变频技术在矿山机电设施的运用及发展趋势研究

摘 要：变频技术是近年来在各机电行业成长起来的新兴技术。因为其调节和控制性能较优越，在各类矿山的矿石运输、提升机、通风、水泵等各类机电设备控制系统中获得非常普遍的应用。首先论述了变频技术的基本原理，再从几个方面总结了变频技术在矿山机械电子设备中的应用及发展趋势。

关键词：矿山；机电设施；变频技术；运用；发展趋势

随着计算机、自动化控制、电气化信息、电工电子等各类技术在国内的快速发展，以及全球能源短缺等客观因素，机械和电气设备的变频技术已受到欧洲和发展中国家的高度重视，也获得了很大突破。在采矿行业中，采矿机械设备和电气的能源耗损比率是非常大的，这势必给资源和自然环境带来巨大的压力，其中换气等能源设施的损失，浪费更加严重。因为节能社会的要求，其极大地推动了变频技术在石油、煤矿、电力、机电等行业的应用。

一、变频技术的原理

变频技术在矿山机电设备的应用，是建立在现代应用科学的全面基础上发展起来的，这是计算机技术、自动化技术、电力电子技术和其他高新技术的集合。经过多年的研究，其工作原理体现在以下几点。首先，通过半导体元件的电流信号的频率被转换成不同的频率；第二，频率将被转换成交流电变为直流；第三，采用逆变器进行控制，来调节电压和电流，机电设备便进入无极调速功能。机械和电气设备在工作中，为能够有效地对电机速率进行操作，变频技术需要减少采矿设备中的能量耗损，提高施工效率和自动化程度。

二、变频技术在矿山机电上的运用

本文通过皮带机、提升机、水泵、通风机等方面来分析变频技术在矿山机电上的应用。

（一） 变频技术在皮带机中的应用

皮带机的工作原理是，驱动轮毂产生摩擦力，进而带动皮带转动，皮带通过特殊的张力及摩擦力来拉动滚轴。其主要原理是电机通过转子对绕组降压开始后工频得到运行，经过藕合器切换到皮带机。皮带机的启动时间是很短暂的，其中转子串接电阻减小转矩和减压空载启动等方式，若皮带韧性太小，长时间运行可能导致皮带老化等故障。由于在启动时会由大电流产生加热现象甚至导致严重的电压波动。液力藕合器在工作过程中，其内部的油温可能上升更快，还会增大内部部件摩擦力，这显著增加了维修成本。但是利用变频调速能很好地改变传输机软起、软停等不良状况，皮带机的性能将会更稳定。皮带机使用变频技术之后，其工作频率便可根据自身负荷状况来调节和改变，工频运行均衡，运行将会更加安全而高效。采用变频技术，能提高皮带输送机的应用，大幅提高施工效率。此外，使用高压变频器能达到能量回馈，可以减少对其他设施的维护成本开支，在环境保护得到实现的同时，进一步提升能源利用率。

（二）变频技术在矿井提升机上的应用

煤矿提升机变频技术，主要是利用了高压变频系统以及可编程逻辑控制器控制系统。首先，在电控系统设计中，高压变频调速系统，采取串联单元多电平回馈高压变频系统。采用光纤信号传输来确保高电压主线路和低电压电路控制的通信，以及电的隔离安全功能。系统具有抗干扰力。其次，提升机系统采取可编程逻辑控制器控制，实现全过程的速度控制位置控制、监视等各项功能。

（三）变频技术在水泵中的应用

多级离心泵在矿井中的应用也很广。水泵电动机驱动多级离心泵运转，将电能转变为机械能，将井下的水排到地面。水泵在井底工作时，工作条件差，传统的供电方式故障较多，运营成本高。一方面，当水泵起动时，起动电流较大，电机和电缆压降差大，使得电机及电缆该过程中的反压较其他情况高，使其绝缘能力下降，开机次数越多，水泵寿命越受损。另一方面，当泵开始工作后，电机的负载程度较低的情况较为普遍，水泵的电功率因数较小，功率消耗大。若改变电机的转速，则可降低在同一时刻的水流量，能较好地减少电力消耗。

（四）变频技术在通风机的应用

在通风机中，主扇风机的地位非常重要。作为主要的通风设施，运行过程长。随着勘探和开采的进行，矿井中压力增大所需的风扇机功率也越来越大。变频调速技术应用到矿井通风机后，速度可根据矿井巷道的风量需求进行调整，减小无用功耗，效果明显。此时，通过该驱动器变换的风扇来实现软起动，防止启动电流的影响，既对电路网络设备没有影响，同时还可自由开启关闭。在大多数情况下，通风机在较慢的速度下运行，于是大大降低了通风机工作压力，能使通风机的寿命加长，进而避免不必要的损害。同时，为了确保电机转速一致，要求两个电机的频率尽可能保持同步，以免空气阻力的产生，以确保风机的正常运行。

三、矿山机电中变频技术的发展趋势及展望

变频技术在各类矿山机械和电气设备中的应用较多，但仍未普及，如露天开采牙轮钻头，美国已申请中55 R型旋挖钻机，我国尚处于开发测试，暂未推广应用。因此，变频控制技术在我国各类矿山的机械和电气设备仍有非常好的发展前景。

（一）需求很大。我国各类金属矿、煤矿中有很多机电设备需改造换代升级，从而将需要大量的变频设备，这将大大推动变频技术的应用。

（二）促进更广泛的推广。矿山中各类机械和电气设备品种花样多，若变频器可解决好匹配问题，则它的推广将被更加广泛。

（三）多功能，网络更新。信息技术、电工电子技术的不断进步，逆变器在矿山和改造过程中的使用将出现多功能化的趋势，变频器的控制在矿山网络化管理中将越来越重要。

（四）专业化得以加强。矿山有很多特殊的工作环境，如井下作业等，对这些设备进行合理配置，则需有专业的具有特殊功能的变频器来与之配合。

（五）人工智能。随着人工智能在机器人等领域的突飞猛进的发展。今后人工智能将进一步与变频技术逐步融合，为矿山的各种动力机电设备提供非常大的技术支持，极大提高生产效率并减少安全生产成本。

参考文献：

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