變頻調(diào)速技術(shù)在礦井通風(fēng)系統(tǒng)控制中的應(yīng)用研究

摘 要:作為礦井生產(chǎn)中必不可少的機(jī)電設(shè)備，通風(fēng)系統(tǒng)既擔(dān)負(fù)著輸送新鮮空氣、改善井下環(huán)境的重要作用，也是作業(yè)條件下主要的能耗機(jī)械之一，近年來，通風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能控制已逐漸成為了礦井技術(shù)研究的熱點(diǎn)問題之一。本文分析了目前礦井通風(fēng)系統(tǒng)的幾種主要節(jié)能方法，并重點(diǎn)詳述了變頻調(diào)速技術(shù)的工作原理和實(shí)現(xiàn)途徑，對提高礦井通風(fēng)系統(tǒng)的自動(dòng)化控制水平，確保煤礦生產(chǎn)的低碳節(jié)能運(yùn)行提供了指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞:礦井設(shè)備 通風(fēng)系統(tǒng) 變頻調(diào)速技術(shù) 節(jié)能

中圖分類號(hào):TD44文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2012)07(a)-0080-01

1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能方法及其重要作用

1.1 通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)

目前礦井通風(fēng)系統(tǒng)均具有服務(wù)時(shí)間長、能耗高的特點(diǎn)，且其送風(fēng)量與實(shí)際需要常存在出入，這主要是由于通風(fēng)設(shè)計(jì)是以井下人員數(shù)量、瓦斯情況、巷道阻力等因素為依據(jù)的，但預(yù)測瓦斯量往往大于實(shí)際情況，預(yù)計(jì)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的阻力特性曲線也與常與實(shí)際不同，此外，通風(fēng)需求還常因井下勞動(dòng)生產(chǎn)率、采煤方式、產(chǎn)量變化以及掘采工作面的推移等發(fā)生變化，風(fēng)扇若始終以定量形式送風(fēng)，顯然不能適應(yīng)變化的生產(chǎn)環(huán)境。因此應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要對風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，并使通風(fēng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)的容量規(guī)格留有余量，滿足經(jīng)濟(jì)運(yùn)行與安全運(yùn)行的需要。

1.2 設(shè)備節(jié)能控制的重要性及其主要方法

為保證礦井生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)，通風(fēng)、水泵等大功率設(shè)備的節(jié)能降耗就必須得到充分的重視。作為礦井生產(chǎn)中必不可少的機(jī)電設(shè)備，通風(fēng)系統(tǒng)既擔(dān)負(fù)著輸送新鮮空氣、改善井下環(huán)境的重要作用，也是作業(yè)條件下主要的能耗機(jī)械之一，近年來，通風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能控制已逐漸成為了礦井技術(shù)研究的熱點(diǎn)問題之一，技術(shù)改進(jìn)的原則是在保證通風(fēng)效果與工作面安全的基礎(chǔ)上，對供風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，提高風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率。

風(fēng)機(jī)風(fēng)量調(diào)節(jié)的主要方式包括:(1)液力耦合。即利用液體傳遞扭矩，在電機(jī)與負(fù)載間串入液力耦合裝置，裝置中的渦輪、泵輪與勺管等相互協(xié)調(diào)，通過液面的高低調(diào)節(jié)耦合力以改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，但具有占地多，效率低、調(diào)速范圍窄等缺點(diǎn);(2)串級調(diào)速。串級調(diào)速利用繞線式異步電動(dòng)機(jī)，將轉(zhuǎn)子繞組的一部分能量通過整流、逆變再送回電網(wǎng)，但此法調(diào)速范圍仍然不高，且電機(jī)更換頻繁、維護(hù)工作量大，功率因數(shù)也不高。(3)變頻調(diào)速。變頻調(diào)速技術(shù)是通過變頻器將電網(wǎng)交流電轉(zhuǎn)化為電壓、頻率皆可調(diào)整的交流電，并以此控制電動(dòng)機(jī)在變速狀態(tài)下運(yùn)行。該技術(shù)的特點(diǎn)是調(diào)速范圍寬、結(jié)構(gòu)簡單、保護(hù)功能齊全、效率高、穩(wěn)定性好，并能在生產(chǎn)過程中獲得理想的速度參數(shù)，是目前發(fā)展前景最被看好的調(diào)速節(jié)能方法。

2 變頻調(diào)速技術(shù)的工作原理分析

根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)符合:

n1=60fp

式中n1代表同步轉(zhuǎn)速，r/min;f代表電源頻率，Hz;而p代表磁極個(gè)數(shù)。

且異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)差率關(guān)系為:

n2=120f(1－s)p

式中n2表示異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min;s則代表轉(zhuǎn)差率。

可見異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是由電源頻率f、磁極個(gè)數(shù)p與轉(zhuǎn)差率s共同決定的，實(shí)踐中通常以改變電源頻率實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制，電源頻率越高，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高，反之，當(dāng)需風(fēng)量下降時(shí)，調(diào)低電源頻率電機(jī)轉(zhuǎn)速即會(huì)降低。作業(yè)中還可以通過異步電動(dòng)機(jī)與油泵的一體化調(diào)節(jié)電源頻率，改變電機(jī)轉(zhuǎn)速以實(shí)現(xiàn)恒壓供油和油泵系統(tǒng)的變頻調(diào)速。

