序
煤礦生產(chǎn)中的許多環(huán)節(jié)消耗大量電能，如提升運(yùn)輸、井下通風(fēng)、排風(fēng)等。在這種情況下，變頻器（Variable-frequency Drive，以下簡稱VFD）的應(yīng)用為煤礦生產(chǎn)節(jié)能帶來了好消息，不僅提高了煤礦生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，而且更好地節(jié)約了電能，對節(jié)能減排起到了重要作用。那么VFD的工作原理是什么呢？在實(shí)際煤礦生產(chǎn)中如何使用VFD實(shí)現(xiàn)節(jié)能？設(shè)計(jì)中應(yīng)采取哪些措施來提高安全性能？讓我們一起討論一下。
一、工作原理。
VFD主要采用變頻技術(shù)和微電子技術(shù)。VFD的基本工作原理是通過改變電流頻率來控制交流電機(jī)的功率控制設(shè)備。除了運(yùn)行交流機(jī)械設(shè)備，VFD還可以通過改變電壓和電源頻率來實(shí)現(xiàn)節(jié)能調(diào)速的功能，有效降低了機(jī)械設(shè)備的能耗，給煤礦機(jī)電設(shè)備帶來了更大的經(jīng)濟(jì)效益。VFD除了節(jié)能之外，還可以提供很多保護(hù)功能，比如對一些機(jī)電設(shè)備的過壓、過載、過流提供保護(hù)。
二、VFD在煤礦機(jī)電設(shè)備中的應(yīng)用。
1、在帶式輸送機(jī)中的應(yīng)用。
目前VFD在煤礦機(jī)電設(shè)備中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在帶式輸送機(jī)上，其主要工作原理是通過皮帶彈性的物理特性來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)皮帶靜止或運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，它含有大量的能量。如果在啟動時(shí)沒有增加一些軟啟動裝置，皮帶中的能量會迅速釋放。如果產(chǎn)生過大的張力，皮帶將很容易被扯掉。由于VFD，這一現(xiàn)象得到了很大的緩解，通過對帶式輸送機(jī)的改進(jìn)，給企業(yè)帶來了許多經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
（a）為帶式輸送機(jī)上添加新的軟啟動模式，使帶式輸送機(jī)在行駛過程中緩慢啟動，使皮帶張力緩慢增加而不是瞬間增加，軟啟動時(shí)皮帶中的能量緩慢釋放，有效防止皮帶在啟動過程中斷裂；
（b）幫助帶式輸送機(jī)實(shí)現(xiàn)了多電機(jī)驅(qū)動時(shí)的功率平衡。在驅(qū)動設(shè)備時(shí)，通常采用一臺電機(jī)一臺控制裝置的方法。當(dāng)多臺電機(jī)同時(shí)使用時(shí)，可以更好地實(shí)現(xiàn)主控和從控，也可以實(shí)現(xiàn)功率平衡。
（c）降低帶式輸送機(jī)中的皮帶使用強(qiáng)度，有效延長了帶式輸送機(jī)的使用時(shí)間，降低了對皮帶強(qiáng)度的要求，從而間接降低了煤礦機(jī)電設(shè)備的成本投入。
（d）幫助帶式輸送機(jī)有效延長電機(jī)設(shè)備的使用壽命，降低設(shè)備的維護(hù)量和維護(hù)成本。此外，帶式輸送機(jī)對機(jī)械設(shè)備、零部件等無力沖擊。在使用過程中，這也大大減少了帶式輸送機(jī)的維護(hù)次數(shù)和維護(hù)量。
2、VFD在礦井提升設(shè)備中的應(yīng)用。
提升設(shè)備的主要功能是沿礦井運(yùn)輸?shù)V石、煤炭、矸石或矸石，提升人員、設(shè)備和器材等。因此在使用過程中會產(chǎn)生很大的功耗，通過使用VFD，有效提高了電力的使用效率。礦井提升設(shè)備在整個(gè)煤礦生產(chǎn)中起著重要的作用，其安全性和質(zhì)量一直是保障煤礦生產(chǎn)安全和預(yù)防煤礦坍塌事故的關(guān)鍵。因此，在新礦設(shè)計(jì)和老礦改造中，首先要把礦井提升機(jī)的電氣設(shè)備放在首位，通過各種比較，根據(jù)礦井的具體情況，選擇適合煤礦生產(chǎn)的機(jī)械設(shè)備。采用VFD后，使用礦井提升設(shè)備的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
