第 1 章 緒 論
1.1 課題研究背景
十八大以來，國家提出了“能源革命”的戰略思想。能源結構正在由煤炭為主向多元化轉變，能源生產和消費都發生了較大的變化。國家統計局在 2015 年發布的統計信息顯示：在一次能源生產構成中，雖然原煤生產比 2012 年下降了 4.1 個百分點，但是仍占 72.1。煤礦生產對電能的巨大消耗一直是我國電力供應緊張的主要因素之一，而掘進機電氣設備是煤炭開採的主要設備。因此，為了節能減排，實現綠色開採，研究煤礦井下掘進機電氣設備的節能具有十分重要的理論意義和實際價值。在煤礦井下掘進機電氣設備中，功耗較大的有電力變壓器、電動機、帶式輸送機和掘進機四種。電力變壓器是輸電網絡中的關鍵設備，在電力安全傳輸方面發揮著極其重要的作用。隨著電力變壓器容量的不斷增加，其能耗問題也日益顯現，如載荷增大後，會發生漏磁現象、鐵耗和銅耗增加。電力變壓器在運行過程中的能耗主要包括空載損耗和負載損耗，前者可以通過空載實驗獲得相關數據，而後者與負載有直接關係，可通過負載實驗進行研究。因此，電力變壓器在設計過程中往往需要綜合考慮兩者之間的優化比例，既要保證空載損耗不至過大，又要降低負載損耗。在工業生產中散裝物料的運輸處理占據了能源消耗的很大比例。散裝物料的運輸處理中，帶式傳輸機運輸處理效率高，是物料運輸處理的主要設備，帶式輸送機的節能應引起足夠的重視。所以，針對帶式輸送機的節能研究也是很多研究人員研究的熱點。帶式傳輸機的技術優化同時也被列為我國節能減排計劃中的一部分，同時更是對企業提高經濟效益有重要的幫助。根據相關資料，帶式傳輸機系統的研究基本是從以下幾個方面來進行優化：結構參數的優化、運行阻力的減小、提高系統的效率。其中帶式傳輸機的效率提高方面，主要是通過加入具有高效率的設備來完成的。在這裡舉個例子，利用較小阻力的帶式傳輸機可以明顯減小系統在運行過程中的主動阻力和傳送過程中引起的壓陷阻力，進一步減小發動機的功率以及用電量，最終完成節能的目的。同時如果系統中加入的電機是經過精密設計的高效率電機，這也可以大大降低電機在工作狀態下產生的各種能耗。總起來說，對該系統設備的節能設計需要更多的前期投入，並且節能效果是否明顯，也根據不同的設備有不同的效果。但是，在對該系統的研究層面，當下研究人員主要是採用對電機的速度進行控制以便調高設備填充率進而實現系統節能。
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1.2 掘進電氣設備節能國內外現狀
當今世界上有很多研究人員都在研究變壓器的節能方法，希望通過研究和實踐工作降低能耗，提高變壓器的工作效率，降低變壓器在對電壓變換過程中的電磁損耗，研究變壓器中導磁體的材料，改善變壓器的電磁環境。美、日、英、德等國採用 IEC76 國際標準通過對變壓器性能的細分，對其功能的細緻研究，提高了變壓器的功率因數，改善了變壓的效率，在變壓器的節能技術方面取得了顯著的成果。在變壓器的節能方法中，最常用的方法是通過改變變壓器中的硬體參數和矽鋼片的成分以及降低諧波電流等方式來改善變壓器周圍的磁場分布從而降低諧波損耗，提高了它的功率因數，實現節能的目的，但是這種方法有一定的局限性，它只能夠對固定型號的變壓器進行研究，而世界上變壓器的型號很多，並且每個變壓器的參數都不盡相同，這種方法不能夠廣泛的普及。上世紀七十年代，奧地利科學家在對變壓器進行計算時，忽略了電流的集膚效應，從其他方面對變壓器進行更加精確的計算方法；隨後德國學者忽略了集膚效應對於變壓器磁場的影響，運用數學建模的方法取得了變壓器中各個參數在不同頻率的影響下的轉換情況，並總結出了相應的規律。後來我國某研究院將γ型電路引入到了變壓器的諧波計算中，從而構建了變壓器諧波的簡化模型，提供了一種更加有效的監控方法[1]。
