煤礦主扇風(fēng)機上變頻技術(shù)的應(yīng)用

摘 要：主要介紹了變頻技術(shù)的發(fā)展過程及現(xiàn)狀，變頻調(diào)速運行和節(jié)能原理，變頻技術(shù)在煤礦主扇風(fēng)機上的應(yīng)用和變頻器的選用原則，并對變頻技術(shù)在煤礦機電設(shè)備上的應(yīng)用進行了展望。

關(guān)鍵詞：變頻技術(shù)；扇風(fēng)機；節(jié)能

1 引言

目前國內(nèi)變頻技術(shù)應(yīng)用較多的是節(jié)能。中國是能耗大國，能源利用率很低，而能源儲備不足。在2012年的中國電力消耗中，60-70%為動力電，而在總?cè)萘繛?.8億千瓦的電動機總?cè)萘恐?，只有不?000萬千瓦的電動機是帶變頻控制的。據(jù)分析，在中國，帶變動負載、具有節(jié)能潛力的電機至少有1.8億千瓦。因此國家大力提倡節(jié)能措施，并著重推薦了變頻調(diào)速技術(shù)[1]。由于煤礦生產(chǎn)的特殊環(huán)境和安全上的特殊要求，變頻器在煤礦的應(yīng)用起步比較晚。但是隨著我國市場經(jīng)濟的深入發(fā)展，煤礦的增產(chǎn)、降耗、提效被提到了重要地位，設(shè)備節(jié)能改造勢在必行。變頻調(diào)速在煤礦井上下的固定機電設(shè)備上已經(jīng)有了一定的應(yīng)用并取得了較好的效果。

2 扇風(fēng)機上變頻器調(diào)速運行的節(jié)能原理

煤礦主通風(fēng)機通風(fēng)原理是根據(jù)流體力學(xué)原理，軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。當(dāng)所需風(fēng)量減少，風(fēng)機轉(zhuǎn)速降低時，其功率按轉(zhuǎn)速的三次方下降。大大提高電機轉(zhuǎn)速的控制精度和工作效率，使電機在最節(jié)能的轉(zhuǎn)速下運行。而煤礦通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)對風(fēng)量的需求量，在礦井生產(chǎn)過程中的不同時間和階段，都有不同的需求，為適應(yīng)這個變化的需要，風(fēng)量調(diào)節(jié)是礦井主扇通風(fēng)機正常運行和經(jīng)濟運行所必需的。但是當(dāng)扇風(fēng)機的輸出風(fēng)量大于井下所需風(fēng)量，因此多余的風(fēng)量就會損耗掉，這就浪費了電力。通常煤礦風(fēng)機風(fēng)量調(diào)節(jié)采用改變風(fēng)機工作葉輪片安裝角度、采用前導(dǎo)葉及風(fēng)門調(diào)節(jié)等方式。其中改變?nèi)~片安裝角度需在風(fēng)機停機時才能進行，而前導(dǎo)葉調(diào)整范圍小，不適應(yīng)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)特性變化較大的情況，風(fēng)門調(diào)節(jié)方式從節(jié)能來看，又是最不經(jīng)濟的，因此，要改變這種情況，就必須使用外來的調(diào)節(jié)方式，使用變頻器對風(fēng)機電動機進行調(diào)速控制，若啟動頻率設(shè)定為5HZ，那么變頻器可以運行在5-50HZ之間的任一頻率上，則電動機可以運行在30-3000轉(zhuǎn)/分之間的任一轉(zhuǎn)速上大范圍的連續(xù)平滑調(diào)速，可使電動機在最節(jié)能的轉(zhuǎn)速下運行，電動機啟動平衡，力矩大又節(jié)能。實現(xiàn)了風(fēng)機特性曲線的變化，獲得經(jīng)濟運行工況點，使驅(qū)動能力與實際需要相符，以達到節(jié)約電能目的。

