矿山机械设备中变频技术的应用

　　摘 要：随着我国科技水平的不断进步和国家对能源问题重视程度的加深，节能和安全成为当今矿山生产工作中的首要工作任务，而变频技术因其突出的调节和控制性能而被越来越广泛的应用在矿山机械设备中，尤其是在矿山及井下运输、采矿、通风等多个方面。

　　变频技术的应用成功的提高了矿山机械设备的性能，进而提高了矿区的生产效率和质量，而且使煤矿企业取得了良好的节能效果。

　　该文中笔者根据自己的实际工作经验，立足于变频技术的应用原理，就变频技术在矿山机械设备中的应用现状做出了分析，并阐述了其应用前景。

　　关键词：变频技术 矿山 机械设备 应用前景

　　我国地大物博，是一个矿产资源丰富的国家，特别是地表土层之中矿产种类及储存量丰富，这大大推动了我国的国民经济发展。

　　然而矿山耗电量巨大，只电耗成本一项就占据了总生产成本的70%左右，并且这种能耗对矿山设备在启动、加速、制动、减速及维护方面都是非常大的浪费，这在当前推崇环保节能的社会环境中显得格格不入。

　　伴随着科技的迅速发展，变频技术在矿山机械设备中的广泛应用逐渐解决了这一问题，尤其是对电力能源需求较大的压气、通风等多个方面，更加需要变频技术来防止能源无谓的损耗，从而更好的推动矿山的可持续发展;另一方面，变频技术的应用对于矿山生产设备效率的提高和优化也是至关重要的。

　　为此，加强对矿山机械设备中变频技术的探讨与研究，在当前具有非常重要的现实意义。

　　1 变频技术概述

　　随着全国各地区矿山资源的不断开采，总量越来越少，这也就意味着各开采企业之间的竞争会愈演愈烈，尤其是作为耗电大户的煤炭开采企业，其在市场上综合竞争力的优势很大程度上依赖于其所用机械设备的高节能效率和低污染排放。

　　而在矿山机械设备中应用变频技术是节能减排、增强企业竞争力、保护环境、促进企业长期发展的不可或缺的重中之重。

　　当前矿山机械设备的用电量占企业总用电量的绝大部分，因此变频技术巨大的节能潜力决定了其在矿区生产中占有不可取代的地位。

　　1.1 变频技术

　　变频技术，简而言之就是电流频率的改变和优化技术，变频技术主要分为以下几种类型：直――直变频技术(即斩波技术)、交――直变频技术(即整流技术)、直――交变频技术(即逆变技术)、交――交变频技术(即移相技术)。

　　现在人们常说的变频技术通常就是指交流变频调速技术，它是将工频交流电通过不同的技术手段变换成不同频率的交流电。

　　就当前来看，交流变频调速技术属于一种综合性的应用技术，不仅包括了电力电子技术、微机技术及电力传动技术等，同时也是一种实现了强弱电与机电设备一体化的综合技术。

　　1.2 应用原理

　　矿山机械设备在正常使用过程中，不会在满载负荷的情况下进行长时间工作，当电机在非满负荷状态下运行时，达到动力驱动要求后的多余力矩会增加功耗，造成电能的浪费。

　　为使设备既不造成浪费又能达到工作动力要求，非常有必要在设备运行过程中使用变频技术，变频器会根据实际负荷用改变电流频率的方式来控制电机转速，避免设备产生多余的力矩。

　　矿山机械设备中应用的变频技术，其基本原理是利用半导体元件的通断作用将工频电源信号转换为不同的频率。

　　确切的说，矿山机械设备中的变频技术就是基于电流频率和电机转速之间的同比增长关系，通过改变电机的速度来调节电机输出功率与之匹配进而科学有效的控制机电设备，这是一种可以尽量避免额外转差损耗的高效率调速方式，也解释了在如今能源匮乏的大环境中变频技术为何能够脱颖而出并倍受青睐的原因。

　　同时，变频器的整流、直流、逆变和控制四大组成部分相辅相成，共同实现对设备转速的自动、平稳、节能、高效控制，使矿区的工作效率得到了大幅度的提高并最大程度的减小了能源损耗，也由此促进了变频技术理论和实际生产应用的快速发展。

　　1.3 发展历程

　　变频技术是在交流电机无极调速的广泛需求下产生，并在能源危机中不断发展。

　　变频控制装置的功率器件经历了GTR(达林顿功率管，电流驱动)和IGBT(绝缘栅双基极场效应管，电压驱动)交替的过程，并且进一步发展成为了智能功率模块IPM(Intelligent Power Module)，IPM可以将变频的功率不断的增大。