3 變頻調(diào)速技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

要實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速技術(shù)在礦井風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中的有效控制，首先應(yīng)優(yōu)選電動(dòng)機(jī)與變頻器。礦井通風(fēng)特點(diǎn)要求通風(fēng)系統(tǒng)具有較大容量，因此應(yīng)依據(jù)實(shí)際需要選擇3kV～6kV的中壓電動(dòng)機(jī)，變頻改造中可視情況保留原有電動(dòng)機(jī)，并依據(jù)其電壓和容量選擇相應(yīng)的中壓變頻器。由于通風(fēng)設(shè)備低速運(yùn)行時(shí)，通常負(fù)載較輕，對過載能力要求不高，且負(fù)載對轉(zhuǎn)速精度的要求也較低，因此可采取成本經(jīng)濟(jì)的普通功能型通用變頻器，即可滿足生產(chǎn)要求。

應(yīng)注意的是，通用變頻器大多采用SPWM調(diào)制，因此異步電動(dòng)機(jī)的定子電流中不可避免地含有高次諧波成分，高次諧波增加了電動(dòng)機(jī)的損耗，使電動(dòng)機(jī)的效率和功率因素變差。故在選型時(shí)，要盡量選取高次諧波小的類型。

此外，變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用還應(yīng)重視對頻率信號(hào)的控制以及通風(fēng)系統(tǒng)低速運(yùn)行時(shí)的散熱問題。以礦用通風(fēng)機(jī)為例，變頻調(diào)速處于額定轉(zhuǎn)速的75%～100%為宜，其最小轉(zhuǎn)速可根據(jù)實(shí)際通風(fēng)管道的管路特性曲線進(jìn)行確定;而井下環(huán)境的信號(hào)干擾較大，頻率信號(hào)控制器宜選用PLC設(shè)備，通過遠(yuǎn)程通信實(shí)現(xiàn)可靠的轉(zhuǎn)速控制。而采用通用變頻器控制鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)時(shí)，通用標(biāo)準(zhǔn)鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的散熱能力是由額定轉(zhuǎn)速?zèng)Q定的，且冷卻風(fēng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)同軸條件下須考慮冷卻風(fēng)量。變頻器調(diào)速中電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低，冷卻風(fēng)量自動(dòng)減小，散熱能力變差。因此，應(yīng)設(shè)置單獨(dú)的恒速冷卻風(fēng)扇，保障電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行的散熱能力。

4 運(yùn)行效果分析

通過一段時(shí)間的實(shí)際運(yùn)行可以發(fā)現(xiàn)，變頻調(diào)速技術(shù)的節(jié)電效果顯著。采用高壓變頻調(diào)速裝置后，風(fēng)機(jī)效率通常可提高到78%以上，節(jié)電則可達(dá)15%～45%。變頻器根據(jù)調(diào)節(jié)頻率來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)自動(dòng)控制，無需停機(jī)調(diào)整，對礦井精確配風(fēng)，確保礦井通風(fēng)安全。變頻調(diào)速減小了對電網(wǎng)的沖擊，采用高壓變頻調(diào)速裝置后，通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了軟起動(dòng)，電機(jī)起動(dòng)電流不超過額定電流，起動(dòng)時(shí)間延長，對電網(wǎng)無沖擊，并延長電機(jī)及風(fēng)機(jī)的壽命。變頻調(diào)速也使起動(dòng)平穩(wěn)、低速運(yùn)行，風(fēng)機(jī)的振動(dòng)、噪聲和溫度明顯降低，有效地延長了檢修同期，減少了維修維護(hù)量，節(jié)約了費(fèi)用。此外，在變頻技術(shù)相當(dāng)成熟的今天，變頻設(shè)備是作為單獨(dú)設(shè)備在市場上出售的，通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速改造，原設(shè)備、供電系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)等都不需要變動(dòng)，只需直接購買并接入電路，再進(jìn)行相應(yīng)的軟件設(shè)置即可，所需時(shí)間短，可靠性強(qiáng)，安裝方便，甚至可在正常生產(chǎn)維修的間隙完成。

5 結(jié)語

綜上所述，由于變頻調(diào)速技術(shù)可改變礦井通風(fēng)系統(tǒng)的性能曲線，使其在負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)下始終保持著高效、平滑、穩(wěn)定的工作狀態(tài)，提高了系統(tǒng)的通風(fēng)效率，節(jié)能效果大大優(yōu)于其他傳統(tǒng)節(jié)能方法。目前我國大量礦井的風(fēng)機(jī)運(yùn)行與設(shè)計(jì)目標(biāo)存在偏差，能耗量巨大，因此應(yīng)通過對變頻調(diào)速技術(shù)的推廣加快舊風(fēng)機(jī)的節(jié)能改造，以響應(yīng)國家的降耗減排政策，更好地實(shí)現(xiàn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)利益與社會(huì)效益。

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