第 1 章 绪 论
1.1 课题研究背景
十八大以来，国家提出了“能源革命”的战略思想。能源结构正在由煤炭为主向多元化转变，能源生产和消费都发生了较大的变化。国家统计局在 2015 年发布的统计信息显示：在一次能源生产构成中，虽然原煤生产比 2012 年下降了 4.1 个百分点，但是仍占 72.1。煤矿生产对电能的巨大消耗一直是我国电力供应紧张的主要因素之一，而掘进机电气设备是煤炭开采的主要设备。因此，为了节能减排，实现绿色开采，研究煤矿井下掘进机电气设备的节能具有十分重要的理论意义和实际价值。在煤矿井下掘进机电气设备中，功耗较大的有电力变压器、电动机、带式输送机和掘进机四种。电力变压器是输电网络中的关键设备，在电力安全传输方面发挥着极其重要的作用。随着电力变压器容量的不断增加，其能耗问题也日益显现，如载荷增大后，会发生漏磁现象、铁耗和铜耗增加。电力变压器在运行过程中的能耗主要包括空载损耗和负载损耗，前者可以通过空载实验获得相关数据，而后者与负载有直接关系，可通过负载实验进行研究。因此，电力变压器在设计过程中往往需要综合考虑两者之间的优化比例，既要保证空载损耗不至过大，又要降低负载损耗。在工业生产中散装物料的运输处理占据了能源消耗的很大比例。散装物料的运输处理中，带式传输机运输处理效率高，是物料运输处理的主要设备，带式输送机的节能应引起足够的重视。所以，针对带式输送机的节能研究也是很多研究人员研究的热点。带式传输机的技术优化同时也被列为我国节能减排计划中的一部分，同时更是对企业提高经济效益有重要的帮助。根据相关资料，带式传输机系统的研究基本是从以下几个方面来进行优化：结构参数的优化、运行阻力的减小、提高系统的效率。其中带式传输机的效率提高方面，主要是通过加入具有高效率的设备来完成的。在这里举个例子，利用较小阻力的带式传输机可以明显减小系统在运行过程中的主动阻力和传送过程中引起的压陷阻力，进一步减小发动机的功率以及用电量，最终完成节能的目的。同时如果系统中加入的电机是经过精密设计的高效率电机，这也可以大大降低电机在工作状态下产生的各种能耗。总起来说，对该系统设备的节能设计需要更多的前期投入，并且节能效果是否明显，也根据不同的设备有不同的效果。但是，在对该系统的研究层面，当下研究人员主要是采用对电机的速度进行控制以便调高设备填充率进而实现系统节能。
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1.2 掘进电气设备节能国内外现状
当今世界上有很多研究人员都在研究变压器的节能方法，希望通过研究和实践工作降低能耗，提高变压器的工作效率，降低变压器在对电压变换过程中的电磁损耗，研究变压器中导磁体的材料，改善变压器的电磁环境。美、日、英、德等国采用 IEC76 国际标准通过对变压器性能的细分，对其功能的细致研究，提高了变压器的功率因数，改善了变压的效率，在变压器的节能技术方面取得了显著的成果。在变压器的节能方法中，最常用的方法是通过改变变压器中的硬件参数和硅钢片的成分以及降低谐波电流等方式来改善变压器周围的磁场分布从而降低谐波损耗，提高了它的功率因数，实现节能的目的，但是这种方法有一定的局限性，它只能够对固定型号的变压器进行研究，而世界上变压器的型号很多，并且每个变压器的参数都不尽相同，这种方法不能够广泛的普及。上世纪七十年代，奥地利科学家在对变压器进行计算时，忽略了电流的集肤效应，从其他方面对变压器进行更加精确的计算方法；随后德国学者忽略了集肤效应对于变压器磁场的影响，运用数学建模的方法取得了变压器中各个参数在不同频率的影响下的转换情况，并总结出了相应的规律。后来我国某研究院将γ型电路引入到了变压器的谐波计算中，从而构建了变压器谐波的简化模型，提供了一种更加有效的监控方法[1]。
