浅谈煤矿机电设备中变频节能技术的应用

　　摘要：从整体上来看，我国的经济发展速度和能源供给的增长速度不是同步，前者要快于后者，因此能源供给问题就成为了制约我国持续快速发展的瓶颈问题。开源（开发新能源、增加能源供给量等）和节流（提高能源效率、节约能源等）是解决能源供给不足问题的两种重要方法。变频节能技术作为一种重要的“节流”方法受到我国政府以及各个生产领域的重视。我国的煤炭生产企业有着巨大节能潜力，应用变频节能技术则能够有效挖掘这种潜力。在本文中，笔者首先了分析了变频节能技术，随后重点探讨了中变频节能技术在煤矿机电设备中的应用。
　　关键词：煤矿；机电设备；变频节能技术；应用
　　
　　变频节能技术作为一种重要的“节流”方法受到我国政府以及各个生产领域的重视。以煤炭生产企业而言，矿井中全部生产系统所消耗的电力约占整个煤炭生产企业的80%至90%。就目前的生产实际来看，煤炭生产企业有着巨大的节能潜力，例如，在矿井没有应用变频节能技术之前，水泵、风机的平均运转效率比较低，一般均低于50％；再如，矿井中动力负荷变化大的机电设备（矿井提升机、采掘运输机、空压机等）在启动、加减速、制动等方面有着巨大的节能空间。正是因为变频节能技术拥有着优秀的变频调节功能和显著的节能减排效果，因而在我国矿山中获得了广泛地应用。随着技术的稳定性越来越好、成熟度越来越高，其应用范围和领域也必将进一步扩大。
　　1.引言
　　变频调速主要是利用电力半导体器件的通断作用，把电压和频率固定不变的工频交流电变换为电压或频率可变的交流电，一般把这种电能控制装置称为“变频器”。变频调速就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的。变频器主要采用“交→直→交”方式，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM（脉冲宽度调制）波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。PWM控制技术一直是变频技术的核心技术之一[1]。
　　从变频技术诞生一直到今天，它取得很大的发展和进步。今天，控制理论的发展为变频节能技术提供了理论支持，电力电子技术的进步则为变频技能技术提供了技术支持，两者的共同作用让变频节能技术取得了很大的发展和进步。具体来说，其发展和进步主要表现在以下几个方面：首先，在在控制理论方面，大幅度改进了频比（U1/f）控制模式[2]，同时，生产实践中也广泛应用了转矩直接控制模式与矢量控制模式，在控制理论的发展趋势方面，人工神经网络以及模糊自优化控制会是今后的研究重点。其次，在功率器件方面，GTR和IGBT将会是目前的主流，IPM（智能功率模块）的开发和应用必然会成为今后的发展趋势。再次，在调速系统方面，该系统具有越来越高的集成程度，以单片机的应用为契机，DPS（数字信号处理器）、RISC（精简指令集计算机）等获得了广泛地应用，目前最新的研究成果是ASIC（高级专用集成电路）[3]。最后，在功能方面。高度的综合化和操作的智能化是变频器的发展趋势，在完成基本的调速功能操作之外，还可以进行通信、可编程序以及参数辨识等应用功能的操作。
　　2.常规式变频器在煤矿机电设备中的运用
　　普通变频器在煤矿其他生产领域运用更加普遍，其功能除降耗节能之外，也注重向系统控制的灵活性、智能化、远程控制、简单易操作等方向发展。
　　例如，我国某煤矿改造和升级了洗煤厂的给煤机，以往的手动闸门控制模式被目前流行的变频驱动模式所取代，在变频器的选择方面，选用采用模块化设计技术的多功能变频器[4]。该变频器具有以下特点：拥有标准化的参数结构和标准化的调试软件；拥有模拟量输入/输出功能、数字量输入功能、继电器输出功能；通讯接口为系统集成，不仅安全便捷，而且操作、控制等也非常灵活，同时也具有良好的用户界面。总体看来，变频技能技术在我国的煤炭生产企业中拥有巨大的应用潜力，将其应用于各种机电设备当中，必然会获得很好的节能效果。
　　3.交流四象限变频器在煤矿机电设备中的运用
　　在煤炭生产过程中所需的各种采掘设备当中，需要面临频繁的调速、起停操作，尤其是输送机、提升机以及电铲等。频繁的调速、起停操作需要变频器可以进行四象限工作。四象限变频器的主要工作原理是：变频器把整流电路由原来的全波整流桥改为由IPM（智能功率模块）构成的可控整流桥，当电机处于电动状态时，四象限变频器的控制与两象限变频器的工作是完全一样的，当电机处于发电状态时，四象限变频器中原来的逆变电路将作为整流电路工作，而原来的整流电路则作为逆变电路工作，达到将电机产生的电量回馈到电网的目的[5]。
　　例如，某煤矿的电牵引采煤机采用了回馈制动四象限变频器，综合生产实际来看，采用了回馈制动四象限变频器的电牵引采煤机，能够有效调节工作面较大制动力矩，同时，牵引速度几乎不受影响，机器也未产生下滑跑车问题。
　　交流四象限变频器在提升机中的运用方面。采用交流四象限变频调速系统的变频防爆提升机，其显著特点就是，控制模式转变为无速度传感器矢量控制模式，四象限运行，同时具有全面的保护措施，例如过流保护、过压保护、欠压保护以及电机缺相保护等。
　　交流四象限变频器在胶带输送机以及电铲中的运用方面。利用阴象限变频调速技术之后，有效解决了采用液力耦合器装置时下行运输皮带机在启动、运行、制动中形成的电机失控。变频器随时将电机产生的负力回馈到电刚中，减少发热损耗，解决了机械系统及电气系统的冲击问题，延长了设备的使用寿命。电铲（挖掘机）的工作条件恶劣，尤其是爆破不好时，挖根底作业更加困难，大冲击载荷以及堵转问题经常出现[6]，采用变频技术也有效缓解了过大的冲击载荷。
　　4.结束语
　　我国具有数量巨大的煤矿及其相关的机电设备，在煤炭生产企业当中应用变频技术具有非常大的潜力和非常好的发展前景。倡导节能化发展的今天，利用变频技术来实现煤炭生产企业的节能是今后煤炭企业必然会采取的节能举措之一。
　　变频节能技术拥有着优秀的变频调节功能和显著的节能减排效果，以上优点也增加了我国煤炭生产企业采用变频节能技术的动力。展望未来，随着变频节能技术的稳定性越来越好、成熟度越来越高，其应用范围和领域必将进一步扩大。
　　
　　参考文献：
　　[1]温玉婷.变频节能技术在煤矿的应用[J].电气开关，2011，(02)：156-157.
　　[2]栗广亮.PLC和高压变频器在矿井提升机中的应用[J].中国设备工程，2009，(03)：100-102.
　　[3]丁卫东.高压变频调速装置在引风机上的应用和节能分析[A].节能环保和谐发展——2007中国科协年会论文集（一）[C]，2007：203-204.
　　[4]雷振廷.变频节能技术在我国煤矿机电设备中的应用[J].科技资讯，2008，(34):133-134.
　　[5]吴静，陈国杰，胡洁微.丹佛斯变频器FC301P200在矿井提升机上的应用[J].电气传动，2010，(06)：169-171.
　　[6]李君野.变频调速技术在供水系统改造中的应用[J].能源与环境，2005，(04)：129-131.

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