變頻調速在降低通風機能耗中的應用

殷基林，劉德成，廖松保，程小偉

（永城煤電控股集團有限公司陳四樓煤礦，河南永城 476600）

0 引言

礦井通風機是煤礦的主要耗能設備之一，據有關資料顯示，在煤炭行業，通風機的能耗占其總能耗的35%左右。目前，我國煤炭行業使用通風機的數目較多，且普遍存在運行效率低下的問題，在實際的生產運行中效率很少達到70%，一般的只在50%左右，從而造成能源的巨大浪費。當前，我國的經濟飛速發展，對能源的需求大大增加，煤礦風機作為耗能大戶，降低其能耗不僅能降低煤礦生產成本產生直接經濟效益，而且對整個國民經濟的可持續發展和環境保護也具有深遠的意義。

1 通風機調速節能分析

1.1 風機參數及特性曲線

通風機的主要參數有五個：風量（Q）、風壓（H）、功率（P）、效率（ η）、轉速（N），其中風量、風壓和功率與轉速有如下制約關系[1]：

上式表明：風量Q 與轉速N 的一次方成正比；風壓H 與轉速N 的平方成正比；功率P 與轉速N的三次方成正比。

將通風機主要參數之間的關系用圖形表示，即風機的特性曲線（Q-H曲線），如圖1所示。

圖1 變頻調速節能原理示意圖

圖1 中：R1、R2表示井下通風網阻力特性曲線；N1、N2表示轉速為N1、N2時的Q－H曲線；η為風機效率。

1.2 變頻調速技術介紹

變頻調速技術是通過改變電動機工作電源而改變電動機的轉速。其理論依據是[2]：

其中：N 為電機轉速；s 為電機轉差率；p為電機磁極對數；f 為輸入電源頻率。

可以看出當轉差率s和磁極對數p一定時，改變輸入電源的頻率f就可以調節電動的轉速n。風機調速就是用變頻調速器來調節風機的電動機的轉速。采用變頻技術后電機輸入功率與輸入電流頻率之間關系如圖2所示。

圖2 電機輸入功率與頻率關系圖

1.3 變頻調速節能分析

風機調節是由于井下不同生產時期需風量不同，為了滿足井下風量的要求必須要調節風機的工況點。從理論上可以從以下三個方面實現風機工況點的改變：改變風機自身的特性曲線、改變通風網路的風阻特性曲線以及兩者相結合。具體的方法有兩種：（1）風機恒速調節，這種方法主要是調節通風網路的風阻；（2）風機變速調節，該方法主要是改變風機自身的特性來實現工況點的改變。

圖1中曲線a為通風機進風道的調節閥門全開時通風網路的風阻特性曲線，c為電動機轉速為N1時風機的Q-H 曲線，Q1為風機調節前的風量；曲線b 為通風機進風道的調節閥門關小時通風網路的風阻特性曲線，c 為電動機轉速為N2時風機的Q-H 曲線，Q2為根據井下生產調節后的風量。將風量從Q1調到Q2有兩種方案：方案一采取措施增大通風網路的風阻使風阻特性曲線從R1變到R2；方案二網路的風阻不變使電動機的轉速從N1調到N2。這兩種方法都可以滿足生產的要求，但是二者之間存在很大的差別。采用第一種方案調節后風機的工況點位B 點；采用第二種方案后風機的工況點變成C點。

本文設工況點B 和C 的參數分別為（Q2，HB，ηB）、（Q2，HC，ηC）。可以看出HB＞HC、ηB＞ηC，它們的風量相等。根據通風機軸功率計算公式：

p=λQH/η

其中：λ—流體的容重。

從上式可以得出：風機的軸功率與Q、H 的乘積成正比，風機在工況點A 運行時，軸功率與四邊形AHA0Q1的面積成正比，當通過改變通風網路的風阻特性曲線后，風機的工況點為B，該點壓力HB較A 點反而增大了，其軸功率與四邊形BHB0Q2的面積成正比，從圖1中可以明顯地看出兩點的軸功率變化不大；通過變頻調速后，風機的工況點為C，該工況點的壓力HC明顯的降低了，其軸功率與四邊形CHC0Q2的面積成正比，可以看出四邊形CHC0Q2的面積明顯比四邊形BHB0Q2的面積小，圖1中所示陰影部分的面積就是采用變頻調速技術所節約能耗的比例，因此節能效益相當顯著。也就是說在輸出風量一定的情況下，通過變頻調速的方式可以降低軸功率的消耗。

