變頻技術在煤礦通風機控制中的應用探討

陳茂華

摘 要：通過與傳統的煤礦通風機調速控制技術比較，介紹了變頻技術的優點及應用與煤礦通風機控制系統中的可行性。

關鍵詞：變頻；通風機；安全

1 前言

煤礦巷道的通風系統，在煤礦安全生產中起著至關重要作用，主通風機是保障通風系統的重要設備。由于功率大，晝夜連續運轉，耗電量占煤礦總用電量的15%～20%，有的高達30%。風機的實際工況，取決于風機的特性曲線和礦井的阻力特性曲線。在生產過程中，礦井阻力特性曲線是變化的。隨著煤礦開采及掘進的不斷延伸、巷道延長，所需風量增大；隨著煤礦工作面的減少所需風量也減少。各種交流調速拖動系統有較大局限性，直流調速拖動系統又過于復雜和昂貴，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，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，已經成為礦井通風機控制系統的首選。

2 通風機調節方法

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。可以分為風機恒速時的風量調節和風機變速時的風量調節。

2.1 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。

2.2 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。

由流體力學可知，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，軸功率Ps與轉速n的三次方成正比。即：Q∝n，H∝n2，Ps∝n3。當所需風量減少，風機轉速降低時，其功率按轉速的二次方下降。如所需風量為額定風量的80%，則轉速也下降為額定轉速的80%，而軸功率下降為額定功率的51.2%；當所需風量為額定風量的50%時，軸功率可以下降為額定功率的12.5%。當然，轉速降低時，效率也會有所降低，同時還應考慮控制裝置的附加損耗等影響。即使如此，變速調節的節電效果也是非常可觀的。

3 變頻技術的優點及應用

3.1 變頻技術的優點

起動平穩，無級調速，調速范圍大；工作可靠，能長期穩定運行；有無功就地補償功能，提高功率因數到0.98以上；轉矩補償功能，即保持電壓/頻率為一常數，避免當電源頻率下降，造成電機磁路過飽和，增大勵磁電流使電機負載能力下降，功率因數變小；變頻器自身的保護功能齊全。有輸入電壓不足保護、過流保護、過載保護、短路保護、冷卻散熱片過熱保護、失速的防止和保險絲短路保護等，大大提高了電機運行的可靠性；電機可直接啟動，啟動電流不超過電機額定電流的1.7倍，減少對電網和設備的沖擊；降低電機的噪音和溫升，延長電機使用壽命；操作簡便，改善操作環境、降低工人作業強度。

3.2 變頻技術應用特點

為了實現通風機風量自主控制，在進行煤礦通風機控制系統的變頻技術應用時應考慮以下因素。

⑴可靠安全性能的因素。通過通風機的電器數值來決定最適合的曲線進行加速，這樣做可以取得最好的軟啟動功效。1）依據煤礦需要的風壓與風量的數值大小，對風機的最好葉片位置進行調節，按照通風機的曲線特性選取最好的工況點與轉動速度，最終決定變頻器的使用速率。2）按照有關的規定，煤礦每一年都要進行井下的反風演練，保證通風機在需要時能迅速進行反風操作，為煤礦井下提供充足的反風量。3）變頻器內部基板三防涂層處理及銅條的鍍鎳處理，提高了變頻器環境適應性，適合煤礦應用環境。設定變頻器的工作頻率時，需要對負頻率的范圍進行設置，不需遵循傳統的反風形式。4）通風機要定期進行倒機的切換，能夠方便以后的維護工作。

⑵節約能源的因素。煤礦采用的是性價比較高的變頻控制系統。1）在電動機的異步定電子流中包含了諧波高次的成分，會導致電動機的功率因數發生差異，所以變頻器應采用諧波高次分量比較小的產品。2）電動機要盡量選擇效率較高，能量耗損較低的，這樣做的目的是能夠盡量避免鐵芯的損害。3）選擇變頻的設備時要確保與供電的電壓相同且是直供式的設備，將電網造成的污染減到最小，對高次諧波起到抑制效果，對其他的設施不會構成干擾。4）由于變頻設備允許正常情況下的電壓波動，并且當電網電壓降低較多時不影響運行。所以，在電網出現迅速閃落，高壓電網發生接地的單相事故時，變頻裝置還能工作，不會出現停止運行的現象，確保了通風機的運行工作。

3.3 效果分析

以某煤礦通風變頻調速改造工程為例。現場兩臺110KW*2風機，風機型號：FBCDZ-6NO17B，電機型號：YBF316-6，風量2036-4518m3/min，風壓792-2992Pa，電機功率：2X110KW，電壓380/660V，電流206/108A，頻率50Hz。工程中采用LSIH高功型變頻器，專用于HAVC，具有空間矢量技術和多種保護功能。經過改造運行后的測試數據為：①改造前：輸入電流120A，運行頻率50Hz，電機平均功率90KW；②變頻改造后：輸入電流85A，運行頻率50Hz，電機平均功率70KW。按每度電0.76元、年運行時間365天計算，每年可節約電費：（90-70）X24X365X0.76=133152元。可見，煤礦通風機采用變頻技術后，節能效果非常顯著。

[參考文獻]

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