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第 2 章 变压器的耗能因素与节能方法
2.1 矿用变压器的分类及特点
矿用变压器分为普通型和隔爆型两种，装置具有成套的、可移动、变电等特点，通过变比来改变电压与电流的大小，在矿井等危险的地方使用比较多，因为矿井中含有甲烷等易爆炸危险气体[6]。矿用变压器一般将6kV，10kV的电压等级降压至400(380)、693(660)、1200(1140)、3450(3300)V等煤矿所需的电压等级。矿用变压器一般外壳为波纹状，所以其散热性较好，另外矿用变压器的机械性能比较好，温升比较低。一般采用硅钢片作为矿用变压器的铁芯，空载时的电流较小，噪声比较小，空载时的能耗较低。使用较好的绝缘材料和结构，可以满足矿用变压器在高温条件下满负荷工作的需要，具有较好的热稳定性。
2.1.1 普通矿用变压器及特点
普通矿用变压器多用于含有瓦斯等易爆气体的高危场合，普通的矿用油浸式变压器主要用于动力和照明，它与普通油浸式变压器的区别在于外壳与进出线的设置，两者的工作原理和内部结构相同。当前在矿用领域使用较多的变压器为KS7、KS9系列，均具有低能耗的特点，在结构上，KS7较普通变压器的区别在于：前者的具有较为坚固的油箱，具有较好的机械强度。另外其油枕安装在油箱的上部，有效防止了油管堵塞而产生的爆炸。油面的高度未满，防止油面受热后溢出油箱。吸湿器、注油塞、吊环安装在油箱的顶端，以便注油及吸收油箱内的湿气。变压器油受热后产生的空气可以通过注油塞上的气孔排出，将接线盒密封后，分别设置在油箱的两侧。6个接线柱设置在低压侧，3个设置在高压侧，用户可以选择星形还是三角形连接。低压侧额定电压为693伏、400伏的变压器容量一般小于200千伏安。低压侧1200伏、693伏的变压器容量一般在315千伏安以上。变压器高压侧设有±5%分接头，用于二次调压，当变压器二次侧的输出电压长时间较低时，可以将分接头调至-5%，若输出较高，则采用+5%的分接头，由于分接头不具有灭弧措施，故其调整要在停电以后进行。分接头切换的步骤为：先断开低压开关，再断开高压电源，然后可以切换分接头。采用冷轧硅钢片作为变压器的铁心，可以减少变压器的短路和空载损耗。变压器绝缘的高度可以调整以便紧急情况下用于散热。以上变压器作为一般矿用变压器，易放置在通风较好的井下变电硐室，作为低压动力设备进行供电[7]。
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2.2 谐波影响下的隔爆变压器损耗
变压器作为动力和照明电源设备，广泛用在矿井配电系统中。其通过绕组的匝数比对电压或者电流的大小进行改变，在当今社会中，变压器的容量及额定电压等级较多，足以满足矿业生产的需要。矿用变压器容量一般是发电机容量的 2-3 倍，且前者的效率较好，然而由于使用数量很大，其损耗问题变得越来越突出[8]。变压器自身会产生一部分的谐波，而谐波对电网的影响是不可小觑的，在煤矿开采中，谐波的存在使得矿用电能质量下降，对采矿业造成了很大的影响。高质量的电能是三相对称的正弦交流电，电压相等，频率波动范围在很小范围内，当电流的受到外界干扰时，其自身的波形会偏离正常值，电能的质量出现一定程度的下降。尤其是当负荷中含有较多的非线性负载时，系统的电流就会出现反常的变化，即畸变，导致谐波产生。在谐波较大的情况下，矿井配电系统会受到剧烈的影响，除了损耗增加，还有可能出现效率降低以及设备损坏情况，严重影响了采矿工人的人身安全。矿井中用电设备在使用过程中会产生大量的谐波，这在一定程度上给系统的供电造成了污染，影响其正常工作。