變頻調速技術在礦井通風系統控制中的應用研究

摘 要:作為礦井生產中必不可少的機電設備，通風系統既擔負著輸送新鮮空氣、改善井下環境的重要作用，也是作業條件下主要的能耗機械之一，近年來，通風系統的節能控制已逐漸成為了礦井技術研究的熱點問題之一。本文分析了目前礦井通風系統的幾種主要節能方法，并重點詳述了變頻調速技術的工作原理和實現途徑，對提高礦井通風系統的自動化控制水平，確保煤礦生產的低碳節能運行提供了指導。

關鍵詞:礦井設備 通風系統 變頻調速技術 節能

中圖分類號:TD44文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2012)07(a)-0080-01

1 礦井通風系統的節能方法及其重要作用

1.1 通風系統的運行特點

目前礦井通風系統均具有服務時間長、能耗高的特點，且其送風量與實際需要常存在出入，這主要是由于通風設計是以井下人員數量、瓦斯情況、巷道阻力等因素為依據的，但預測瓦斯量往往大于實際情況，預計通風網絡的阻力特性曲線也與常與實際不同，此外，通風需求還常因井下勞動生產率、采煤方式、產量變化以及掘采工作面的推移等發生變化，風扇若始終以定量形式送風，顯然不能適應變化的生產環境。因此應根據實際需要對風量進行調節，并使通風機與電動機的容量規格留有余量，滿足經濟運行與安全運行的需要。

1.2 設備節能控制的重要性及其主要方法

為保證礦井生產經濟可持續發展的目標，通風、水泵等大功率設備的節能降耗就必須得到充分的重視。作為礦井生產中必不可少的機電設備，通風系統既擔負著輸送新鮮空氣、改善井下環境的重要作用，也是作業條件下主要的能耗機械之一，近年來，通風系統的節能控制已逐漸成為了礦井技術研究的熱點問題之一，技術改進的原則是在保證通風效果與工作面安全的基礎上，對供風量進行調節，提高風機的運行效率。

風機風量調節的主要方式包括:(1)液力耦合。即利用液體傳遞扭矩，在電機與負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調，通過液面的高低調節耦合力以改變風機轉速，但具有占地多，效率低、調速范圍窄等缺點;(2)串級調速。串級調速利用繞線式異步電動機，將轉子繞組的一部分能量通過整流、逆變再送回電網，但此法調速范圍仍然不高，且電機更換頻繁、維護工作量大，功率因數也不高。(3)變頻調速。變頻調速技術是通過變頻器將電網交流電轉化為電壓、頻率皆可調整的交流電，并以此控制電動機在變速狀態下運行。該技術的特點是調速范圍寬、結構簡單、保護功能齊全、效率高、穩定性好，并能在生產過程中獲得理想的速度參數，是目前發展前景最被看好的調速節能方法。

2 變頻調速技術的工作原理分析

根據電機學原理，異步電動機的轉速應符合:

n1=60fp

式中n1代表同步轉速，r/min;f代表電源頻率，Hz;而p代表磁極個數。

且異步電動機的轉速與轉差率關系為:

n2=120f(1－s)p

式中n2表示異步電動機的轉速，r/min;s則代表轉差率。

可見異步電動機轉速是由電源頻率f、磁極個數p與轉差率s共同決定的，實踐中通常以改變電源頻率實現對電動機的調速控制，電源頻率越高，電動機轉速越高，反之，當需風量下降時，調低電源頻率電機轉速即會降低。作業中還可以通過異步電動機與油泵的一體化調節電源頻率，改變電機轉速以實現恒壓供油和油泵系統的變頻調速。

3 變頻調速技術的實現

要實現變頻調速技術在礦井風機系統中的有效控制，首先應優選電動機與變頻器。礦井通風特點要求通風系統具有較大容量，因此應依據實際需要選擇3kV～6kV的中壓電動機，變頻改造中可視情況保留原有電動機，并依據其電壓和容量選擇相應的中壓變頻器。由于通風設備低速運行時，通常負載較輕，對過載能力要求不高，且負載對轉速精度的要求也較低，因此可采取成本經濟的普通功能型通用變頻器，即可滿足生產要求。

應注意的是，通用變頻器大多采用SPWM調制，因此異步電動機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機的損耗，使電動機的效率和功率因素變差。故在選型時，要盡量選取高次諧波小的類型。

此外，變頻調速技術的應用還應重視對頻率信號的控制以及通風系統低速運行時的散熱問題。以礦用通風機為例，變頻調速處于額定轉速的75%～100%為宜，其最小轉速可根據實際通風管道的管路特性曲線進行確定;而井下環境的信號干擾較大，頻率信號控制器宜選用PLC設備，通過遠程通信實現可靠的轉速控制。而采用通用變頻器控制鼠籠式異步電動機時，通用標準鼠籠式異步電動機的散熱能力是由額定轉速決定的，且冷卻風機與電動機同軸條件下須考慮冷卻風量。變頻器調速中電動機轉速降低，冷卻風量自動減小，散熱能力變差。因此，應設置單獨的恒速冷卻風扇，保障電動機低速運行的散熱能力。

4 運行效果分析

通過一段時間的實際運行可以發現，變頻調速技術的節電效果顯著。采用高壓變頻調速裝置后，風機效率通常可提高到78%以上，節電則可達15%～45%。變頻器根據調節頻率來實現電機的調速，可實現動態自動控制，無需停機調整，對礦井精確配風，確保礦井通風安全。變頻調速減小了對電網的沖擊，采用高壓變頻調速裝置后，通風系統實現了軟起動，電機起動電流不超過額定電流，起動時間延長，對電網無沖擊，并延長電機及風機的壽命。變頻調速也使起動平穩、低速運行，風機的振動、噪聲和溫度明顯降低，有效地延長了檢修同期，減少了維修維護量，節約了費用。此外，在變頻技術相當成熟的今天，變頻設備是作為單獨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，只需直接購買并接入電路，再進行相應的軟件設置即可，所需時間短，可靠性強，安裝方便，甚至可在正常生產維修的間隙完成。

5 結語

綜上所述，由于變頻調速技術可改變礦井通風系統的性能曲線，使其在負載運行狀態下始終保持著高效、平滑、穩定的工作狀態，提高了系統的通風效率，節能效果大大優于其他傳統節能方法。目前我國大量礦井的風機運行與設計目標存在偏差，能耗量巨大，因此應通過對變頻調速技術的推廣加快舊風機的節能改造，以響應國家的降耗減排政策，更好地實現企業的經濟利益與社會效益。

參考文獻

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