出机电设备所需的工作电压；此外借助对应的传感器以及运算单元，可收集设备的运行参数，并生成一个控制信号，进一步调控逆变器输出的电源，随后借助三相逆变器将直流电再次转化为三相交流电，从而实现机电设备的低功耗运行。此类控制方式可结合设备的实时运行状态进行对应调整，从而确保设备时刻处于最佳运行状态下，实现机电设备的能耗最优控制，缓解设备能耗过高问题[1]。

图1 变频技术在提升系统中的应用

2.变频节能技术在煤矿的应用现状

由于煤矿作业面处于不断变化状态，因此在不同作业环境下，机电设备的整体运行状态也需进行随时调整，因此变频控制技术逐渐进入到煤矿领域中。但在变频技术诞生之初并未直接应用到能源开采行业中，随着煤矿作业需求的不断增长及变频技术日渐完善，多数煤企最终认识到变频技术在控制煤矿机电设备能耗方面的优势，进而将变频技术应用到各类型机电设备中，因此促进了变频节能技术在煤矿机电设备中的应用。目前，变频节能技术在国内多数煤矿中均实现了大规模应用，具体设备包括提升机、采煤机、皮带输送机等，经过实践验证发现，多数设备的电力损耗逐步下降，运转效率逐渐上升，同时整体设备的故障率以及运维压力得到有效控制，经济效益明显提升[2]。

(1)变频技术在立井提升设备中的应用

在国内多数矿区中，立井升降设备是常见的转运设施之一，日常工作需保持连续不间断运转，主要负责煤矿的煤炭、设备、人员等转运工作，要求设备必须具备连续作业能力以及安全稳定性，同时，由于此类需频繁进行变速与启停动作，因此存在较多的故障隐患，同时电力消耗较为严重。随着变频技术的深入应用，煤矿机电设备的稳定性以及可靠性得到较大幅度的提升。在提升机设备中应用的主要变频技术可分为两种类型，一是自动化程控系统；二是高压变频调控系统。第一类系统的主要作用在于提高系统的信息传输能力，使得整体机电系统在可控性方面获得提升，而高压变频调控系统则主要用于能耗控制，可有效降低设备在实际使用过程中的过度耗电问题[3]。

图2 某型号变频器

(2)变频技术在皮带输送机中的应用

一般情况下，皮带输送机在待机状态下通常保持正常功率运作，因而导致整体能耗与产出收益不成正比，另外，皮带输送机在启动方面主要采用液力耦合器，在工频状态下存在一定的过载风向，可能造成电机失控、皮带偏移等问题。而融入变频技术后，可显著降低电机启动过程中的电流，减少设备过载问题，避免出现设备过热，降低设备故障率，同时在输送机处于待机状态时，可调整设备的整体运转速度，实现有效控速，减少电力消耗，使设备安全高效运转。

(3)在煤矿机电附件设备中应用变频技术

现阶段，变频节能技术在煤矿机电设备中应用较为广泛，不仅涉及基础升降设备以及皮带输送机外，同时包括综掘机、采煤机等多样化设备类型。除此之外，变频技术同样具备基础故障监控能力，可针对故障设备进行报警，同时联合数据传感器以及储存设备对整体设备运行状态进行数据收集与整理，为后期设备维护提供数据支持[4]。

(4)流体负荷设备应用

井下的循环风机、泵主要负责对空气以及矿井水等进行循环处理，对于维护煤矿生产开采起到重要作用，在针对循环风机以及抽水泵等设备改进过程中也需依赖变频节能技术。目前，矿井中的多数流体设备均引入了变频节能技术，此外，少数流体设备安装了同步调节器，可根据不同作业环境对设备进行定向调整。风机在经过流体设备改造升级后，可在待机状态降低整体运转速度，实现转速的科学调整，经过改造之后，多数流体设备在节能水平方面显著提高，为企业节省大量的经济支出。另外在部分液用泵中也采用了多样化的应用变频节能技术，以此在使用过程中实现冲击强度的有效控制，进一步增加整体设备的操作便捷性，使得整体设备使用更加灵活高效。此外，还可根据不同工况对抽水泵等设备进行定时调整，从而实现有限的自动化控制，在降低能耗方面具有重要作用[5]。

3.变频节能技术的具体应用分析

在煤矿中积极开展变频节能技术升级改造后，其核心问题在于在不同时间段实现功率的计划调整，而积极开展节能技术应用升级需根据不同设备的具体应用状况进行分析与调整，如此一来方可确保变频节能技术在采煤机、风机等设备中发挥最大效果。下面具体介绍变频节能技术在这些机电设备中的应用。

(1)变频技术与采煤设备的融合应用

采煤机承担煤矿采掘作业的主要工作任务，整体结构设计相对复杂，通常包含电气、机械、液压等多个子系统，而在进行变频改造升级后，则可实现多个子系统的能耗控制。此类设备的主要功能构建共计分为切割、装载、传动及辅助控制系统等单元：在切割工作单元中，技术员可根据作业需求设定动态功率方案，当工作面面积较大时，应适当提高整体工况功率，最大化开采效率，否则可借助变频系统实现工况频率的有效控制，节约电能；在装载构件部分，需结合采煤产出量进行运行功率调整，设置最佳化运煤速率；在传动装置方面，由于采煤以及装载部分所需的牵引力存在差异，因而也需将变频控制技术引入到传动控制系统之中，从而确保整体牵引力满足设备使用需求，并合理控制电能消耗。因此，积极引入变频节能技术，并做好各类设备的控制与调控，有助于优化整体设备的能耗等级，尽可能降低超负荷工作周期，确保设备处低故障率状态[6]。

