變頻技術(shù)在礦用通風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用研究

顏明仁

（大同煤礦集團(tuán)華盛萬杰煤業(yè)有限公司， 山西 河津 043300）

引言

對于礦用通風(fēng)機(jī)，可實(shí)現(xiàn)變頻控制技術(shù)對于煤礦企業(yè)的生產(chǎn)活動、生產(chǎn)效益具有重要影響。通風(fēng)機(jī)作為煤礦生產(chǎn)中的一種重要的設(shè)備，提高通風(fēng)機(jī)的控制效率對煤礦的開采具有積極意義。由于井下生產(chǎn)條件的特殊性，在礦井中需要布置不同的通風(fēng)機(jī)，但是很難做到對井下控制質(zhì)量的實(shí)時控制。變頻技術(shù)的應(yīng)用使得對井下控制的實(shí)時調(diào)節(jié)得以實(shí)現(xiàn)，基于變頻技術(shù)對通風(fēng)機(jī)電機(jī)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對井下通風(fēng)機(jī)風(fēng)量的控制。

1 通風(fēng)機(jī)變頻技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

變頻技術(shù)的基本含義是改變交流電極切換頻率的技術(shù)，主要通過改變不同相之間的切換頻率，從而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制，然后由電機(jī)帶動其他設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)。隨著電子、電力技術(shù)以及各類控制理論的不斷發(fā)展，催生了比較先進(jìn)且廣泛使用的控制技術(shù)。變頻控制技術(shù)由最開始的晶體管控制器，發(fā)展為數(shù)字化處理控制，到綜合化的變頻控制技術(shù)，如圖1所示，為通風(fēng)機(jī)變頻系統(tǒng)示意圖[1]。

目前，礦用通風(fēng)機(jī)都比較注重能效，在礦用通風(fēng)機(jī)中廣泛使用變頻控制技術(shù)。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料總結(jié)得到目前礦用通風(fēng)機(jī)變頻技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)，下面分別從四個方面進(jìn)行說明[2]：

1）少數(shù)通風(fēng)機(jī)采用傳統(tǒng)的定頻控制技術(shù)，主流的設(shè)備還是采用變頻控制技術(shù)，通風(fēng)機(jī)的控制方法長期以來都采用的是定速控制，或者是人工調(diào)速控制，不能實(shí)現(xiàn)對井下通風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)時調(diào)控。

2）目前我國較多的企業(yè)因?yàn)榻?jīng)濟(jì)投入大，無法及時更新落后設(shè)備，導(dǎo)致故障高發(fā)，同時設(shè)備維護(hù)成本也增加。

3）現(xiàn)有主流通風(fēng)機(jī)效能偏低，若不能很好地根據(jù)其他輔助監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時調(diào)節(jié)井下通風(fēng)情況，則會造成能源的浪費(fèi)。

4）通風(fēng)系統(tǒng)管理與操作若過渡依賴人員操作，容易出現(xiàn)誤判，或者是判斷不及時，在井下無相關(guān)作業(yè)時，通風(fēng)設(shè)備仍全速運(yùn)轉(zhuǎn)，從而造成了較大的浪費(fèi)。

圖1 通風(fēng)機(jī)變頻系統(tǒng)示意圖

2 礦用通風(fēng)機(jī)實(shí)際應(yīng)用中存在的主要問題

1）煤礦的生產(chǎn)是具有一定的節(jié)奏的，不是一直處于高峰時段那樣的生產(chǎn)量，但是風(fēng)機(jī)在匹配時，都保留了一定的設(shè)計冗余。這就導(dǎo)致了在整個生產(chǎn)過程之中，若沒有對通風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)管理，會浪費(fèi)較多的電量。

2）通風(fēng)設(shè)備如果采用直接啟動方式，此過程電流較大，容易導(dǎo)致次生故障的發(fā)生，使設(shè)備處于嚴(yán)重的絕緣危險之中，甚至?xí)绊懙酵L(fēng)機(jī)的使用壽命。

3）相關(guān)設(shè)備的自動化程度不高，許多通風(fēng)機(jī)由于沒有更新升級，需要人工手動進(jìn)行操作調(diào)節(jié)，不能與其他輔助監(jiān)控系統(tǒng)整合，實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控與調(diào)節(jié)，由此造成大量不必要的電能浪費(fèi)[3]。

3 應(yīng)用變頻技術(shù)的優(yōu)勢

根據(jù)相關(guān)的資料與工作經(jīng)驗(yàn)，在通風(fēng)機(jī)中使用變頻調(diào)速技術(shù)具有諸多優(yōu)勢，下面分別對其做簡要說明[4]：