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第 2 章 變壓器的耗能因素與節能方法
2.1 礦用變壓器的分類及特點
礦用變壓器分為普通型和隔爆型兩種，裝置具有成套的、可移動、變電等特點，通過變比來改變電壓與電流的大小，在礦井等危險的地方使用比較多，因為礦井中含有甲烷等易爆炸危險氣體[6]。礦用變壓器一般將6kV，10kV的電壓等級降壓至400(380)、693(660)、1200(1140)、3450(3300)V等煤礦所需的電壓等級。礦用變壓器一般外殼為波紋狀，所以其散熱性較好，另外礦用變壓器的機械性能比較好，溫升比較低。一般採用矽鋼片作為礦用變壓器的鐵芯，空載時的電流較小，噪聲比較小，空載時的能耗較低。使用較好的絕緣材料和結構，可以滿足礦用變壓器在高溫條件下滿負荷工作的需要，具有較好的熱穩定性。
2.1.1 普通礦用變壓器及特點
普通礦用變壓器多用於含有瓦斯等易爆氣體的高危場合，普通的礦用油浸式變壓器主要用於動力和照明，它與普通油浸式變壓器的區別在於外殼與進出線的設置，兩者的工作原理和內部結構相同。當前在礦用領域使用較多的變壓器為KS7、KS9系列，均具有低能耗的特點，在結構上，KS7較普通變壓器的區別在於：前者的具有較為堅固的油箱，具有較好的機械強度。另外其油枕安裝在油箱的上部，有效防止了油管堵塞而產生的爆炸。油麵的高度未滿，防止油麵受熱後溢出油箱。吸濕器、注油塞、吊環安裝在油箱的頂端，以便注油及吸收油箱內的濕氣。變壓器油受熱後產生的空氣可以通過注油塞上的氣孔排出，將接線盒密封后，分別設置在油箱的兩側。6個接線柱設置在低壓側，3個設置在高壓側，用戶可以選擇星形還是三角形連接。低壓側額定電壓為693伏、400伏的變壓器容量一般小於200千伏安。低壓側1200伏、693伏的變壓器容量一般在315千伏安以上。變壓器高壓側設有±5%分接頭，用於二次調壓，當變壓器二次側的輸出電壓長時間較低時，可以將分接頭調至-5%，若輸出較高，則採用+5%的分接頭，由於分接頭不具有滅弧措施，故其調整要在停電以後進行。分接頭切換的步驟為：先斷開低壓開關，再斷開高壓電源，然後可以切換分接頭。採用冷軋矽鋼片作為變壓器的鐵心，可以減少變壓器的短路和空載損耗。變壓器絕緣的高度可以調整以便緊急情況下用於散熱。以上變壓器作為一般礦用變壓器，易放置在通風較好的井下變電硐室，作為低壓動力設備進行供電[7]。
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2.2 諧波影響下的隔爆變壓器損耗
變壓器作為動力和照明電源設備，廣泛用在礦井配電系統中。其通過繞組的匝數比對電壓或者電流的大小進行改變，在當今社會中，變壓器的容量及額定電壓等級較多，足以滿足礦業生產的需要。礦用變壓器容量一般是發電機容量的 2-3 倍，且前者的效率較好，然而由於使用數量很大，其損耗問題變得越來越突出[8]。變壓器自身會產生一部分的諧波，而諧波對電網的影響是不可小覷的，在煤礦開採中，諧波的存在使得礦用電能質量下降，對採礦業造成了很大的影響。高質量的電能是三相對稱的正弦交流電，電壓相等，頻率波動範圍在很小範圍內，當電流的受到外界干擾時，其自身的波形會偏離正常值，電能的質量出現一定程度的下降。尤其是當負荷中含有較多的非線性負載時，系統的電流就會出現反常的變化，即畸變，導致諧波產生。在諧波較大的情況下，礦井配電系統會受到劇烈的影響，除了損耗增加，還有可能出現效率降低以及設備損壞情況，嚴重影響了採礦工人的人身安全。礦井中用電設備在使用過程中會產生大量的諧波，這在一定程度上給系統的供電造成了污染，影響其正常工作。