　　在控制技术方面，随着压频比U/f控制方式的巨大进步，矢量控制变频调速和直接转矩控制变频技术被更加广泛的应用于变频器的实际操作中。

　　同时，人工神经网络、模糊自动化控制等变频节能技术新的研究思路也得到了设想和开发，技术也由以前单一的数字信息处理发展到目前较先进的高级专用集成电路。

　　最后随着当前变频器系统化和综合化的不断加强，在功能上不仅具有基本的调速功能，还通过内置设备具有了编程、通信和参数辨识等功能。

　　在我国变频技术在实际应用中越来越广泛，并随着转矩直接控制与矢量控制的不断应用研究有了新的方向。

　　比如：交流变频向直流变频方向转化;功率器件向高集成智能功率模块发展;缩小装置的尺寸;高速度的数字控制;模拟器与CAD技术等。

　　2 变频技术在矿山机械设备中的应用

　　变频技术因其自身的优越性在我国矿山机械设备中得到越来越广泛的应用，这不仅大幅度的降低了矿产工作中所造成的电能耗费及环境污染情况，同时也缩短了设备的维修和养护开支，有效的提升了矿产开采效益。

　　2.1 矿井提升机中变频技术的应用

　　提升机作为矿山机械中的一项主要设备，主要担负着安全输送施工设备、物料、人员等方面的任务，是矿山日常生产和建设中必不可少的一部分。

　　其传统的调速方式是在电动机转子电路内接入金属电阻，而后利用鼓形控制器或者接触器切除电阻，但这种方式在实际运用中存在极大的安全隐患，并会大量消耗电能且散热性能差。

　　在提升机当中使用变频技术，可改变这一现状，既能实现无级平稳的加减速，又能增强系统各方面的性能。

　　主要做法是选用交流四象限变频调速系统配上变频防爆提升机，实现数学信息化控制，在完备的输入输出接口电阻中，实现对提升机的远程控制，确保提升机顺利完成自身任务。

　　变频应用的优点：(1)在对电路图与梯形图之间进行转换控制上更加简便;(2)在一定程度上可以免除维护，故障查找简单，且在查找的过程中也会对机械和电汽进行故障检测;(3)不需要对硬件经过接线，就可以实现对提升机柔性控制;(4)当提升机负力的情况下，电机产生回馈制动的效果将再生能源反馈到电网，电能节约明显提升。

　　而且制动力矩增大的同时也提高了绞车的安全性;(5)相对以前减少了系统冲击和机械磨损，增加了设备的使用年限。

　　2.2 采煤机中变频技术的应用

　　采煤机由早期的液压牵引发展到如今的交流电牵引，与提升机相同，采煤机也具有启停频繁、变速复杂的特点，因此，在引入变频器时理应考虑进行四象限工作。

　　目前，采煤机变频调速系统已从“一拖二”发展到“一拖一”，我国能量回馈型四象限运行的交流变频调速采煤技术处于世界领先水平，能够实现额定转速下恒定转矩调速，额定转速以上恒定功率调速及两台变频器之间的主从控制和转矩平衡。

　　从现场运行情况来看，采用四象限工作形式能够对采煤机进行较大范围的控制和调节，维持牵引速度在一个较为稳定的水平，避免机器出现溜车、下滑等现象。

　　此外，引入变频技术后采煤机的操作也相对简单，控制更加精确，操作方便、速度调节可靠。

　　目前我国很多采煤机都是采用四象限变频器，这种变频器具有结构简单、容易控制、速度可以随机调节的优势。

　　2.3 皮带机中变频技术的应用

　　在矿井机械设备中皮带机的使用功率比提升机还大，皮带机是借助绕线电机的经转子绕组来进行降压启动后工频巡行，而后再经由液力耦合器转换到皮带机中。

　　其工作原理是利用驱动轮毂转动产生的摩擦力牵动皮带运动，进而通过皮带上特殊的张力变形，来带动皮带在滚轴上的运动。

　　在这个过程中，转子串接电阻会改善转矩以及减压空载启动等，不过其启动电流依然过大，易产生电网电压的剧烈波动、电机内部机械冲激及发热等现象;而且因启动时间太短也造成了皮带的断裂以及老化，所以对皮带的韧性提出了严苛的要求;同时液力耦合器自身运转时存在部件磨损严重、油温上升等问题，这无疑加大了设备的维护成本和难度，也极大的污染了环境。