谐波会使变压器的损耗及噪声增大；谐波次数高、频率上升会使配电系统线缆流过的电流减小，容易使电容和电感发生串、并联谐振，击穿用电设备。在配电系统中，谐波通过使变压器产生大量的能量损耗，从而导致变压器的结构部件发热，这里的能量损耗包括杂散损耗以及铜耗[9]。另外，谐波的出现会直接导致变压器震动产生噪声污染，自身的容量下降等问题。温升问题一定程度上使变压器的寿命缩短。杂散损耗决定了变压器铁心的附加温升，频率的升高会使得涡流损耗和磁滞损耗都增加，而且前者产生的损耗较后者产生的损耗大。在对铁耗和铜耗进行计算时，通常计及涡流效应。变压器的谐波损耗使得其自身的容量降低。供配电系统受谐波的影响很大，首先其能使电能的利用率下降；其次，电气设备因受热而老化速度加快，寿命缩短[10]。再者，当设备的运行效率下降时，常常会伴随着系统的故障甚至设备的损坏。在通信领域中，一些通信或者电子设备也会受到不同的程度的干扰。故谐波的抑制是供电系统中一项必不可少的措施。
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第 3 章 输送机的节能设计.......14
3.1 带式输送机的分类及特点 ......14
3.2 带式输送机的节能运行分析..............15
3.3 带式输送机结构参数的选取 .............20
3.4 带式输送机结构参数对驱动功率的影响......23
3.5 霍尔辛赫矿井带式输送机的设计 ......26
3.6 本章小结 ..........31
第 4 章 变频电动机的应用.......32
4.1 电动机节能控制的意义 ..........32
4.2 电动机节能的现状 ......32
4.3 交流变频调速的主要工作原理 .........33
4.4 电机效率变化对变频改造节能效果的影响.............34
4.5 本章小结 ..........38
第 5 章 基于改进的 BP 神经网络掘进机节能研究....39
5.1 BP 神经网络原理.........40
5.1.1 神经网络模型.......40
5.1.2 反向传播 BP 神经网络算法 .......41
5.2 改进的 BP 神经网络算法........45
5.3 神经网络预测应用.......45
5.4 本章小结 ..........50
第 5 章 基于改进的 BP 神经网络掘进机节能研究
在矿井中，我们国家单位产煤耗电量巨大，井下开采工作的耗电量占整个煤矿企业的 90%以上[41]。又因为我国是采煤大国，在整个采煤行业中，总的耗电量十分惊人，因此，对煤矿业的节能改造就非常有必要。煤矿业的井下用电主要来源于大型设备的消耗，节约能耗不仅可以降低煤矿企业的成本费用，还可以延长用电设备的寿命。在本文第二、第三、第四章分别对掘进工作面中的变压器、带式输送机及电动机的工作性能、功率负荷进行了分析和计算，并且针对三者的使用进行了布局的节能措施，降低损耗，提高使用效率，以达到节能的目的，在本章中，主要围绕掘进机的使用进行节能控制。在本文选择的矿井中，主要分析的是 3#矿井，包括一个综放工作面、一个综采工作面、两个掘进工作面，在总体的耗电量中，掘进工作面中的掘进设备耗电量占很大的比例。其中掘进工作面中的掘进机耗电量约占整个工作面耗电量的百分之五十，因此针对掘进机设备采取节能措施就非常重要。在其电能消耗中，用于电机消耗的电能可达到总耗能的百分之六十七以上。电机的启动电流很大，其尖峰电流可以造成整个煤矿配电系统的波动，还会造成机械设备的发热情况，引起电阻的增大，增加设备的耗电能量。根据公式 P=UI=I2R 可知，当电流增大时，电压降增高传输线路的损耗就会增大。