諧波會使變壓器的損耗及噪聲增大；諧波次數高、頻率上升會使配電系統線纜流過的電流減小，容易使電容和電感發生串、並聯諧振，擊穿用電設備。在配電系統中，諧波通過使變壓器產生大量的能量損耗，從而導致變壓器的結構部件發熱，這裡的能量損耗包括雜散損耗以及銅耗[9]。另外，諧波的出現會直接導致變壓器震動產生噪聲污染，自身的容量下降等問題。溫升問題一定程度上使變壓器的壽命縮短。雜散損耗決定了變壓器鐵心的附加溫升，頻率的升高會使得渦流損耗和磁滯損耗都增加，而且前者產生的損耗較後者產生的損耗大。在對鐵耗和銅耗進行計算時，通常計及渦流效應。變壓器的諧波損耗使得其自身的容量降低。供配電系統受諧波的影響很大，首先其能使電能的利用率下降；其次，電氣設備因受熱而老化速度加快，壽命縮短[10]。再者，當設備的運行效率下降時，常常會伴隨著系統的故障甚至設備的損壞。在通信領域中，一些通信或者電子設備也會受到不同的程度的干擾。故諧波的抑制是供電系統中一項必不可少的措施。
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第 3 章 輸送機的節能設計.......14
3.1 帶式輸送機的分類及特點 ......14
3.2 帶式輸送機的節能運行分析..............15
3.3 帶式輸送機結構參數的選取 .............20
3.4 帶式輸送機結構參數對驅動功率的影響......23
3.5 霍爾辛赫礦井帶式輸送機的設計 ......26
3.6 本章小結 ..........31
第 4 章 變頻電動機的應用.......32
4.1 電動機節能控制的意義 ..........32
4.2 電動機節能的現狀 ......32
4.3 交流變頻調速的主要工作原理 .........33
4.4 電機效率變化對變頻改造節能效果的影響.............34
4.5 本章小結 ..........38
第 5 章 基於改進的 BP 神經網絡掘進機節能研究....39
5.1 BP 神經網絡原理.........40
5.1.1 神經網絡模型.......40
5.1.2 反向傳播 BP 神經網絡算法 .......41
5.2 改進的 BP 神經網絡算法........45
5.3 神經網絡預測應用.......45
5.4 本章小結 ..........50
第 5 章 基於改進的 BP 神經網絡掘進機節能研究
在礦井中，我們國家單位產煤耗電量巨大，井下開採工作的耗電量占整個煤礦企業的 90%以上[41]。又因為我國是採煤大國，在整個採煤行業中，總的耗電量十分驚人，因此，對煤礦業的節能改造就非常有必要。煤礦業的井下用電主要來源於大型設備的消耗，節約能耗不僅可以降低煤礦企業的成本費用，還可以延長用電設備的壽命。在本文第二、第三、第四章分別對掘進工作面中的變壓器、帶式輸送機及電動機的工作性能、功率負荷進行了分析和計算，並且針對三者的使用進行了布局的節能措施，降低損耗，提高使用效率，以達到節能的目的，在本章中，主要圍繞掘進機的使用進行節能控制。在本文選擇的礦井中，主要分析的是 3#礦井，包括一個綜放工作面、一個綜采工作面、兩個掘進工作面，在總體的耗電量中，掘進工作面中的掘進設備耗電量占很大的比例。其中掘進工作面中的掘進機耗電量約占整個工作面耗電量的百分之五十，因此針對掘進機設備採取節能措施就非常重要。在其電能消耗中，用於電機消耗的電能可達到總耗能的百分之六十七以上。電機的啟動電流很大，其尖峰電流可以造成整個煤礦配電系統的波動，還會造成機械設備的發熱情況，引起電阻的增大，增加設備的耗電能量。根據公式 P=UI=I2R 可知，當電流增大時，電壓降增高傳輸線路的損耗就會增大。在掘進設備使用過程中因忽視維修等因素造成的短路故障等也會引起電流的增加，造成電壓不穩定，增加壓降，增加有功損耗。