　　在皮带机中融入了变频技术后，可从根本上稳定皮带机的工作性能，实现皮带机的软起软停，系统就可以根据皮带的实际负荷，来调节输出频率及力矩，有效降低了对电力能源的消耗，而且过程中系统的功率因数也高于90%，大大提高了矿井的工作效率。

　　变频技术的能量回馈功能在减少能源消耗的同时还降低了设备的维护费用，节约资金和完善环保，一举两得。

　　3 变频技术在矿山机械设备的应用前景

　　虽然目前我国矿山机械设备中变频技术的应用尚不完全成熟，但随着我国相关技术的推广和开发，加之对能源利用率提出的更高要求等可以看出，变频技术在矿山机械设备应用中的发展空间还是很大的。

　　首先，矿山中采用的机械设备种类繁多，解决好变频器与设备的匹配问题，就能更加大范围的推广;其次，我国矿产丰富，未来设备升级对变频器的需求量加大，也推动了变频技术的推广应用;再次，矿山工作环境特殊繁杂，对变频器特殊功能的需求也呈现专业化趋势;最后，随着电子技术的飞速发展和矿山改造中对变频器需求的增加，变频器的控制也会成为矿山管理中的重要工作环节。

　　总之，随着变频技术在矿山机械设备中的有效应用，其速度可调、操作简单、工作效率高、占地面积小、拆装方便以及节能降耗等特点，使我国的矿山生产和建设不仅改善了当前的工作环境，同时还降低了生产成本，保护了生态，有效提高了采矿业的效益。

　　《中华人民共和国节约能源法》第39条，已将变频技术列为通用节能技术加以推广。

　　随着变频技术的不断改进，相信在不久的未来将在各业当中都能得到广泛的应用。

　　本文由于作者的水平有限，所述内容不足之处，望同行予以斧正。

　　参考文献

　　[1] 赵光辉，金洪翔，张恒龙.交流电机调速原理及变频技术的应用[J].黑龙江科技信息，2009(22).

　　[2] 王真，陈召磊，曹晓冬.矿井提升机直接转矩控制系统转矩脉动最优控制[J]. 工矿自动化，2014(2).

　　[3] 原慧军，张燕军.变频调速在矿井提升机控制系统中的应用[J].机械工程与自动化，2011(3).

　　变频技术是一种把直流电逆变成不同频率的交流电的转换技术。它可把交流电变成直流电后再逆变成不同频率的交流电，或是把直流电变成交流电后再把交流电变成直流电。总之这一切都只有频率的变化，而没有电能的变化。

　　摘要：当今地铁处于发展的高峰期，地铁环控系统如何保证在正常运营以及不影响乘客舒适度情况下，达到节能降耗的目的，是目前研究的热点，纵观当代地铁环控系统，大多的系统中采用变频技术，使用变频能够提高地铁环控系统的运行效率，从而达到节能减排的要求;其次在地铁环控系统的各个运行环节，包括通风风机、排热风机、回排风机、组合式空调机组等采用变频技术进行控制，可以激发环控系统的巨大潜力，在地铁环控系统的低压配电系统提高运行效率并节能降耗的同时，能够有效提升地铁运营的乘客体验。本文在介绍地铁环控系统的组成以及结构的同时，将变频技术在地铁环控中的应用做了介绍。

　　关键词：环控系统;变频;应用;通风空调

　　一、地铁环空系统的结构组成与设计要点

　　1.1 结构与组成

　　地铁环控系统的结构组成，包括通排风以及空调等设备，例如负责通排风的各类风机、风阀以及空调系统的组合式空调机组、水冷冷水机组、风冷冷水机组等，在地铁环控系统的隧道风机、排热风机以及组合式空调机组中使用的变频器，内置具有功率因数校正功能的整流器，同时内置逆变器，还具有其他各种功能作用的控制电路，由MCU根据变风量需求的设计方案对环控系统的设备进行控制，环境温度、多联机信息以及室内机的通信同样也主要依靠该系统实现。压缩机与风机的驱动控制系统中，无位置传感器矢量是控制功能实现的关键，在高温、高压、密封运行空间中能够尽量减少其影响，实现通风排风以及空调制冷按照环境温度控制要求运行。