1）降低電量消耗，這是通風(fēng)機(jī)采用變頻控制技術(shù)最為顯著的優(yōu)勢，可以跟隨井下生產(chǎn)作業(yè)的強(qiáng)度及時調(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)的通風(fēng)量，可有效避免能源浪費(fèi)。實(shí)際上不光是不同生產(chǎn)時間具有明顯差異，同時在不同的生產(chǎn)作業(yè)區(qū)域也有很大的差異，因此需要對通風(fēng)機(jī)進(jìn)行差異化的控制與管理。

2）提高了通風(fēng)機(jī)的使用壽命，變頻啟動的一大特點(diǎn)就是電機(jī)速度可控，若采用的是非變頻控制，在剛啟動電機(jī)的瞬間，電路中會產(chǎn)生巨大的電流，該電流不僅對電路可能造成損害，同時對電機(jī)本身也有一定的損害。而變頻控制的電機(jī)，在啟動時，可以將其電流控制在額定電流范圍之內(nèi)，實(shí)際上對電機(jī)是一種保護(hù)。

3）減少了電機(jī)過熱情況，可以理解為電機(jī)繞組中的電流變化較為均勻，沒有電流突變的情況，那么通過電機(jī)繞組的磁通量就可以認(rèn)為是恒定的，因此不會導(dǎo)致電機(jī)過熱的情況出現(xiàn)，有利于電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行。

4）可實(shí)現(xiàn)實(shí)時控制，基于變頻控制技術(shù)的電機(jī)可以與井下輔助監(jiān)控系統(tǒng)協(xié)同，當(dāng)井下情況發(fā)生變化時，可以及時地對通風(fēng)機(jī)的通風(fēng)情況進(jìn)行調(diào)整，這是變頻控制技術(shù)在通風(fēng)機(jī)上應(yīng)用的一大特點(diǎn)。

4 變頻調(diào)速系統(tǒng)的總體設(shè)計

4.1 變頻控制技術(shù)原理

變頻控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相對比較簡單，首先是人向計算機(jī)發(fā)出指令，或者是計算機(jī)根據(jù)判斷自行作出相關(guān)的指令，信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由計算機(jī)處理機(jī)進(jìn)行模糊化處理，根據(jù)采集的信號來判斷，作出反饋。反饋的數(shù)字信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)化，最終將信號轉(zhuǎn)達(dá)到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而完成了對結(jié)構(gòu)的控制，變頻控制技術(shù)的簡圖如圖2所示[5]。

圖2 頻控制技術(shù)的簡圖

變頻控制系統(tǒng)的搭建也相對比較簡單，在此不再對控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的搭建做詳細(xì)的說明，通過該變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對通風(fēng)機(jī)的精準(zhǔn)調(diào)控，及時掌握通風(fēng)機(jī)的狀態(tài)，對于延長通風(fēng)機(jī)使用壽命，節(jié)約能源具有重要意義。

4.2 變頻控制系統(tǒng)總體方案

該通風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)，采用了雙CPU結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)雙機(jī)切換控制或者是獨(dú)立控制，有效地提高了變頻控制系統(tǒng)的可靠性。兩套控制系統(tǒng)采用相對獨(dú)立的供電方式，保障在故障發(fā)生時的可靠性，同時該系統(tǒng)能夠采集瓦斯?jié)舛?、環(huán)境溫度以及巷道內(nèi)空氣流量等信息，為通風(fēng)機(jī)的控制提供有效參考。

該變頻控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計原理圖，如圖3所示。基于該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對井下通風(fēng)情況的實(shí)時掌握，并可根據(jù)需要及時對井下空氣進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了對井下通風(fēng)情況的遠(yuǎn)程實(shí)時調(diào)控。

圖3 變頻控制系統(tǒng)的簡圖

5 結(jié)語

在礦用通風(fēng)機(jī)上應(yīng)用變頻控制技術(shù)對提高通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行安全性和節(jié)約能源消耗，提升企業(yè)競爭力等方面具有重要作用。通風(fēng)機(jī)是井下煤礦開采必不可少的裝備，同時需要消耗大量的電能，因此對于提高通風(fēng)設(shè)備的效能研究就顯得尤為重要。變頻技術(shù)是通過改變電源而達(dá)到控制、調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)行的目的，形成可以變化的頻率，從而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制，具有節(jié)能、易于控制等特點(diǎn)。

在煤礦井下的生產(chǎn)中，通風(fēng)量大，對于電能的消耗也大，而且主通風(fēng)機(jī)一般需要連續(xù)工作，此過程需要消耗大量的電能，通風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率并不高。為了切實(shí)有效提高通風(fēng)質(zhì)量以及通風(fēng)機(jī)的效能，對通風(fēng)機(jī)采用變頻技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對通風(fēng)機(jī)的準(zhǔn)確控制，對于煤礦的節(jié)能生產(chǎn)具有重要意義。變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于礦用通風(fēng)機(jī)上，可提高相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)對井下通風(fēng)量的精準(zhǔn)控制，具有重要的現(xiàn)實(shí)以及長遠(yuǎn)意義[6]。