因此降低有功功率損耗，是節約能耗，達到節能的有效措施之一。又因為功率損耗主要是由電壓降引起的，因此減小功率損耗，節約電能，就是對電壓波動採取穩壓措施。在本文中，採用改進的 BP 神經網絡算法用來估計預測電壓的未來值，保證電壓的穩定輸出，以達到節能的效果。通過該網絡不斷地用訓練樣本對其電壓進行訓練，對其權值進行調整，以保證輸出的電壓結果最優。對電壓的精準預測，可以消除該系統中其他干擾因素的影響，降低這些因素對輸出電壓造成的波動，有利於電壓的穩定輸出。神經網絡的自學習能力很高，可以根據反饋信息不斷地調整輸入層與隱含層、隱含層與輸出層的權值大小，使整個網絡保證電壓的最優輸出，即預測值與真實值之間的差距最小[42]。神經網絡還有很強的自適應能力，能依據誤差或者均方誤差及時的對步長做出相應的調整，當誤差增大時，能夠減小步長，使其以逐漸減小的數值的對網絡進行調整，讓網絡的結構達到最優。該網絡通過不斷用訓練和測試樣本對系統進行學習，得到隱含層在輸入數據和輸出數據之間調整權值的關係[43]。這種關係不需要知道構建系統的模型，只需用輸入和輸出數據不斷地對其進行訓練和學習，就能使輸入和輸出數據逐漸接近[44]。基於 BP 神經網絡的非線性映射特點，很多領域都將其引入到自己的研究與使用中，受到學者們越來越多的追捧。
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總結
煤炭是工業生產和生活無可替代的能源，與人類生存息息相關。中國是煤業開採大國，每噸煤所消耗的電量十分巨大。為了相應科學發展觀，煤炭開採需要採取節能措施來降低電能消耗。在煤炭開採過程中，電能的消耗主要來自井下電氣設備的能耗，因此，礦井節能主要是提高煤礦井下掘進機械設備的節約電能的能力。本文主要是在山西霍爾辛赫礦井背景下，分析了煤礦中的電能消耗情況。響應國家節能減排的號召，在高能耗的煤礦業中對設備的節能措施展開了研究，尤其是大型用電設備掘進機電設備的能耗，主要包括變壓器、帶式輸送機、電機和掘進機四個方面展開論述。從諧波對變壓器的耗能影響、帶式輸送機各參數對自身的消耗電能的影響和變頻電動機變頻技術的節能三方面展開論述，並用改進的 BP 神經網絡對掘進機的電壓進行預測。本文首先概述了研究的背景及其國內外發展現狀。然後從變壓器、煤炭輸送機和電動機三個方面對煤礦掘進機電設備進行了能耗使用分析，指出在設備使用過程中，有很大的電能浪費。為後面設備的節能論證提供了理論依據和研究目的意義。在第二章介紹了礦用變壓器的分類，依據選用的礦井為背景，主要分析了隔爆乾式變壓器的使用容量及該變壓器的使用場合，通過該變壓器在混合有甲烷氣體和煤塵環境中具有防爆的功能選為本礦井中主要使用的變壓器類型。此外還以變壓器節能的角度，闡述了諧波產生的原因及對變壓器損耗的影響，包括磁滯損耗、渦流損耗、繞組損耗。並且針對產生的損耗，提出了諧波治理方法及針對隔爆變壓器常用的節能方法。依據提出的節能措施，通過對綜掘工作面負荷量的計算選擇了本文中的使用變壓器的類型，選擇的變壓器為節能隔爆乾式變壓器。在第三章主要介紹的是煤礦中選用的帶式輸送機的節能設計。詳細介紹了帶式輸送機的分類和特點，並對影響輸送機功率的因素展開了討論。分別從帶寬、帶速和輸送帶覆蓋層厚度三方面闡述其對電能消耗的影響，為本文選取合適的節能的用電設備提供了理論依據。結合上述三部分，依據節能要求，對本文選用的帶式輸送機的參數進行選擇，敘述了輸送機的布置情況和最後的設備選型，使得在滿足礦井要求的前提下，達到節能的目的。
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參考文獻（略）
1.1 課題研究背景
