變頻技術(shù)在煤礦通風(fēng)機控制中的應(yīng)用探討

陳茂華

摘 要：通過與傳統(tǒng)的煤礦通風(fēng)機調(diào)速控制技術(shù)比較，介紹了變頻技術(shù)的優(yōu)點及應(yīng)用與煤礦通風(fēng)機控制系統(tǒng)中的可行性。

關(guān)鍵詞：變頻；通風(fēng)機；安全

1 前言

煤礦巷道的通風(fēng)系統(tǒng)，在煤礦安全生產(chǎn)中起著至關(guān)重要作用，主通風(fēng)機是保障通風(fēng)系統(tǒng)的重要設(shè)備。由于功率大，晝夜連續(xù)運轉(zhuǎn)，耗電量占煤礦總用電量的15%～20%，有的高達(dá)30%。風(fēng)機的實際工況，取決于風(fēng)機的特性曲線和礦井的阻力特性曲線。在生產(chǎn)過程中，礦井阻力特性曲線是變化的。隨著煤礦開采及掘進(jìn)的不斷延伸、巷道延長，所需風(fēng)量增大；隨著煤礦工作面的減少所需風(fēng)量也減少。各種交流調(diào)速拖動系統(tǒng)有較大局限性，直流調(diào)速拖動系統(tǒng)又過于復(fù)雜和昂貴，經(jīng)過技術(shù)上和經(jīng)濟上的比較，我國礦井通風(fēng)機大多采用交流電動機不調(diào)速拖動調(diào)節(jié)風(fēng)門調(diào)整風(fēng)量的工作方式。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，新的交流變頻調(diào)速通風(fēng)機電控系統(tǒng)以其可靠性高，調(diào)節(jié)方便靈活，節(jié)能效果顯著等優(yōu)點，已經(jīng)成為礦井通風(fēng)機控制系統(tǒng)的首選。

2 通風(fēng)機調(diào)節(jié)方法

通風(fēng)機的風(fēng)量調(diào)節(jié)，是通過改變通風(fēng)機本身的特性曲線或改變外部管網(wǎng)特性來進(jìn)行的?？梢苑譃轱L(fēng)機恒速時的風(fēng)量調(diào)節(jié)和風(fēng)機變速時的風(fēng)量調(diào)節(jié)。

2.1 通風(fēng)機恒速時的風(fēng)量調(diào)節(jié)

對于軸流式通風(fēng)機。通過增大葉片安裝角度可以增大風(fēng)壓，也可以通過改變工作輪的級數(shù)或葉輪片數(shù)來調(diào)節(jié)通風(fēng)量。但這些調(diào)節(jié)一般需要在風(fēng)機停機時才能進(jìn)行，只適合較長階段的風(fēng)量調(diào)節(jié)，無法實現(xiàn)通風(fēng)量的平滑調(diào)節(jié)和與實際通風(fēng)量要求的隨動。

對于離心式風(fēng)機。目前都是通過調(diào)節(jié)通風(fēng)機口及風(fēng)道或送風(fēng)道中閘門的開啟程度，人為地減小風(fēng)道斷面，增加通風(fēng)阻力，改變通風(fēng)管網(wǎng)的特性曲線，最終改變風(fēng)機運行工況點，實現(xiàn)風(fēng)量調(diào)節(jié)。這是一種很不經(jīng)濟的調(diào)節(jié)方法。

2.2 通風(fēng)機變速時的風(fēng)量調(diào)節(jié)

通過改變通風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)通風(fēng)機特性曲線的改變，從而改變通風(fēng)量，是離心式通風(fēng)機節(jié)能運行的有效方法。

由流體力學(xué)可知，風(fēng)量Q與轉(zhuǎn)速n的一次方成正比，風(fēng)壓H與轉(zhuǎn)速n的平方成正比，軸功率Ps與轉(zhuǎn)速n的三次方成正比。即：Q∝n，H∝n2，Ps∝n3。當(dāng)所需風(fēng)量減少，風(fēng)機轉(zhuǎn)速降低時，其功率按轉(zhuǎn)速的二次方下降。如所需風(fēng)量為額定風(fēng)量的80%，則轉(zhuǎn)速也下降為額定轉(zhuǎn)速的80%，而軸功率下降為額定功率的51.2%；當(dāng)所需風(fēng)量為額定風(fēng)量的50%時，軸功率可以下降為額定功率的12.5%。當(dāng)然，轉(zhuǎn)速降低時，效率也會有所降低，同時還應(yīng)考慮控制裝置的附加損耗等影響。即使如此，變速調(diào)節(jié)的節(jié)電效果也是非?？捎^的。

3 變頻技術(shù)的優(yōu)點及應(yīng)用

3.1 變頻技術(shù)的優(yōu)點

起動平穩(wěn)，無級調(diào)速，調(diào)速范圍大；工作可靠，能長期穩(wěn)定運行；有無功就地補償功能，提高功率因數(shù)到0.98以上；轉(zhuǎn)矩補償功能，即保持電壓/頻率為一常數(shù)，避免當(dāng)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(fù)載能力下降，功率因數(shù)變??；變頻器自身的保護(hù)功能齊全。有輸入電壓不足保護(hù)、過流保護(hù)、過載保護(hù)、短路保護(hù)、冷卻散熱片過熱保護(hù)、失速的防止和保險絲短路保護(hù)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(wǎng)和設(shè)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(huán)境、降低工人作業(yè)強度。

3.2 變頻技術(shù)應(yīng)用特點

為了實現(xiàn)通風(fēng)機風(fēng)量自主控制，在進(jìn)行煤礦通風(fēng)機控制系統(tǒng)的變頻技術(shù)應(yīng)用時應(yīng)考慮以下因素。

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

⑵節(jié)約能源的因素。煤礦采用的是性價比較高的變頻控制系統(tǒng)。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(dǎo)致電動機的功率因數(shù)發(fā)生差異，所以變頻器應(yīng)采用諧波高次分量比較小的產(chǎn)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(shè)備時要確保與供電的電壓相同且是直供式的設(shè)備，將電網(wǎng)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(shè)施不會構(gòu)成干擾。4）由于變頻設(shè)備允許正常情況下的電壓波動，并且當(dāng)電網(wǎng)電壓降低較多時不影響運行。所以，在電網(wǎng)出現(xiàn)迅速閃落，高壓電網(wǎng)發(fā)生接地的單相事故時，變頻裝置還能工作，不會出現(xiàn)停止運行的現(xiàn)象，確保了通風(fēng)機的運行工作。

3.3 效果分析

以某煤礦通風(fēng)變頻調(diào)速改造工程為例?，F(xiàn)場兩臺110KW*2風(fēng)機，風(fēng)機型號：FBCDZ-6NO17B，電機型號：YBF316-6，風(fēng)量2036-4518m3/min，風(fēng)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(shù)和多種保護(hù)功能。經(jīng)過改造運行后的測試數(shù)據(jù)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(jié)約電費：（90-70）X24X365X0.76=133152元。可見，煤礦通風(fēng)機采用變頻技術(shù)后，節(jié)能效果非常顯著。

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