變頻調速技術在煤礦通風系統中的應用研究

【摘 要】通過對煤礦礦井通風機運行特性的分析，介紹了變頻調速技術在礦井通風機系統中應用的技術可行性、實施方案和巨大的經濟效益。提出了通風機變頻調速與瓦斯監測系統聯網，防止瓦斯爆炸事故發生的設想。

【關鍵詞】通風機；變頻調速；節能

礦井通風機作為保障礦井安全生產的關鍵設備，必須連續運行，是煤礦中連續運轉的大用電負荷設備。實現礦井通風機的經濟運行，對于節約用電、降低成本有著很重要的意義。

一、通風量調節的方法

礦井通風機及其傳動電機，通常在礦井設計階段選定，其通風量主要由礦井瓦斯涌出量、井下作業人員數量、通風巷道阻力等因素決定。通風機的風量調節，是通過改變通風機本身的特性曲線或改變外部管網特性來進行的。可分為風機恒速時的風量調節和風機變速時的風量調節。（1）通風機恒速時的風量調節。對于軸流式通風機，通過增大葉片安裝角度可以增大風壓，也可以通過改變工作輪的級數或葉輪片數來調節通風量。但這些調節一般需要在風機停機時才能進行，只適合較長階段的風量調節，無法實現通風量的平滑調節和與實際通風量要求的隨動。對于離心式風機，目前都是通過調節通風機口及風道或送風道中閘門的開啟程度，人為地減小風道斷面，增加通風阻力，改變通風管網的特性曲線，最終改變風機運行工況點，實現風量調節。這是一種很不經濟的調節方法。（2）通風機變速時的風量調節。通過改變通風機的轉速，實現通風機特性曲線的改變，從而改變通風量，是離心式通風機節能運行的有效方法。

二、我國煤礦礦井通風機的現狀

礦井通風機是礦井安全生產的關鍵設備，其可靠性要求是第一位的，其次才能考慮經濟運行。由于通風機屬于負荷平穩，起動不頻繁，僅需較小起動轉矩的設備，采用母線供電，交流鼠籠電動機拖動的不調速電控系統，調節風門調節風量的工作方式是最簡單、最可靠的。雖然這種工作方式能耗大，但設備簡單，投資小，可靠性高，維修容易，能滿足煤礦安全生產的需要。而在過去，各種交流調速拖動系統存在一定的缺陷和局限性，直流調速拖動系統又過于復雜和昂貴的情況下，經過技術上和經濟上的比較，我國礦井通風機大多采用交流電動機不調速拖動，調節風門調整風量的工作方式。隨著半導體技術的進步，交流變頻調速技術已日臻成熟。新的交流變頻調速通風機電控系統以其可靠性高，調節方便靈活，節能效果顯著等優點，將成為礦井通風機控制系統發展的方向。

