由于煤炭企業(yè)對(duì)電力的需求巨大，因此電力消耗在煤炭企業(yè)整體運(yùn)營(yíng)成本中的比重相當(dāng)大。根據(jù)在各項(xiàng)目中多年積累的調(diào)查數(shù)據(jù)，可以分析出風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)、提升絞車(chē)、瓦斯抽放設(shè)備的用電量占煤礦生產(chǎn)總用電量的40%以上。如今，變頻調(diào)速技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已經(jīng)能夠有效解決控制過(guò)程單一、實(shí)時(shí)性差、自動(dòng)化程度低等問(wèn)題。
一、變頻調(diào)速技術(shù)的原理和節(jié)能效果
1、變頻調(diào)速技術(shù)的原理
交流變頻調(diào)速是近幾十年發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)。由于其優(yōu)良的調(diào)速性能、顯著的節(jié)電效果和在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域的廣泛適用性，被公認(rèn)為最有前途的調(diào)速方法。變頻調(diào)速技術(shù)是微機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)和電機(jī)傳動(dòng)技術(shù)的綜合應(yīng)用。其基本原理是在功率半導(dǎo)體器件的開(kāi)關(guān)作用下，工頻交流電壓經(jīng)整流橋轉(zhuǎn)換成DC電壓，再由逆變器轉(zhuǎn)換成頻率和電壓可調(diào)的交流電壓作為交流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源，使電機(jī)獲得無(wú)級(jí)調(diào)速所需的電壓和電流。這是一種沒(méi)有附加轉(zhuǎn)差損失的有效調(diào)速方法。
在強(qiáng)弱電和機(jī)電一體化的基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用電力電子技術(shù)、微技術(shù)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，即交流變頻調(diào)速技術(shù)。這可以作為一種沒(méi)有附加轉(zhuǎn)差損耗的高效調(diào)速方式，同時(shí)電機(jī)可以獲得無(wú)級(jí)調(diào)速所需的電壓和電流。在能源危機(jī)中發(fā)展起來(lái)的變頻調(diào)速技術(shù)，可以有效地大大提高工作效率，因?yàn)樗梢愿鶕?jù)電機(jī)負(fù)載自動(dòng)平滑地加速和減速。這樣，通過(guò)改變電機(jī)的供電頻率，變頻調(diào)速技術(shù)作為一種高效率、高性能的調(diào)速手段，可以實(shí)現(xiàn)有效的調(diào)節(jié)。
2.變頻調(diào)速技術(shù)的節(jié)能效果
隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和大功率輸出技術(shù)的飛速發(fā)展，交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)取得了突破性的進(jìn)展，成為節(jié)約電能、改善環(huán)境和推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的主要手段，成為必然的發(fā)展趨勢(shì)。明顯的節(jié)能效果和優(yōu)越的調(diào)節(jié)性能使得變頻節(jié)能技術(shù)在我國(guó)煤礦的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，技術(shù)也越來(lái)越成熟。大容量、多功能、高可靠性的變頻器在煤礦生產(chǎn)中得到了廣泛的推廣和應(yīng)用，為煤礦節(jié)約了大量電能，尤其是在流體負(fù)載方面，其節(jié)能率為20%~60%。變頻控制的原理是:用變頻調(diào)速電機(jī)實(shí)現(xiàn)真正的軟啟動(dòng)和平滑調(diào)速，用VFD控制提高輸入電源的功率因數(shù)，在基頻以下恒轉(zhuǎn)矩輸出，輸出功率隨轉(zhuǎn)速變化。
二、變頻調(diào)速技術(shù)在煤礦生產(chǎn)中的具體應(yīng)用以帶式輸送機(jī)為例
1.煤礦生產(chǎn)中帶式輸送機(jī)的節(jié)能
帶式輸送機(jī)作為煤礦運(yùn)輸?shù)闹饕O(shè)備，被廣泛應(yīng)用。隨著高產(chǎn)高效采煤工作面的發(fā)展，越來(lái)越多的長(zhǎng)距離、大運(yùn)量、高速帶式輸送機(jī)被設(shè)計(jì)、制造并投入運(yùn)行。這些大型機(jī)器的使用，使得輸送機(jī)的沖擊負(fù)荷大、驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出不均勻，導(dǎo)致電機(jī)過(guò)載等問(wèn)題更加尖銳地暴露出來(lái)。帶式輸送機(jī)的啟動(dòng)和運(yùn)行方式是由轉(zhuǎn)子繞線降壓?jiǎn)?dòng)后，繞線電機(jī)以工頻運(yùn)行，然后通過(guò)液力耦合器切換到帶式輸送機(jī)。帶式輸送機(jī)的工作原理是帶式輸送機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)輪轂靠摩擦力帶動(dòng)皮帶運(yùn)動(dòng)，皮帶靠張力變形和摩擦力帶動(dòng)物體在托輥上運(yùn)動(dòng)。皮帶是一種彈性?xún)?chǔ)能材料，在帶式輸送機(jī)停止和運(yùn)行時(shí)儲(chǔ)存了大量的勢(shì)能，這就決定了帶式輸送機(jī)應(yīng)采用軟啟動(dòng)方式啟動(dòng)。
因此，對(duì)帶式輸送機(jī)的啟動(dòng)和運(yùn)行提出了以下要求：如果