在掘进设备使用过程中因忽视维修等因素造成的短路故障等也会引起电流的增加，造成电压不稳定，增加压降，增加有功损耗。因此降低有功功率损耗，是节约能耗，达到节能的有效措施之一。又因为功率损耗主要是由电压降引起的，因此减小功率损耗，节约电能，就是对电压波动采取稳压措施。在本文中，采用改进的 BP 神经网络算法用来估计预测电压的未来值，保证电压的稳定输出，以达到节能的效果。通过该网络不断地用训练样本对其电压进行训练，对其权值进行调整，以保证输出的电压结果最优。对电压的精准预测，可以消除该系统中其他干扰因素的影响，降低这些因素对输出电压造成的波动，有利于电压的稳定输出。神经网络的自学习能力很高，可以根据反馈信息不断地调整输入层与隐含层、隐含层与输出层的权值大小，使整个网络保证电压的最优输出，即预测值与真实值之间的差距最小[42]。神经网络还有很强的自适应能力，能依据误差或者均方误差及时的对步长做出相应的调整，当误差增大时，能够减小步长，使其以逐渐减小的数值的对网络进行调整，让网络的结构达到最优。该网络通过不断用训练和测试样本对系统进行学习，得到隐含层在输入数据和输出数据之间调整权值的关系[43]。这种关系不需要知道构建系统的模型，只需用输入和输出数据不断地对其进行训练和学习，就能使输入和输出数据逐渐接近[44]。基于 BP 神经网络的非线性映射特点，很多领域都将其引入到自己的研究与使用中，受到学者们越来越多的追捧。
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总结
煤炭是工业生产和生活无可替代的能源，与人类生存息息相关。中国是煤业开采大国，每吨煤所消耗的电量十分巨大。为了相应科学发展观，煤炭开采需要采取节能措施来降低电能消耗。在煤炭开采过程中，电能的消耗主要来自井下电气设备的能耗，因此，矿井节能主要是提高煤矿井下掘进机械设备的节约电能的能力。本文主要是在山西霍尔辛赫矿井背景下，分析了煤矿中的电能消耗情况。响应国家节能减排的号召，在高能耗的煤矿业中对设备的节能措施展开了研究，尤其是大型用电设备掘进机电设备的能耗，主要包括变压器、带式输送机、电机和掘进机四个方面展开论述。从谐波对变压器的耗能影响、带式输送机各参数对自身的消耗电能的影响和变频电动机变频技术的节能三方面展开论述，并用改进的 BP 神经网络对掘进机的电压进行预测。本文首先概述了研究的背景及其国内外发展现状。然后从变压器、煤炭输送机和电动机三个方面对煤矿掘进机电设备进行了能耗使用分析，指出在设备使用过程中，有很大的电能浪费。为后面设备的节能论证提供了理论依据和研究目的意义。在第二章介绍了矿用变压器的分类，依据选用的矿井为背景，主要分析了隔爆干式变压器的使用容量及该变压器的使用场合，通过该变压器在混合有甲烷气体和煤尘环境中具有防爆的功能选为本矿井中主要使用的变压器类型。此外还以变压器节能的角度，阐述了谐波产生的原因及对变压器损耗的影响，包括磁滞损耗、涡流损耗、绕组损耗。并且针对产生的损耗，提出了谐波治理方法及针对隔爆变压器常用的节能方法。依据提出的节能措施，通过对综掘工作面负荷量的计算选择了本文中的使用变压器的类型，选择的变压器为节能隔爆干式变压器。在第三章主要介绍的是煤矿中选用的带式输送机的节能设计。详细介绍了带式输送机的分类和特点，并对影响输送机功率的因素展开了讨论。分别从带宽、带速和输送带覆盖层厚度三方面阐述其对电能消耗的影响，为本文选取合适的节能的用电设备提供了理论依据。结合上述三部分，依据节能要求，对本文选用的带式输送机的参数进行选择，叙述了输送机的布置情况和最后的设备选型，使得在满足矿井要求的前提下，达到节能的目的。
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参考文献（略）