三、變頻調速在礦井通風機上的應用

（1）變頻器的發展。通用變頻器自20世紀80年代初問世以來至今的20多年里，共更新了五代。第一代是20世紀80年代初的模擬式通用變頻器；第二代是20世紀80年代中期的數字式通用變頻器：第三代是20世紀90年代初的智能型通用變頻器；第四代是20世紀90年代中期的多功能通用變頻器；第五代是現在的集中型通用變頻器。通用變頻器的應用范圍不斷擴大，已遍及工業生產的各個行業，甚至進入了家庭。其產品正朝著三個方向發展：向著無需調整便能得到最佳運行的多功能和高性能型發展；向通過簡單控制就能運行的小型化和操作方便方向發展；向大容量、高電壓、高起動轉矩及具有環保功能方向發展。隨著大功率高耐壓半導體器件GTO、IGBT、IGCT技術的成熟，大功率中壓（l～l0kV）變頻器已成為系列產品。俄羅斯電力研究院采用GTO元件生產的變頻器電壓可達4.5～6kV，電流可達4000～6000A，輸出容量可達10MVA。美國Robicon公司生產的分離直流電源多重電源逆變器串聯變頻器，直接以6kV或3kV輸出，輸入輸出波形都接近正弦波。目前我國自制的中壓變頻器也已經通過鑒定，正式投入使用。（2）變頻調速在礦井通風機系統中的使用。方案風機類負載在過載能力方面的要求較低。由于負載轉矩與轉速的平方成正比，所以低速運行時負載較輕。又因為這類負載對轉速的精度沒什么要求，固選用最廉價的普通功能型通用變頻器即可滿足要求。煤礦礦井通風機容量一般較大，電動機一般為中壓電動機（3～6kV）。在技術改造時一般保留原電動機，根據電動機的電壓和容量選用相應的中壓變頻器即可。但鼠籠異步電動機由通用變頻器控制時，由于高次諧波的影響和電動機運行范圍的擴大，將出現一些新問題。在舊設備改造留用原電動機時應注意以下幾點：（1）額定頻率運行時有溫升提高問題。由于變頻器的三相輸出電壓波形都是SPWM波，因此不可避免地在異步電動機的定子電流中含有高次諧波成分，高次諧波增加了電動機的損耗，使電動機的效率和功率因數變差，所以電動機的溫升將會比變頻調速改造前有所提高。高次諧波損耗基本與負載無關。通用變頻器高次諧波分量越小，電動機的溫升也越小。所以在選用變頻器時，要注意選擇高次諧波分量小的產品。（2）電動機運行時出現噪聲增大問題。這是SPWM變頻器的載波頻率與電動機鐵芯的固有諧振頻率發生諧振，引起電動機鐵芯震動而發出的噪聲。如果噪聲過大或對同一控制柜內的其他控制設備有干擾時，可在一定范圍內調整載波頻率，降低噪聲干擾。但應注意，調整載波頻率會對變頻器自身的特性產生影響，要慎重對待。變頻器中逆變部分的SPWM控制信號是具有陡變沿的脈沖信號，會產生很強的電磁干擾，干擾其他設備。電源濾波器和無線電噪聲濾波器的作用就是抑制變頻器的電磁干擾。變頻器輸出端串聯安裝的濾波器還能解決電動機過熱和噪聲問題。交流電抗器和直流電抗器的作用是改善變頻器的功率因數和抑制輸入電路中的浪涌電流，并削弱電源電壓不平衡的問題。直流電抗器一般常配；交流電抗器在供電變壓器容量>500kVA或變壓器容量超過變頻器容量的10倍時考慮配置。（3）低速時的散熱能力問題。通用標準鼠籠異步電動機的散熱能力是按額定轉速且冷卻風機與電動機同軸條件下考慮冷卻風量的。當使用變頻器調速后，電動機轉速降低，冷卻風量自動減小，散熱能力變差。由于電動機的溫升與冷卻風量成反比，所以在額定轉速以下連續運行時，應設置單獨的恒速冷卻風扇，以改善電動機的低速運行散熱能力。

四、變頻調速礦井通風機與瓦斯監測系統聯網的設想

瓦斯一直是困擾煤礦安全生產的大問題，因瓦斯爆炸造成人員傷亡的惡性事故時有發生。根據瓦斯涌出量及時調整通風量沖淡或吸走瓦斯是解決瓦斯濃度過高、易造成事故的基本方法之一。以前由于通風機風量的調節是通過調節通風機葉片的安裝角度或通過控制變頻器很方便地進行調整。把變頻器的控制系統與瓦斯監測系統聯網，當瓦斯涌出量增大時，瓦斯監測系統可以實時控制變頻器調節風道風門進行，只能進行人工調節，不可能按瓦斯涌出量對通風量進行自動調整。對通風機進行變頻調速改造后，風機的通風量可以自動增大通風量，沖淡或吸走瓦斯，防止事故的發生。從上述分析可以看出，變頻調速用于礦井通風機風量調節，不僅技術上可行，而且有很好的經濟效益。在變頻調速技術已相當成熟的今天，變頻器是作為單獨的整體設備在市場上出售的。通風機變頻調速改造，原設備、供電系統、電動機等都不需要變動，只是把變頻器買來，接入電路，在進行相應的軟件設置即可。所需時間短，可靠性強，使用維修方便。改造后不但節能效果顯著，若把變頻器的控制系統與瓦斯探測系統聯網，還可以在瓦斯涌出量增大時自動增大通風量，沖淡瓦斯，防止事故的發生。

總之，通風機變頻調速技術改造，技術成熟，可靠性高，工作量小，在正常生產維修的間隙即可完成，而且可以產生巨大的經濟效益，應在礦業系統中大力推廣。

參 考 文 獻

[1]朱宏，李中華，李繼平．淺析煤礦通風系統優化改造技術的應用．煤炭工程．2008（8）

[2]杜均新．高壓變頻器在煤礦主通風機上的應用．煤礦機械．2008（4）：157～160