（a）提升礦井設(shè)備的控制精度更高，交流電機(jī)的調(diào)速性能幾乎與DC電機(jī)相當(dāng)，控制精度非常高；
（b）提高礦井提升設(shè)備的工作可靠性。并且具有完善的保護(hù)功能，應(yīng)用于礦井提升設(shè)備時(shí)，使其工作可靠性很高；
（c）減少了礦井提升設(shè)備的維護(hù)工作量，提高了設(shè)備使用效率，減少了工作人員對設(shè)備的維護(hù)和檢修，降低了工作人員的工作強(qiáng)度。
（d）調(diào)速范圍廣，屬于無級調(diào)速，低速時(shí)穩(wěn)定性好。
三、煤礦設(shè)備節(jié)能。
1、帶式輸送機(jī)變頻節(jié)能
采用VFD后，帶式輸送機(jī)的節(jié)能效果主要體現(xiàn)在系統(tǒng)功率因數(shù)和系統(tǒng)效率兩個(gè)方面:
（a）提高系統(tǒng)功率因數(shù)。
正常情況下，煤礦設(shè)備在設(shè)計(jì)上有較大的余量，工作時(shí)大多不能滿負(fù)荷運(yùn)行。機(jī)電設(shè)備在滿載電壓和全速時(shí)往往負(fù)載較小，有時(shí)空載運(yùn)行，使得機(jī)械設(shè)備的使用效率過低?？蛰d或輕載運(yùn)行給整個(gè)皮帶輸送設(shè)備造成了許多不必要的功率損失。VFD用于帶式輸送機(jī)時(shí)，在帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程中功率因數(shù)已達(dá)到0.9 kW以上，大大提高了運(yùn)行效率，基本消除了輕載、空載現(xiàn)象。
（b）提高系統(tǒng)效運(yùn)行率。
使用VFD時(shí)，電機(jī)直接與減速器連接，減少了液力偶合器的使用。由于液力偶合器本身使用液體旋轉(zhuǎn)，其使用效率相對較低，VFD的使用使整個(gè)皮帶輸送系統(tǒng)的效率提高了5% ~ 10%。
另外，礦山一般距離變電站較遠(yuǎn)，不同時(shí)期電壓變化比較大。VFD本身具有穩(wěn)壓功能，間接起到節(jié)能的作用。
由此可見，VFD無論是對煤礦機(jī)械設(shè)備的技術(shù)升級還是經(jīng)濟(jì)效益都將帶來巨大的效益。隨著時(shí)代的發(fā)展，VFD將在帶式輸送機(jī)設(shè)備中得到更廣泛的應(yīng)用。
2、 礦井提升設(shè)備應(yīng)用VFD節(jié)能的實(shí)施方案。
由于VFD的調(diào)速方式主要是轉(zhuǎn)差功率不變，因此調(diào)速過程中的節(jié)能效果主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。
（1）提升過程中的節(jié)能。
礦井絞車處于提升狀態(tài)時(shí)，電機(jī)處于電動工作狀態(tài)。由于絞車是恒扭矩負(fù)載，VFD通過調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)節(jié)能，當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，可以達(dá)到相應(yīng)程度的節(jié)能效果。
（2）下降過程中的節(jié)能。
當(dāng)?shù)V用絞車處于下降狀態(tài)時(shí)，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，這是一個(gè)將勢能轉(zhuǎn)化為電能的過程。當(dāng)使用能量回饋型VFD時(shí)，VFD會將轉(zhuǎn)換后的電能返回電網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。
四、結(jié)語
VFD在煤礦機(jī)械設(shè)備中的應(yīng)用不僅體現(xiàn)在帶式輸送機(jī)和礦井提升設(shè)備上，同時(shí)也在泵和風(fēng)機(jī)，絞車和其他煤礦設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用。目前，大多數(shù)變頻器廠家在國內(nèi)這些煤礦設(shè)備行業(yè)中并沒有太過深入?yún)⑴c合作，這部分的應(yīng)用市場還有很大的發(fā)展空間。它通過高效轉(zhuǎn)換不同形式的電能，實(shí)現(xiàn)對電能的控制，對煤礦生產(chǎn)具有重要意義。隨著時(shí)代的發(fā)展，相信會有更多的變頻技術(shù)被開發(fā)和應(yīng)用，變頻技術(shù)也會被廣泛應(yīng)用。