電動(dòng)機(jī)在重負(fù)荷下直接啟動(dòng)，則要求電源提供比正常運(yùn)行時(shí)大6-7倍的電流，這樣電動(dòng)機(jī)就會(huì)因電流過(guò)大和啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而過(guò)熱燒毀；電網(wǎng)會(huì)因大電流過(guò)度降低電壓，影響其他設(shè)備運(yùn)行；因此，需要新的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)降低電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電流。目前大型帶式輸送機(jī)要求驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能提供可調(diào)、平穩(wěn)、無(wú)沖擊的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，以減少?zèng)_擊，從而改善整機(jī)受力，延長(zhǎng)整機(jī)使用壽命，提高設(shè)備可靠性，即希望實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)，如果啟動(dòng)過(guò)快，拉緊裝置來(lái)不及拉緊，造成傳動(dòng)滾筒打滑，導(dǎo)致發(fā)熱起火；對(duì)于傾角較大的上運(yùn)帶式輸送機(jī)，如果啟動(dòng)加速度過(guò)快，會(huì)造成物料滑動(dòng)或滾動(dòng)；這就要求可以控制啟動(dòng)加速度，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)啟動(dòng)。為了方便帶式輸送機(jī)的維護(hù)，希望能夠?qū)崿F(xiàn)低速帶檢運(yùn)行。
綜上所述，要求驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能適應(yīng)起動(dòng)、運(yùn)行和停止條件的要求，使帶式輸送機(jī)能平穩(wěn)起動(dòng)和停止，高效運(yùn)行，均衡驅(qū)動(dòng)，安全可靠地工作。然而，目前我國(guó)煤礦大多采用液力耦合器來(lái)實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的軟啟動(dòng)。啟動(dòng)時(shí)將液力耦合器的機(jī)械效率調(diào)至零，使電機(jī)空載啟動(dòng)。雖然采用了轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻來(lái)提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和降壓空載起動(dòng)，但電機(jī)的起動(dòng)電流仍然很大，不僅會(huì)引起電網(wǎng)電壓的劇烈波動(dòng)，還會(huì)引起電機(jī)內(nèi)的機(jī)械沖擊和發(fā)熱。同時(shí)，由于液力耦合器工作時(shí)間長(zhǎng)，其內(nèi)部油溫會(huì)升高，金屬零件會(huì)磨損，出現(xiàn)泄漏和效率波動(dòng)，不僅增加維修難度和成本，污染環(huán)境，而且很難解決多機(jī)驅(qū)動(dòng)同一皮帶時(shí)的功率平均和同步問(wèn)題。
2.變頻調(diào)速技術(shù)在帶式輸送機(jī)中的應(yīng)用
帶式輸送機(jī)變頻調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng)由PLC、變頻器、電流互感器、電流傳感器、核子秤、帶速傳感器和電機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器等組成�？梢愿爬槿齻�(gè)部分：檢測(cè)單元、控制單元和執(zhí)行單元。
檢測(cè)單元：電流互感器和變送器獲取電機(jī)電流信號(hào)。由皮帶速度傳感器收集的皮帶速度信號(hào)被轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。電機(jī)速度傳感器采集的速度信號(hào)被轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。核子皮帶秤采集交通信號(hào)。所有信號(hào)都發(fā)送到核心模塊。
控制單元：當(dāng)PLC接收到檢測(cè)信號(hào)時(shí)，通過(guò)判斷和決策，完成帶式輸送機(jī)的啟動(dòng)、功率平衡、節(jié)能和調(diào)速功能。同時(shí)，主控單元還具有斷帶、堆煤、撕帶、冒煙、打滑、溫度等故障保護(hù)功能。
執(zhí)行單元：變頻器接收PLC的頻率控制信號(hào)，根據(jù)給定的信號(hào)輸出相應(yīng)頻率的電壓給電機(jī)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速，完成帶式輸送機(jī)的各種功能。變頻技術(shù)改造后，帶式輸送機(jī)完全實(shí)現(xiàn)了帶式輸送機(jī)的軟啟動(dòng)和軟停機(jī)運(yùn)行方式，使帶式輸送機(jī)性能更加穩(wěn)定。
系統(tǒng)全程功率因數(shù)在0.9以上，大大節(jié)約了無(wú)功功率。采用變頻驅(qū)動(dòng)后，系統(tǒng)總傳動(dòng)效率比液力耦合器驅(qū)動(dòng)提高5%~10%。改造后，系統(tǒng)可以根據(jù)負(fù)載變化自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出頻率和輸出扭矩，改變了以往電機(jī)在工頻下勻速運(yùn)行的模式，很大程度上節(jié)約了電力能耗。而且四象限高壓變頻器的使用實(shí)現(xiàn)了帶式輸送機(jī)的能量回饋功能，進(jìn)一步降低了帶式輸送機(jī)的能耗，液力耦合器的退出大大節(jié)省了設(shè)備的維護(hù)和維修費(fèi)用。在節(jié)能環(huán)保方面更加完善。
三、結(jié)論
目前，變頻調(diào)速已廣泛應(yīng)用于各煤礦，并取得了良好的運(yùn)行效果。隨著新型電力電子器件的發(fā)展和性能的不斷提高，變頻調(diào)速技術(shù)在煤礦生產(chǎn)中的應(yīng)用將會(huì)發(fā)揮更大的作用，取得更顯著的經(jīng)濟(jì)效益。