1 概述
礦山按產品類型可分爲煤礦、金屬礦和非金屬等;按採掘方式可分爲露天開採礦山和地下開採礦山兩大類。本文主要介紹變頻調速器在金屬礦山中的應用的現狀和應用前景，對煤礦亦有參考價值，因爲露天煤礦和露天金屬礦開採方式和生產設備基本相同，地下礦山除需要考慮設備的防爆問題外，大部分生產設備也與金屬礦大同小異。露天採礦和地下采礦所用的生產設備有很大不同。
露天礦山是以大型設備爲主要特點，要求優良的電氣傳動系統，以保證這些大型設備的高效率執行。露天礦山的這些大型設備包括用於穿孔的牙輪鑽機，用於裝載礦、岩石的電鏟(挖掘機)，用於礦、岩石的大型汽車等。它們都要求電氣傳動系統具有良好的調速性能，目前這些大型設備大多采用直流調速傳動系統。
地下礦山的生產較露天礦山複雜。由於井下生產的空間窄小，使生產設備潮溼、陰暗，粉塵大、噪音大、振動大、並有塌方的危險，工作條件十分惡劣。因此，井下生產設備的體積受限，這些設備以小型化爲主，體積小、重量輕，對電氣傳動的要求不高。但提升、排水、通風、壓氣等固定設備是地下礦山的要害部門，也是耗電大戶，因此，這些設備的安全執行和節能就顯得至關重要。
根據我們多年來從事礦山電氣傳動的經驗及在礦山進行變頻調速的應用實踐，我認爲，在礦山應用變頻調速技術對於提高礦山生產設備的效率，節約電能都是至關重要的。但遺憾的是在礦山應用變頻調速技術還很不普遍，除了因變頻器的問題外，與人們對變頻器的認識不夠有關，也與不能正確瞭解礦山設備對變頻器的特殊要求、不能正確地應用變頻器、因此所帶來的負面影響有很大關係。
本文主要介紹目前礦山應用變頻器的狀況，礦山設備對電氣傳動的特殊要求，以及如何正確地選用變頻器等。
2 變頻器在露天礦山設備中的應用
2.1 電鏟
電鏟用於裝載礦巖，其工作條件非常惡劣，特別是在爆破不好的情況下挖根底作業，經常出現過大的衝擊載荷，甚至堵轉。因此，電鏟對電氣傳動系統就有較高的要求:要求電氣傳動系統的特性曲線的包絡面積大，有足夠的有用功率;要求有良好的調速性能，能四象限執行，能快速地進行加、減速和反轉，動態響應速度快;要求系統制動性能好，並能回收能量;要求系統執行可靠，維修方便等。由於電鏟對電氣傳動系統的這些特殊要求，所以，我國電鏟目前應用的電氣傳動系統主要還是直流傳動系統。例如:WK-4M、WK10、WD-1200和195-B等型號的電鏟都是採用直流發電機-直流電動機系統(簡稱機組系統);從美國Harnischfeger公司引進製造的P&H-2300XP和P&H-2800XP型電鏟則是採用晶閘管變流器-直流電動機系統(簡稱晶閘管直流系統)。雖然後者比前者技術先進，效率也有所提高，但這兩種系統都還存在直流電機的固有的缺點，即維修工作量大、效率較低等。
自上世紀90年代後期，我國有個別礦山從美國B-E公司引進了變頻器-鼠籠型電動機系統(簡稱交流變頻調速系統)，這是全交流化的電鏟電氣傳動系統。例如:385-B、295-BⅡ、290-BⅢ型電鏟就是全交流化電鏟，變頻調速由德國SIEMENS公司開發、提供的電壓型變頻器。現以395-B電鏟爲例作一簡要說明:高壓交流電由電纜經集電環引入電鏟，由1600kVA主變壓器將6kV變爲575V，由1950A的整流器將交流變爲直流，經濾波後送入直流母線。在直流母線上有4臺容量爲750kVA的逆變器，其中2臺並聯供電給1臺容量爲1066kW的提升電動機;第三臺逆變器供電兩臺容量各爲243kW的迴轉電動機;第四臺逆變器供電給容量爲294kW推壓電動機。當某工作機構處於再生制動工作時，逆變器將再生制動能量反饋到公共直流母線上，可供其它工作機構使用，使能量得到充分利用。使用不完的制動能量，可以透過制動電阻消耗掉。