　　1.2 设计要求

　　地铁环控设计首先是要保证正常运行期间，乘客的舒适度，而在此基础上，我们要分析车站公共区域的热湿负荷变化规律，确定出相应的风机变频转速变化规律，针对上述要求，可编程控制器PLC可以选作环控系统的关键控制单元，环控控制系统的一般要求，一、地铁正常运行时对车站公共区域以及隧道进行排热排湿，保证车站内乘客舒适度的同时，隧道内的热湿负荷也要符合相关设计规范。此外，对于隧道环控通风以及车站的环控空调系统，如各种送、排风机、排热风机以及各自的联动装置和风阀以及组合式空调机组、冷冻泵、冷却泵、冷却塔等都要求相应的IO接口，该接口能够与PLC控制系统进行实时通信，将设备状态和信息传输到监控设备中。

　　二、变频技术在环控系统中的应用

　　2.1 节能降耗

　　当今时代国家提倡可持续发展，地铁环控系统采用变频技术能够实现国家能源的可持续利用，同时利用微型计算机进行智能控制，可以实现地铁环控系统对负载的自动适应和调整，拉高供电电网的功率因数，有效降低能耗。将变频技术应用到环控供水系统中，水泵扬程与供水流量的需求也可以得到最大程度满足，供水系统中的节水器，调节水泵转速与管道水流量的同时，代替传统的阀门功能，还能够达到节能降耗的目的。环控系统中的变频器技术，可以利用网络对地铁内的设备能耗进行实时监控，最终可以形成对不同设备用电的数据分析，并将其进行对比，改变控制方法以及程序，在远程就可以实现故障报警，可以有效减少变频设备的故障发生率，因此可以减少设备因为故障而导致的能源的浪费，确保地铁安全运行的同时，实现节能减排的目的。

　　2.2 地铁热湿负荷的智能控制

　　地铁公共区域的热湿负荷是随着客流量、列车运行图以及气候不断变化的一个变量，首先我们要确定上述这行因素引起负荷的波动规律，进而根据这个波动规律我们可以计算出车站公共区域逐时通风量，而利用变频系统中的温湿度变送器数据，可以对环控系统中风道的进风以及排风的风量进行检查和计算，可以根据上述数据对通风空调的系统模式进行定期变更，这样可以保证地铁公共区域内的热湿负荷处于正常范围。

　　2.3 对环境保护有利

　　变频技术引入地铁环控系统中，可以实现对环境的有效保护，在降低环境污染的同时，可以实现有效的节能降耗。针对环保节能的要求，在环控的变频设计中，需要将水系统的变流量做相应的改造，这样在有效节约电能的同时，同时改造后可以使通风空调等设备在最优的状态下开启通风制冷模式，这样做的结果同时顺应国家节能的号召。此外利用变频技术可以实现对空调水系统，包括冷却塔等的水资源的节约，从而能够在变流量模式下进行控制，空调水系统中含有很多种类的腐蚀性生物，在流速较低的状况下对水管的材质具有很大的影响，变流量的控制策略中的冷水机组，利用特殊物质进行改造，这样的吸收式冷水机组，能够确保水系统在变流量的情况下运行，实现节能环保的目的。此外还可以降低系统中设备故障的发生。

　　2.4 提高环控系统设备的寿命

　　利用地铁内相关风管和水管传感器的数据分析，可以得到环境控制所需要的各种参数，在环控系统中采用变频技术，利用微型计算机对系统进行智能控制，可以实现地铁环控系统对负载的自动适应和调整，拉高供电电网的功率因数，有效降低能耗，同时减小通风空调系统的机械磨损，电机的使用寿命也可以得到延长;另外地铁环控系统采用变频技术，还便于工人对环控设备进行维修，同时变频技术可以对电流限幅、过压失速以及短路、过压等实现保护，降低电能以及水资源的消耗，节电器的软启动功能也能够较好的实现，同时空调水流量也可以得到有效调节，减少冲击的发生。

　　三、结束语

　　变频技术在地铁环控系统中的使用，可以控制风机进行分级运行，按照不同时间段的需求进行连续变频运行，在降低地铁电力以及水资源能耗的同时，使系统设备的使用寿命得到了延长，能量转化效率也得到了有效提高，在环控系统中发挥着巨大的作用，可以实现对地铁环控系统的节能减排的目的。

　　参考文献：

　　[1]杨樱.利用变频风机进行地铁环控空调通风的节能运行方案研究[D].天津大学，2006.

　　[2]韩孟微.昆明地铁安全门高度对车站气流影响的模拟研究[D].昆明理工大学，2014.

　　[3]刘太彪.地铁综合监控仿真培训系统的设计与开发[D].西南交通大学，2014.

　　[4]苏铭杰.地铁环控系统变频节能研究[D].天津大学，2011.