十八大以來，國家提出了“能源革命”的戰略思想。能源結構正在由煤炭為主向多元化轉變，能源生產和消費都發生了較大的變化。國家統計局在 2015 年發布的統計信息顯示：在一次能源生產構成中，雖然原煤生產比 2012 年下降了 4.1 個百分點，但是仍占 72.1。煤礦生產對電能的巨大消耗一直是我國電力供應緊張的主要因素之一，而掘進機電氣設備是煤炭開採的主要設備。因此，為了節能減排，實現綠色開採，研究煤礦井下掘進機電氣設備的節能具有十分重要的理論意義和實際價值。在煤礦井下掘進機電氣設備中，功耗較大的有電力變壓器、電動機、帶式輸送機和掘進機四種。電力變壓器是輸電網絡中的關鍵設備，在電力安全傳輸方面發揮著極其重要的作用。隨著電力變壓器容量的不斷增加，其能耗問題也日益顯現，如載荷增大後，會發生漏磁現象、鐵耗和銅耗增加。電力變壓器在運行過程中的能耗主要包括空載損耗和負載損耗，前者可以通過空載實驗獲得相關數據，而後者與負載有直接關係，可通過負載實驗進行研究。因此，電力變壓器在設計過程中往往需要綜合考慮兩者之間的優化比例，既要保證空載損耗不至過大，又要降低負載損耗。在工業生產中散裝物料的運輸處理占據了能源消耗的很大比例。散裝物料的運輸處理中，帶式傳輸機運輸處理效率高，是物料運輸處理的主要設備，帶式輸送機的節能應引起足夠的重視。所以，針對帶式輸送機的節能研究也是很多研究人員研究的熱點。帶式傳輸機的技術優化同時也被列為我國節能減排計劃中的一部分，同時更是對企業提高經濟效益有重要的幫助。根據相關資料，帶式傳輸機系統的研究基本是從以下幾個方面來進行優化：結構參數的優化、運行阻力的減小、提高系統的效率。其中帶式傳輸機的效率提高方面，主要是通過加入具有高效率的設備來完成的。在這裡舉個例子，利用較小阻力的帶式傳輸機可以明顯減小系統在運行過程中的主動阻力和傳送過程中引起的壓陷阻力，進一步減小發動機的功率以及用電量，最終完成節能的目的。同時如果系統中加入的電機是經過精密設計的高效率電機，這也可以大大降低電機在工作狀態下產生的各種能耗。總起來說，對該系統設備的節能設計需要更多的前期投入，並且節能效果是否明顯，也根據不同的設備有不同的效果。但是，在對該系統的研究層面，當下研究人員主要是採用對電機的速度進行控制以便調高設備填充率進而實現系統節能。
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1.2 掘進電氣設備節能國內外現狀
當今世界上有很多研究人員都在研究變壓器的節能方法，希望通過研究和實踐工作降低能耗，提高變壓器的工作效率，降低變壓器在對電壓變換過程中的電磁損耗，研究變壓器中導磁體的材料，改善變壓器的電磁環境。美、日、英、德等國採用 IEC76 國際標準通過對變壓器性能的細分，對其功能的細緻研究，提高了變壓器的功率因數，改善了變壓的效率，在變壓器的節能技術方面取得了顯著的成果。在變壓器的節能方法中，最常用的方法是通過改變變壓器中的硬體參數和矽鋼片的成分以及降低諧波電流等方式來改善變壓器周圍的磁場分布從而降低諧波損耗，提高了它的功率因數，實現節能的目的，但是這種方法有一定的局限性，它只能夠對固定型號的變壓器進行研究，而世界上變壓器的型號很多，並且每個變壓器的參數都不盡相同，這種方法不能夠廣泛的普及。上世紀七十年代，奧地利科學家在對變壓器進行計算時，忽略了電流的集膚效應，從其他方面對變壓器進行更加精確的計算方法；隨後德國學者忽略了集膚效應對於變壓器磁場的影響，運用數學建模的方法取得了變壓器中各個參數在不同頻率的影響下的轉換情況，並總結出了相應的規律。後來我國某研究院將γ型電路引入到了變壓器的諧波計算中，從而構建了變壓器諧波的簡化模型，提供了一種更加有效的監控方法[1]。
