变频技术在煤矿井下带式输送机智能视频调速中的应用
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作者:温丽娟
摘 要：本文讲述了变频调速技术在国家能源集团宁东矿区红柳煤矿用以煤矿井下带式输送机智能视频调速中的应用。分析了使用变频技术对煤矿生产所带来的节能增效，为煤矿胶带运输系统实现自动化、智能化开辟了新思路，指明了煤矿智慧化矿山发展的方向。
关键词：变频调速 电动机 节能降耗
中图分类号：TD63+4.1 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）07（a）-0020-02
煤炭企业是用电大户，而煤矿生产的节能降耗至关重要。在煤矿生产过程中，运输、提升等系统会浪费大量的电能，同时会加速机械传动磨损，缩短设备、材料、配件等的使用寿命。因此节能降耗势在必行，利用变频调速不仅可优化调速性能，提高劳动生产率、提高设备生产自动化程度，而且实现了节约能源、降低生产成本的功效。
1 变频调速技术的原理
交流变频调速技术是将计算机技术、电力电子技术和电机传动技术、可编程控制器紧密结合，是机电一体化技术的综合性应用。其实质是利用全控型器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，在交流电动机的变频调速控制中，为了保持额定磁通基本不变，在调节定子频率时必须同时改变定子的电压，因此，必须配备变压变频装置。而变压变频装置的核心部分就是变频电路。其基本原理就是利用的交-直-交变频技术，是通过整流桥将恒压恒频交流电变为直流电压，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，再由逆变器转换为频率、电压可调的交流电压作为交流电机的驱动电源，使电动机获得无级调速所需的电压和电流，是一种无附加转差损耗的高效调速方式之一。变频调速技术之所以在能源危机中应运而生，就是因为它能根据电机负载的变化实现自动、平滑的增速、减速，实现高水平的自动控制，能够利用模拟器与计算机辅助设计进行网络现场控制，从而大幅度提高工作效率，降低生产成本。
从理论上我们可知，电机的转速 n与供电频率 f 有以下关系：
n=（1 s） r/min
其中：f—电源频率 Hz;P—电机磁极对数
由公式可知，转速n与频率f成正比，如果不改变电动机的极对数，只需改变频率f即可改变电动机的转速。当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速可以在0～50Hz的频率范围内实现连续变化。变频技术就是通过改变电动机的电源频率，从而实现速度连续平滑调节，实现无极调速，同时可节省电能，是一种理想的高效率、高性能的调速方法。
2 变频技术的特点
变频技术常见的类型主要有4种：交-直变频技术，直-直变频技术，交-直-交变频技术，交-交变频技术等，目前绝大多数变频器为交-直-交型变频器，它是众多高新技术的综合应用，其主要特点如下。
2.1 节能降耗
变频技术利用计算机-可编程控制器-变频器之间的联网技术、机电一体化控制技术以及变频器与PLC通过软件来改变其控制过程，可提高产品性能指标，使得电机物料流量和压力达到最佳参数，不仅编程简单、可靠性高，应用方便等优点逐步替代了直流调速技术和电磁调速技术，而且利用变频可以降低了调速本身的损耗，节省了稳定速度设备和反馈控制设备节约了成本。
2.2 启动平稳性能好
在煤矿供电系统中，瞬间的启动会造成电流突然增大，整个系统电压下降，电压的过大变化会使矿井正常运行的机电设备受到干扰或影响，而且由于井下正常运行的设备突然受得很大电流的冲击会给设备造成一定的损害甚至于不能正常工作，还有可能引发生产事故，给煤矿井下生产带来安全隐患。采用变频技术时可以增大启动转矩，避免电压波动，采用变频调速可以实现零频零电压时逐步启动，能减缓电压的波动。另外，工频启动時对电机或相连的机械部分轴或齿轮都会产生剧烈的振动，加剧机械磨损，降低机械部件和电机的寿命，而变频控制可以做到零速或低速启动，并根据生产要求进行平滑加速。
2.3 调速性能好
