變頻器在礦用主通風運行中的應用分析

安素娟

（晉能控股煤業集團永定莊煤業公司通風區， 山西 大同 037000）

引言

煤礦開采中不可避免地會涌出大量的瓦斯及其他有毒有害氣體，對井下工作人員的身體健康甚至生命安全構成了嚴重威脅[1]。針對該問題，利用通風機系統向井內輸入新鮮空氣將井內受污染的氣體排出，是確保井下人員身體健康和生命安全的最有效和簡單的手段[2]。通風機分為主通風機和局部風機，其中主通風機的作用是向整個礦井內部輸入空氣，對其運行的可靠性和功率要求更高[3]。為了保障井下安全，主通風機通常要求24 h 不間斷連續運轉，會消耗大量的能源。隨著變頻技術的發展，目前很多煤礦已經在主通風機中成功運用了變頻技術，大幅度降低了主通風機的能耗[4]。本文主要介紹了變頻器在主通風機運行中的應用情況，對于提升主通風機運行穩定性、降低能耗具有一定的現實意義。

1 傳統主通風機運行中存在的問題

礦井主通風機在未使用變頻技術之前，在實踐應用中暴露出了很多問題，主要表現在以下幾個方面[5]：

1）當需要根據礦井實際情況對主通風機風量進行調節時，主要是通過調整風門的開度大小實現風道斷面面積的控制，從而達到調整風量的效果，耗時長、效率低。

2）主通風機在啟動瞬間會產生非常大的電流，該電流通常是電機額定電流的5～7 倍，不僅對礦井的電網造成了很大沖擊，還對電機設備造成了不良影響，縮短電機使用壽命。

3）主通風機一直以額定功率運行，但主要通過外界物理措施來改變通風量，意味著只有一部分電力能源被真正利用起來，大量的電力能量被浪費，不利于煤礦企業的可持續發展。

2 基于變頻器的主通風機控制系統方案

主通風機系統通常會配備兩臺風機，其中一臺作為主用風機，另外一臺作為備用風機。每臺風機內包含有兩臺電機，所以整個主通風機系統包含有四臺電機，針對每臺電機都配備一臺變頻器[6]。礦井主通風機變頻控制方案的示意圖，如圖1 所示。變頻器與控制器連接并接收控制器的指令，根據礦井的實際需要將50 Hz 的電壓調整成為其他頻率的電壓，實現對電機輸出轉速的控制，進而實現風機輸出風量和風壓的控制。利用傳感器對通風機的風壓、風量以及礦井內的溫度、濕度等進行檢測。根據檢測結果，PLC 控制器下達指令，對風機電機旋轉速度進行控制，從而達到自動化調整主通風機運行效率的目的。

圖1 主通風機變頻控制方案示意圖

3 變頻器的選型及其工作原理

3.1 變頻器型號選擇

根據礦井實際情況，選用的是日立公司生產研制的SJ700 系列變頻器，考慮到通風機每臺電機的額定功率為200 kW，所以使用的變頻器具體型號為SJ700-3150HFE2，該型號變頻器的額定電壓、額定電流以及額定功率分別為380 V、600 A 和315 kW。完全可以滿足主通風機的實際使用需要，且預留有一定余量。

3.2 變頻器的外部接線

考慮到四臺變頻器控制回路端子的接線圖完全相同，以下主要根據其中一臺變頻器的接線為例進行分析，如圖2 所示為變頻控制器的外部接線圖。圖2中繼電器ZJ 的作用是利用指示燈對變頻器的運行狀態進行指示；繼電器1KA 的作用是實現變頻器自動和手動控制模式的切換；繼電器K1～K4 的作用是根據PLC 控制器的指令實現主通風機正風和反風的調整；AL0 和AL1 輸出端子主要是對變頻器的故障進行報警和指示；SB1 主要是對故障問題進行復位；CM1和FM 端子的作用是接收電機的轉速并對其進行顯示；利用SP、SN 端子可以基于RS-485 通信協議實現與PLC 控制器之間的數據信息交互，利用OI 接口PLC 控制器可以通過DC 4～20 mA 的電流信號下達控制指令，變頻器根據指令對輸出的電壓頻率進行調整，利用AM1 端子，變頻器可以通過DC 4～20 mA 的電流信號向PLC 控制器反饋輸出的電壓頻率。

圖2 變頻器控制回路端子的接線圖

3.3 變頻器的節能工作原理

已有的理論和工程實踐經驗表明，通風機工作時其風機負載屬于典型的平方轉矩負載。風機運行功率與流量、轉速、風壓之間的關系可以表示為：其中p 表示負載功率，Q、H、n 分別表示通風機的流量、風壓、轉速。當電動機的輸出轉速n 發生變化，比如由額定轉速n1降低到n2時，流量、風壓、負載功率的變化情況可以表述為。根據上述關系式，可以繪制如圖3 所示的壓力與流量之間的特征曲線圖，圖中R1和R2分別表示主通風機運行阻力最小和較大時的管路特征曲線。

由圖3 可知，在未使用變頻器前，當礦井需要的通風量由Q1降低到為Q2時，通過外部物理調節會使風機運行阻力由R1變成R2，消耗的負載功率與圖中BH2OQ2的面積成正比。在相同的工況條件下，如果使用了變頻器，則負載功率與圖中的CH3OQ2的面積成正比。后者的面積幾乎只有前者的一半，意味著變頻器可以起到很好的降低能源消耗的效果。當礦井對風量的需求降低時，通過調整電機輸出轉速可以同步降低風壓大小，從而將風機阻力控制在較低水平，主通風機的功率損耗相應降低。另外，風壓降低也會降低整個通風系統包括管道的故障率，提升設備運行的穩定性。

圖3 壓力與流量之間的特征曲線圖

4 應用效果分析

將上文所述的基于變頻器的主通風機控制系統應用到某煤礦工程實踐中，對其實際運行情況進行了一年時間的現場測試，對相關數據進行統計分析，并與未使用變頻器之前的數據進行對比。使用變頻器前后主通風機的日耗電量和電費對比情況，如圖4 所示。在相同的工況條件下，主通風機系統使用變頻器前和使用后每日消耗的電量，分別為20900.78 kW 和12980.36 kW，使用變頻器后每日消耗的電量降低幅度達到了37.4%。如果電費按照0.6 元/kW·h 的價格計算，則主通風機系統使用變頻器前和使用后每日消耗的電費分別為11495.43 元和7139.20 元，使用變頻器每日可以節省電費4356.23 元。

圖4 使用變頻器前后主通風機的日耗電量和電費對比情況

從以上分析可以看出，通過使用變頻器，可以大幅度降低主通風機運行時的能源消耗，為煤礦企業節省大量的電費。使用變頻器的設備，在啟動階段和運行階段的穩定性顯著提升。主站通風系統的故障率降低，為企業節省了一定的設備維護和保養成本。

5 結語

針對礦井主通風機傳統的風量調節方法存在的問題，基于先進的變頻器技術設計了主通風機運行控制系統，并在某煤礦實際應用。經過一年多時間的現場測試，在礦井主通風機中應用變頻器取得了很好的實踐應用效果，值得其他煤礦企業借鑒。