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第 2 章 變壓器的耗能因素與節能方法
2.1 礦用變壓器的分類及特點
礦用變壓器分為普通型和隔爆型兩種，裝置具有成套的、可移動、變電等特點，通過變比來改變電壓與電流的大小，在礦井等危險的地方使用比較多，因為礦井中含有甲烷等易爆炸危險氣體[6]。礦用變壓器一般將6kV，10kV的電壓等級降壓至400(380)、693(660)、1200(1140)、3450(3300)V等煤礦所需的電壓等級。礦用變壓器一般外殼為波紋狀，所以其散熱性較好，另外礦用變壓器的機械性能比較好，溫升比較低。一般採用矽鋼片作為礦用變壓器的鐵芯，空載時的電流較小，噪聲比較小，空載時的能耗較低。使用較好的絕緣材料和結構，可以滿足礦用變壓器在高溫條件下滿負荷工作的需要，具有較好的熱穩定性。
2.1.1 普通礦用變壓器及特點
普通礦用變壓器多用於含有瓦斯等易爆氣體的高危場合，普通的礦用油浸式變壓器主要用於動力和照明，它與普通油浸式變壓器的區別在於外殼與進出線的設置，兩者的工作原理和內部結構相同。當前在礦用領域使用較多的變壓器為KS7、KS9系列，均具有低能耗的特點，在結構上，KS7較普通變壓器的區別在於：前者的具有較為堅固的油箱，具有較好的機械強度。另外其油枕安裝在油箱的上部，有效防止了油管堵塞而產生的爆炸。油麵的高度未滿，防止油麵受熱後溢出油箱。吸濕器、注油塞、吊環安裝在油箱的頂端，以便注油及吸收油箱內的濕氣。變壓器油受熱後產生的空氣可以通過注油塞上的氣孔排出，將接線盒密封后，分別設置在油箱的兩側。6個接線柱設置在低壓側，3個設置在高壓側，用戶可以選擇星形還是三角形連接。低壓側額定電壓為693伏、400伏的變壓器容量一般小於200千伏安。低壓側1200伏、693伏的變壓器容量一般在315千伏安以上。變壓器高壓側設有±5%分接頭，用於二次調壓，當變壓器二次側的輸出電壓長時間較低時，可以將分接頭調至-5%，若輸出較高，則採用+5%的分接頭，由於分接頭不具有滅弧措施，故其調整要在停電以後進行。分接頭切換的步驟為：先斷開低壓開關，再斷開高壓電源，然後可以切換分接頭。採用冷軋矽鋼片作為變壓器的鐵心，可以減少變壓器的短路和空載損耗。變壓器絕緣的高度可以調整以便緊急情況下用於散熱。以上變壓器作為一般礦用變壓器，易放置在通風較好的井下變電硐室，作為低壓動力設備進行供電[7]。
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2.2 諧波影響下的隔爆變壓器損耗
變壓器作為動力和照明電源設備，廣泛用在礦井配電系統中。其通過繞組的匝數比對電壓或者電流的大小進行改變，在當今社會中，變壓器的容量及額定電壓等級較多，足以滿足礦業生產的需要。礦用變壓器容量一般是發電機容量的 2-3 倍，且前者的效率較好，然而由於使用數量很大，其損耗問題變得越來越突出[8]。變壓器自身會產生一部分的諧波，而諧波對電網的影響是不可小覷的，在煤礦開採中，諧波的存在使得礦用電能質量下降，對採礦業造成了很大的影響。高質量的電能是三相對稱的正弦交流電，電壓相等，頻率波動範圍在很小範圍內，當電流的受到外界干擾時，其自身的波形會偏離正常值，電能的質量出現一定程度的下降。尤其是當負荷中含有較多的非線性負載時，系統的電流就會出現反常的變化，即畸變，導致諧波產生。在諧波較大的情況下，礦井配電系統會受到劇烈的影響，除了損耗增加，還有可能出現效率降低以及設備損壞情況，嚴重影響了採礦工人的人身安全。礦井中用電設備在使用過程中會產生大量的諧波，這在一定程度上給系統的供電造成了污染，影響其正常工作。諧波會使變壓器的損耗及噪聲增大；諧波次數高、頻率上升會使配電系統線纜流過的電流減小，容易使電容和電感發生串、並聯諧振，擊穿用電設備。