實踐證明，交流變頻調速電鏟和前兩種直流調速電鏟相比，具有節約電能、調速性能好、可靠性高、維護量小、生產效率高、功率因數高(0.95以上)等優點，是公認的電鏟電氣傳動系統的發展方向。
2.2 變頻器在牙輪鑽機中的應用
牙輪鑽機是露天礦山、尤其是大型露天礦山的主要穿孔設備。爲使牙輪鑽機在不同的岩層中都能保持較佳的鑽進狀態，要求鑽機的迴轉機構能根據岩層的性質進行無級調速。鑽機的提升/行走機構也需要無級調速。目前，牙輪鑽機的迴轉機構和提升/行走機構一般都是直流電動機傳動。主要有三種調速裝置:(1)採用晶閘管直流調速裝置的牙輪鑽機有:YZ-55，YZ-35和YZ-12型;(2)採用大功率磁放大器調速裝置的有KY-250型牙輪鑽機和從美國進口的45R型牙輪鑽機;(3)採用直流發電機組調速裝置的有從美國進口的60R型牙輪鑽機。
牙輪鑽機上應用變頻調速技術不僅是爲了節能，更重要的是爲了提高鑽機的生產效率，降低維修工作量。迴轉機構電動機安裝在鑽桿的頂端，工作條件異常惡劣，以往使用的直流電動機經常損壞，維修工作量大，影響牙輪鑽機的正常作業和效率的提高。因此採用堅固耐用的交流鼠籠型電動機代替直流電動機，用變頻調速裝置代替直流調速裝置，就成爲人們公認的牙輪鑽機電氣傳動的發展方向。在牙輪鑽機上應用變頻調速技術的難點在於:鑽機的轉機構等對調速裝的性能要求高，因爲由於岩層條件的不同，鑽機在鑽進工作時有可能被卡鑽，使迴轉機構堵轉，這就要求調速裝置的機械特性曲線具有挖土機特性，並具有立即反轉和立即重新起動、鑽進功能;牙輪鑽機振動大，對調速設備的防振要求高。變頻調速在牙輪鑽機中的應用首先是由美國B-E公司在55R型牙輪鑽機上應用。我國礦山的牙輪鑽機的變頻調速還在開發試驗之中，尚未在推廣應用。
2.3 電動輪汽車的電氣傳動
目前，大型露天礦山的運輸主要是採用無軌運輸，而主要運輸設備是大型汽車，特別是電動輪汽車成爲了大型露天礦山的主要運輸設備。這是因爲電氣傳動比機械傳動有更多的優點。如調速性能好，響應速度快，調速平滑無衝擊;可實現恆功率調節，能充分利用柴油發動機的功率，耗油少;制動安全，牽引特性好等。目前，世界各國大型露天礦，包括我國的大型露天礦都普遍採用電動輪汽車。我國自1975年以來，引進了不少電動輪汽車，併成功研製開發了SF3102型100t和LN-3100型108t電動輪汽車，與美國Unit Rig公司合作製造了MARK-36型154t電動輪汽車。
電動輪汽車的電氣傳動系統主要有柴油發動機帶動的直流發電機-直流電動機系統和柴油發動機帶動的交流發電機-交流電動機系統，它透過控制發電機的勵磁來控制電動機的轉速。隨着變頻調速技術的發展，人們也在探討將變頻調速技術應用於電動輪汽車電氣傳動的可能性。但目前尚未見到成功的先例。不過，作爲大型露天礦山的主要運輸設備的電動輪汽車，人們會繼續努力，研究將變頻調速技術應用於電動輪汽車，以進一步改善其調速性能，提高其運輸能力。
3 變頻器在地下礦山中的應用
3.1 變頻調速技術在礦井提升機中的應用
礦井提升機是地下礦山運輸的主要設備。它是用一定的裝備沿井筒運出礦石、廢石、升降人員及、設備等運輸環節。礦井提升設備按井筒傾角可分爲豎井提升設備和斜井提升設備;按提升容器可分爲罐籠提升機和箕斗提升機等;按提用途可分爲主提升機(專們或主性提升礦石，一般稱爲主井提升機)，副井提升機(提升廢石、升降人員、運送材料和設備等，一般稱爲副井提升機)和輔助提升機(如天井電梯、檢修提升等)。
礦井提升是地下礦山生產的咽喉，所以，無論哪種提升機，對電氣傳動的要求都很高，因爲電氣傳動系統性能的優劣，可靠性的高低，都直接關係到礦山生產的效率和礦山生產的正常進行。對礦井提升機電氣傳動系統的要求是:有良好的調速性能，調速精度高，四象限執行，能快速進行正、反轉運