(2)变频节能技术在风机方面的应用

在煤矿作业过程中，多数煤层周边的岩层中存在大量毒害气体，因此在作业过程中必须保持通风设备的稳定运转。通常情况下，多数矿井中布置了多台风机设备辅助坑道进行换气操作，但随着煤矿作业面的逐渐深入，煤矿内气体构成不断变化，因此在实际工作时，需要引入变频节能技术进行合理控制，在维持空气安全基础的同时，实现能耗的有效控制。例如，在作业过程中，若空气质量符合规定标准时，可根据程控对风机进行停机，实现整体设备的能耗控制。在这个过程中，技术员应将空气传感器与变频风机进行整合，通过系统后台的程序进行自动化控制，如此一来，则可根据矿井内空气的变化情况实时进行风机的启停控制，从而实现能耗指标的有效降低[7]。

(3)变频节能技术在提升机中的应用

在煤矿开采中，由于不同类型坑道在矿井角度方面存在差异，因此煤矿提升机的整体作业功率不尽相同，同时随着后续作业面的延伸，提升机也需在作业功率方面进行适当调整。为进一步提高开采效率，维持设备长时间运行的同时做好能耗指标的有效管控，煤矿企业可在此类设备中引入变频节能技术，同时综合质量传感器等设备构建智能化操作平台，可根据装载质量的差异进行工况的对应调整，如此一来，即维持设备运行的效率，还能有效控制电能。目前，该类技术在我国多数矿区已经获得应用，且整体表现比较稳定，节能效果较好。

(4)皮带机的综合应用分析

一般情况下，皮带运输机需保持长时间的连续作业，但受到作业面条件限制，部分时间的煤矿产出量较低，若此时仍以正常功率运转则可能导致整体设备的能耗显著上升，不利于设备节能，而积极引入变频技术后，则可进一步实现对皮带机的变频控制，如此一来，则可在满足使用基础的前提下，实现能耗的有效控制。同时，得益于变频技术的功率自动控制，可避免设备长期处于满负荷运行，从而有效减少了设备损耗，降低设备维护压力[8]。

(5)变频节能调节下的设备应用

随着变频负载荷技术的逐渐成熟，在开展风机、泵等设备中的调速功能逐渐完善。在技术人员积极优化变频调速设备的适应性后，处于特殊采集环境下的风机、泵等设备的运行稳定性得到有效提高。在改造前，技术人员首先对风机的历史数据进行检测分析，合理调整风压、风量，在升级改造后的整体效能得到有效提升，同时在能耗方面实现有效控制。针对水泵等设备，也可引入变频调速节能改造方案，从而在实际工作状态下可按计划对设备运行工况进行对应调整，实现设备的科学运行，避免在无水状态下长时间处于空转状态，如此一来，则可实现设备的高效运行，同时降低设备的电能损耗、延长使用寿命，提升整体生产效益综合建设水平[9]。

4.融合变频节能技术后的机电设备维护方案

为切实提高整体煤矿作业质量，多数煤矿企业对机电设备进行升级改造后，也需要对此类设备的维护方案进行合理制定，同时应结合设备型号以及历史运行数据，定期开展设备的维护，在长期运行前应进行调试，确保变频设备工作正常；在设备运行过程应制定小组巡查工作制度，对整体变频控制情况进行记录与分析，提升设备运行的稳定性。结合个人的工作经验，简要提出了以下维护对策。

（1）积极构建完善煤矿机电设备运管制度。煤企应构建完善的机电设备运管制度，根据设备分类要求作业班组与运维部门联合负责设备的运管工作。技术研发部门应积极做好设备技术迭代工作，确保变频技术始终处于高效运作状态，并联合运管部门做好定期检查，对设备潜藏的技术风险进行排查分析；设备运维部门应与作业班组共同开展设备日常维护和保养，提高设备的整体可靠性，确保设备的变频元件工作正常，并制定变频设备的日常工作记录日志，对各类型变频元件故障进行分析，同时严格规范变频设备的使用规范，这样，方可实现变频技术的高效化应用，确保机电设备处于最佳工作状态。

（2）积极开展变频控制技术优化融合。当前，相关变频技术处于高速发展状态，在集成度、智能化方面不断获得突破性进展。因此，矿企要重视变频节能技术的升级维护，做好设备的优化工作，始终将节能环保与产业绿色化作为发展理念。在实际应用中，技术人员应结合节能变频技术与本企业设备的特性，综合考虑变频技术的升级方案，始终以实效性以及经济性为基础。

5.结束语

综上所述，现阶段我国对煤矿等传统行业下达了多项改革工作要求，力求在高耗能产业领域实现绿色化发展，因此，煤矿行业逐步引入了变频技术以此实现能耗的有效控制，同时此类技术也是今后煤企研究发展的主要方向之一。目前，变频技术在机电设备中尚处于发展阶段，但是已经初见效果，多数煤企应积极开展技术升级与优化工作，不断开展技术论证研究，以此提高开采效率，控制额外支出成本和能耗，提升整个采矿系统的节能性和智能性，促进我国煤矿开采行业的发展。