改变变频设备对电机控制是依据电机带载能力变化和实际工作环境及参数的变化，来进行电机的转速调整，从而实现电机连续运行的平滑性及调速的可控性。变频调速系统启动的特点都是从低速开始，而频率与速度成正比，因此启动频率较低。加、减速时间可以自由设定，故加、减速控制时间比较平缓，而启动电流也比较平缓，可以进行较高频率的启停。这样不仅可以使电能损耗减小，还能使调速系统自动补偿无功功率，提高了电网系统的用电效率，使总的视在功率下降，降低了无功损耗，提高功率因数。
2.4 控制电机的启动电流
当电机通过f=50Hz的交流电直接启动时，将会产生很大的启动电流，启动电流过大会增加电机绕组的电应力产生热量，降低电机的寿命。而通过变频控制可以降低电机的启动电流，实现软启动，提高绕组承受力，使电机的维护、维修成本降低，增加电机的使用寿命。
2.5 进行速度可控
利用变频调速能完善设备的生产过程，优化生产工艺过程中对速度的要求。利用变频器中的PID的调节功能使电机可以连续平滑的调节速度，实现无级调速，还能通过与单片机技术、可编程控制技术和触摸屏有效地结合来实现电机远程速度的调节，形成完整的机电一体化控制技术。
3 早期煤矿带式输送机的特点
国家能源集团宁东矿区红柳煤矿主运输系统设有10部运输胶带机长达13000m，其中CST驱动的输送机3部，变频驱动的输送机7部。 3.1 早期胶带机耗能分析
传统的带式输送机，一般使用调速型液力耦合器，或CST等机械和液压方式的驱动设备，具有工作效率低、维修、维护复杂、速度不可控、启动电流大等缺点，而且由于启动加速度大，使皮带容易波动，造成皮带的张力特性较差，无法满足对长距离输送的动态优化，以及对安全启动提供有效的保证。
3.2 煤矿现有的主运输系统存在的问题主要体现在以下几个方面
（1）受采区布局、采掘工艺等因素限制，主运输胶带机运行负荷率很低。
（2）无论煤流量多少胶带机始终长时间保持固定高速运转，无法根据煤流量实时调节胶带机输送机运行速度。
（3）浪费了大量电能，也加速了机械传动磨损，缩短了设备、材料、配件使用寿命。
（4）增加了维护、维修量加大了企业职工的劳动强度，提高了生产管理风险和管控难度。
因此节能降耗势在必行，利用变频技术控制设备来实时调节电机转速可以大大提高工作效率，延长设备的正常工作周期和使用寿命，同时降低电能损耗。
4 利用变频技术如何实现煤矿生产节能降耗
2015年8月，红柳煤矿利用“智能视频控制技术”对胶带运输机控制程序进行研究改进，根据负载流量的变化实时调整变频电机转速。基本上达到了预期的目标，实际测算节电率为17.8%。而且装置功率越大的胶带运输机节电效果越高。
该系统以虚拟方式标示负载流量变化，提高了检测灵敏度，克服了物理检测方式在恶劣环境下容易失灵的弊端。同时为最大限度实现节能目标，进行了二次研发，将原煤运输系统原有的逆煤流启动改变为顺煤流启动，实现自动化集中控制“一键启停”，提高了生产设备自动化程度。
该系统工作特点是系统在运输胶带机现场传输的视频中设置检测区域，当煤流通过检测区域时，智能检测器实时检测煤流量情况，当胶带机煤流量满足PLC内预设的高、中、低、怠速运行条件时，PLC发出调速信号输出给胶带机变频器，自動控制电机转速调整为高、中、低及怠速运行。通过视频分析异物形状和在此处停留的时间，给胶带机控制系统信号，是预警还是停机，并且有激光幕后备保护，确保胶带机完好运行，有效减少了主运胶带被异物划伤撕扯胶带事故的发生。大幅度提高了主运系统的安全保障系数。
该系统最大的优点是能根据皮带转速与磨损的比例关系测算，当转速下降一半时，皮带及各种滚筒的磨损相应减轻30%。使用智能视频调速系统后，可节约配件及材料费用，同时延长了胶带运输机的整机使用寿命。节能降耗效果显著 ，同时为矿井胶带运输系统自动化、智能化开辟了新思路。
5 结语
如今变频调速技术已成为一种节能增效、改善作业环境和推进煤矿自动化生产的重要手段，被多数煤炭企业认可和推广。相信随着电力电子技术、自动控制技术和可编程控制器技术的迅速发展，新技术、新工艺、新手段不断改进并应用到煤矿生产中，不仅会淘汰一批老旧的生产设备实现升级换代，而且会提高产品的可靠性与实用性，极大的提高煤矿生产自动化程度与生产效率，促进煤矿生产设备的发展，提高煤矿机电设备的工作性能，有效地减少能源损耗，利用变频调速不仅可优化调速性能，提高劳动生产率、提高设备生产自动化程度，降低生产成本的功效，为煤矿生产的高效节能提供一个质的飞跃平台，使煤矿产业向智慧化矿山发展指明了方向 。
参考文献
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