在實際現場應用中常用下面的近似計算公式[3]計算軸功率：

P=QH/102，

則：

C點的軸功率與B點的軸功率之差為：

該計算結果表明：在獲得同樣風量的條件下，采用變頻調速技術調節風機的工況點比采用傳統的增大通風網路風阻的辦法少耗電△p，這與前面對圖1的分析結果保持一致。同時，從圖1上還可以看出：調節后的風量越小，采用網路調節時風阻越大，損失的軸功率就越大；而采用變頻調速所消耗的軸功率就越小，就越體現了變頻調速技術的優勢[4]。

2 變頻調速的應用及優點

2.1 變頻調速技術的應用

從圖1 中可以看出采用變頻調速后，風機的效率較采用增加通風網路的調節方法有所降低，但是現場的實際應用證明：雖然調速以后效率有所降低，但是大大的減少了軸功率的消耗，節能效果仍然十分明顯。表1 是陳四樓煤礦綜掘四隊壓入式局部風機在技術改造前后風機運行的性能參數，該礦在技術改造中在風機上增加了變頻調速系統。

表1 輸入功率相同時的風量比較結果

從表1 可以看出在投入變頻器后，在保證供風量不變的情況下輸入功率減小了5.8 kW，從而降低了風機能耗。

2.2 變頻調速技術的優點

（1）節能顯著，許多礦井改造中都表明使用變頻器后可以大大降低通風耗電成本。

（2）使用變頻調速技術后可以實現軟啟動，啟動平穩。現場經驗表明啟動過程中最大電流不會超過額定電流的1.2倍，而且在啟動過程中沒有噪音和劇烈振動，也沒有電流沖擊。從而可以延長電器元件的壽命。

（3）提高井下作業的安全系數，把變頻器的控制系統與瓦斯監測系統聯網，當井下發生瓦斯涌出時，通過瓦斯監測系統自動改變變頻器的工作頻率，使風機轉速自動提高，增大供風量，沖淡工作面的瓦斯。

（4）變頻調速技術還有其他很多方面的優點。風機的轉速越高，風機的啟動電流就越大，可以采用變頻技術，在低頻條件啟動，直到風機運行穩定后再調到所要的頻率以滿足生產需要。

3 結語

變頻調速技術應用于風機，節能效果十分顯著，如果將變頻調速系統在通風機上推廣使用，將會在很大程度上降低煤炭生產的能耗，產生巨大的經濟效益。不僅如此，變頻調速器與煤礦上其他系統（如安全監測監控系統）相耦合，可以根據井下的工作環境的參數實時調節通風機的風量，以滿足生產的要求。這樣不僅大大降低了風機的能耗，給煤礦帶來了可觀的經濟效益，還提高了井下工作環境的安全系數。同時變頻調速技術的應用可以實現用計算機來自動調節風機風量，實現風量調節智能化，變頻調速技術把數字化礦山的建設又向前推進了一步。

［1］王德明，周福寶.礦井通風與安全新技術［M］.徐州：中國礦業大學出版社，2002.

［2］丁斗章.變頻調速技術與系統應用［M］.北京：機械工業出版社，2005.

［3］張少春，秦喜文.利用變頻技術實現風機節能［J］.技術經驗，2000（4）：44-46.

［4］吳建華.礦用通風機變頻節能技術研究［J］.露天采礦技術，2010（4）：68-69.

［5］趙俊文.變頻調速技術在煤礦主通風機的中應用［J］.情報科技開發與經濟，2007（33）：38-41.