3 變頻調(diào)速在主扇風(fēng)機上的應(yīng)用

3.1 變頻調(diào)速運行分析

煤礦主扇風(fēng)機選用變頻調(diào)速，首先要考慮的是風(fēng)機在現(xiàn)在的運行工況下，是否還有節(jié)能潛力，如果現(xiàn)在運行時風(fēng)門已經(jīng)接近全部打開，才能滿足礦井需要的風(fēng)量，這臺風(fēng)機也就沒有安裝變頻器的必要，反之，可以考慮選用變頻調(diào)速；風(fēng)機屬于平方轉(zhuǎn)矩類負載，應(yīng)選用適合于風(fēng)機使用的通用型變頻器。根據(jù)主扇風(fēng)機電機的額定電流選用變頻器；額定輸出電流大于主扇風(fēng)機電機的額定電流[2]；變頻器的電壓等級應(yīng)符合電源與電動機的額定電壓要求，另外要注意變頻運行頻率不能太低，防止電動機溫升過高。同時，要選用正規(guī)廠家、經(jīng)過運行證明質(zhì)量可靠、售后服務(wù)好的產(chǎn)品。如遼寧省阜新市某地方煤礦，礦井安裝有2臺4-72-11NO20B主扇風(fēng)機，1臺工作，1臺備用。配套JS137-6型電動機，額定功率為210kW[3]，電壓等級為380V，額定轉(zhuǎn)速為955r/min，實測風(fēng)機排風(fēng)能力為Q1=4100m3/min。按煤礦生產(chǎn)安全規(guī)程要求的配風(fēng)量Q2=3390m3/min。用閘門調(diào)節(jié)風(fēng)量，風(fēng)門開度為80%。根據(jù)風(fēng)機配電動機功率選用西門子公司產(chǎn)品6SE70 型變頻器一臺；變頻器驅(qū)動一臺風(fēng)機，備用風(fēng)機仍然由工頻拖動。西門子 6RE70 型變頻器具有電動機參數(shù)自整定功能；其額定電壓為380V，頻率為0-50Hz，額定電流為360A。通過對磁通電流和轉(zhuǎn)矩電流的解耦控制及低頻轉(zhuǎn)矩提升技術(shù)，保證通用電動機在0.5Hz時，產(chǎn)生180%的啟動轉(zhuǎn)矩；在電網(wǎng)電壓±20%波動，保證額定輸出能力；扇風(fēng)機變頻改造后運行穩(wěn)定，經(jīng)運行測試表明，通風(fēng)系統(tǒng)各項指標符合煤礦安全規(guī)程要求。

3.2 理論節(jié)能計算

根據(jù)風(fēng)機的排風(fēng)量與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系：

Q2/Q1=n2/n1

計算得電動機調(diào)節(jié)后電動機轉(zhuǎn)速為596r/min。根據(jù)電動機轉(zhuǎn)速與頻率的公式：

n=60f（1-s）/p

式中：f為三相交流電源頻率，一般為50Hz；p為電動機定子磁場對數(shù)；s為電動機的轉(zhuǎn)差率，一般異步電動機在額定負載下時，s=（1-6）%。

計算得變頻器頻率設(shè)定在40Hz。

根據(jù)風(fēng)機、泵類平方轉(zhuǎn)矩負載關(guān)系式：

P/P0=（n/n0）3（4）

式中：P0為額定轉(zhuǎn)速n0時的功率；P為轉(zhuǎn)速為n時的功率。

計算得P=112kW。

理論節(jié)電率為（210kW-112kW）/210kW×100%=47%

3.3 節(jié)能經(jīng)濟效益計算

在主扇風(fēng)機配電柜系統(tǒng)上并聯(lián)變頻控制柜后，實測變頻器使用前后的數(shù)據(jù)如下表所示：

由上表實測數(shù)據(jù)可計算得出：

節(jié)電率=（工頻值-變頻值）/工頻值×100%=36%

改造前年耗電量（cosΦ=0.887）：

W1kW·h=Pt=1.732UIcosΦ×24×365

=1493294.7

改造后年耗電量（cosΦ=1）：

W2kW·h=Pt=1.732UIcosΦ×24×365

=1089681.4

年節(jié)電量為（W1-W2）kW·h=1493294.7-1089681.4=403613.3

每年節(jié)約電費（按0.5元/度計算）：403606.8×0.6=201806.65元

實例說明主扇風(fēng)機變頻調(diào)速改造后，可根據(jù)礦井通風(fēng)量需求進行風(fēng)量自動調(diào)節(jié)，且通過對通風(fēng)系統(tǒng)的實時監(jiān)控，可實現(xiàn)對風(fēng)量的自動控制，以低于風(fēng)機電動機額定轉(zhuǎn)速下運行，精確調(diào)速的節(jié)電效果非?？捎^，節(jié)電效果非常明顯，節(jié)能潛力巨大，經(jīng)濟效益良好。

4 結(jié)束語

變頻調(diào)速技術(shù)是當(dāng)今節(jié)電、改善工藝流程以及提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動電器控制技術(shù)進步的一種主要手段，是公認的交流電動機最理想、最有前途的調(diào)速方案，變頻調(diào)速技術(shù)在礦井扇風(fēng)機上的應(yīng)用，實現(xiàn)了軟起動，取消了起動時的限流電抗器，起動電流大大減小，避免了起動電流對電網(wǎng)和電機的沖擊；變頻改造后，根據(jù)礦井通風(fēng)需求進行風(fēng)量調(diào)節(jié)，且通過對通風(fēng)系統(tǒng)的實時監(jiān)控，實現(xiàn)對風(fēng)量的自動控制，提高了設(shè)備自動化控制程度和可靠性；變頻運行后，設(shè)備噪音降低，改善了工作環(huán)境。要將變頻調(diào)速技術(shù)很好的應(yīng)用到煤礦機電設(shè)備上，以低能耗實現(xiàn)現(xiàn)代化電器控制的發(fā)展，節(jié)能降耗實為明智之舉，具有十分積極的意義[4]。

參考文獻

[1]吳忠智，吳加林.變頻器應(yīng)用指南[M].北京：中國電力出版社，2007.

[2]范永勝.電氣控制與PLC變頻調(diào)速應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2007.

[3]王遠鵬.變頻控制及應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社，2012.

[4]吳齊遠.變頻控制原理[M].沈陽：東北大學(xué)出版社，2011.