在配電系統中，諧波通過使變壓器產生大量的能量損耗，從而導致變壓器的結構部件發熱，這裡的能量損耗包括雜散損耗以及銅耗[9]。另外，諧波的出現會直接導致變壓器震動產生噪聲污染，自身的容量下降等問題。溫升問題一定程度上使變壓器的壽命縮短。雜散損耗決定了變壓器鐵心的附加溫升，頻率的升高會使得渦流損耗和磁滯損耗都增加，而且前者產生的損耗較後者產生的損耗大。在對鐵耗和銅耗進行計算時，通常計及渦流效應。變壓器的諧波損耗使得其自身的容量降低。供配電系統受諧波的影響很大，首先其能使電能的利用率下降；其次，電氣設備因受熱而老化速度加快，壽命縮短[10]。再者，當設備的運行效率下降時，常常會伴隨著系統的故障甚至設備的損壞。在通信領域中，一些通信或者電子設備也會受到不同的程度的干擾。故諧波的抑制是供電系統中一項必不可少的措施。
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第 3 章 輸送機的節能設計.......14
3.1 帶式輸送機的分類及特點 ......14
3.2 帶式輸送機的節能運行分析..............15
3.3 帶式輸送機結構參數的選取 .............20
3.4 帶式輸送機結構參數對驅動功率的影響......23
3.5 霍爾辛赫礦井帶式輸送機的設計 ......26
3.6 本章小結 ..........31
第 4 章 變頻電動機的應用.......32
4.1 電動機節能控制的意義 ..........32
4.2 電動機節能的現狀 ......32
4.3 交流變頻調速的主要工作原理 .........33
4.4 電機效率變化對變頻改造節能效果的影響.............34
4.5 本章小結 ..........38
第 5 章 基於改進的 BP 神經網絡掘進機節能研究....39
5.1 BP 神經網絡原理.........40
5.1.1 神經網絡模型.......40
5.1.2 反向傳播 BP 神經網絡算法 .......41
5.2 改進的 BP 神經網絡算法........45
5.3 神經網絡預測應用.......45
5.4 本章小結 ..........50
第 5 章 基於改進的 BP 神經網絡掘進機節能研究
在礦井中，我們國家單位產煤耗電量巨大，井下開採工作的耗電量占整個煤礦企業的 90%以上[41]。又因為我國是採煤大國，在整個採煤行業中，總的耗電量十分驚人，因此，對煤礦業的節能改造就非常有必要。煤礦業的井下用電主要來源於大型設備的消耗，節約能耗不僅可以降低煤礦企業的成本費用，還可以延長用電設備的壽命。在本文第二、第三、第四章分別對掘進工作面中的變壓器、帶式輸送機及電動機的工作性能、功率負荷進行了分析和計算，並且針對三者的使用進行了布局的節能措施，降低損耗，提高使用效率，以達到節能的目的，在本章中，主要圍繞掘進機的使用進行節能控制。在本文選擇的礦井中，主要分析的是 3#礦井，包括一個綜放工作面、一個綜采工作面、兩個掘進工作面，在總體的耗電量中，掘進工作面中的掘進設備耗電量占很大的比例。其中掘進工作面中的掘進機耗電量約占整個工作面耗電量的百分之五十，因此針對掘進機設備採取節能措施就非常重要。在其電能消耗中，用於電機消耗的電能可達到總耗能的百分之六十七以上。電機的啟動電流很大，其尖峰電流可以造成整個煤礦配電系統的波動，還會造成機械設備的發熱情況，引起電阻的增大，增加設備的耗電能量。根據公式 P=UI=I2R 可知，當電流增大時，電壓降增高傳輸線路的損耗就會增大。在掘進設備使用過程中因忽視維修等因素造成的短路故障等也會引起電流的增加，造成電壓不穩定，增加壓降，增加有功損耗。因此降低有功功率損耗，是節約能耗，達到節能的有效措施之一。又因為功率損耗主要是由電壓降引起的，因此減小功率損耗，節約電能，就是對電壓波動採取穩壓措施。在本文中，採用改進的 BP 神經網絡算法用來估計預測電壓的未來值，保證電壓的穩定輸出，以達到節能的效果。通過該網絡不斷地用訓練樣本對其電壓進行訓練，對其權值進行調整，以保證輸出的電壓結果最優。對電壓的精準預測，可以消除該系統中其他干擾因素的影響，降低這些因素對輸出電壓造成的波動，有利於電壓的穩定輸出。神經網絡的自學習能力很高，可以根據反饋信息不斷地調整輸入層與隱含層、隱含層與輸出層的權值大小，使整個網絡保證電壓的最優輸出，即預測值與真實值之間的差距最小[42]。神經網絡還有很強的自適應能力，能依據誤差或者均方誤差及時的對步長做出相應的調整，當誤差增大時，能夠減小步長，使其以逐漸減小的數值的對網絡進行調整，讓網絡的結構達到最優。該網絡通過不斷用訓練和測試樣本對系統進行學習，得到隱含層在輸入數據和輸出數據之間調整權值的關係[43]。這種關係不需要知道構建系統的模型，只需用輸入和輸出數據不斷地對其進行訓練和學習，就能使輸入和輸出數據逐漸接近[44]。基於 BP 神經網絡的非線性映射特點，很多領域都將其引入到自己的研究與使用中，受到學者們越來越多的追捧。
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總結
煤炭是工業生產和生活無可替代的能源，與人類生存息息相關。中國是煤業開採大國，每噸煤所消耗的電量十分巨大。為了相應科學發展觀，煤炭開採需要採取節能措施來降低電能消耗。在煤炭開採過程中，電能的消耗主要來自井下電氣設備的能耗，因此，礦井節能主要是提高煤礦井下掘進機械設備的節約電能的能力。本文主要是在山西霍爾辛赫礦井背景下，分析了煤礦中的電能消耗情況。響應國家節能減排的號召，在高能耗的煤礦業中對設備的節能措施展開了研究，尤其是大型用電設備掘進機電設備的能耗，主要包括變壓器、帶式輸送機、電機和掘進機四個方面展開論述。從諧波對變壓器的耗能影響、帶式輸送機各參數對自身的消耗電能的影響和變頻電動機變頻技術的節能三方面展開論述，並用改進的 BP 神經網絡對掘進機的電壓進行預測。本文首先概述了研究的背景及其國內外發展現狀。然後從變壓器、煤炭輸送機和電動機三個方面對煤礦掘進機電設備進行了能耗使用分析，指出在設備使用過程中，有很大的電能浪費。為後面設備的節能論證提供了理論依據和研究目的意義。在第二章介紹了礦用變壓器的分類，依據選用的礦井為背景，主要分析了隔爆乾式變壓器的使用容量及該變壓器的使用場合，通過該變壓器在混合有甲烷氣體和煤塵環境中具有防爆的功能選為本礦井中主要使用的變壓器類型。此外還以變壓器節能的角度，闡述了諧波產生的原因及對變壓器損耗的影響，包括磁滯損耗、渦流損耗、繞組損耗。並且針對產生的損耗，提出了諧波治理方法及針對隔爆變壓器常用的節能方法。依據提出的節能措施，通過對綜掘工作面負荷量的計算選擇了本文中的使用變壓器的類型，選擇的變壓器為節能隔爆乾式變壓器。在第三章主要介紹的是煤礦中選用的帶式輸送機的節能設計。詳細介紹了帶式輸送機的分類和特點，並對影響輸送機功率的因素展開了討論。分別從帶寬、帶速和輸送帶覆蓋層厚度三方面闡述其對電能消耗的影響，為本文選取合適的節能的用電設備提供了理論依據。結合上述三部分，依據節能要求，對本文選用的帶式輸送機的參數進行選擇，敘述了輸送機的布置情況和最後的設備選型，使得在滿足礦井要求的前提下，達到節能的目的。
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參考文獻（略）
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