變頻技術在礦井主扇風機中的應用

0 引言
    在礦井通風系統中，主扇風機需24 h連續運行，其年用電量約占全礦年用電量的8%(20%!目前，大多數風機異步電動機電控系統仍采用工頻電源定速控制，通過人工調整閘板位置或扇葉角度來實現風量和負壓控制，人工調節需停機"拆卸螺絲等，十分繁瑣，并造成電能的浪費!
變頻技術的工程實用已經有20 a多的歷史，新型電力電子器件和高性能微處理器不斷得到應用，促進了性價比更高"體積更小"運行更可靠性的變頻器發展，已逐步取代傳統電磁調速!
1 概述
    變頻技術在調節風機電控系統的轉速"改善功率因數"提高啟動平穩性和經濟效益等方面有顯著效果，同時還具有無沖擊啟動和軟停機的優良控制特性!發達國家風機變頻調速的利用率已達10%，而中國還不足0.01%，有很大發展潛力!
由于煤礦生產環境特殊，對安全性的要求較高，煤礦機電設備中還很少有符合煤礦安全要求的隔爆型變頻器產品!隨著中國經濟的快速發展，煤礦的增產"降耗"提效被提到了重要地位，利用變頻調速技術對設備進行節能改造是大勢所趨.
2 變頻技術原理
    變頻技術的核心設備是變頻器，它是結合了應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設備!在家庭和工廠使用的工頻交流電分為單相和三相交流電源，其電壓和頻率均按各國規定的標準執行，有單相220 V/50 Hz，三相380 V/50 Hz等!而變頻器首先把電源的交流電經過整流變換為直流電，再通過逆變器把直流電源逆變為頻率和電壓可調的交流電源!根據變頻技術的基本原理，電機的轉速與工作電壓的關系是：式 （1） 中，!為電機轉速，r/min；"為輸入頻率，Hz；#為電機轉差率；$為電機磁極對數!同時，根據風機比例定律，當葉片直徑"工作介質密度恒定時，風機!因此，風機轉速的變化直接影響著風量的變化，而風機消耗功率變化幅度將更大!因此，變頻技術應用在礦井主扇風機中，具有調速范圍更寬"節能效果好"精度高等特點!
3 煤礦主扇風機對變頻技術的應用要求
    在對煤礦主扇風機進行變頻技術改造時，首先要調研考察風機的現行工作運行情況，如現運行時風門已全部打開，才能滿足礦井所需風量，則沒有必要進行變頻技術改造!由于主扇風機屬于平方轉矩類負載，進行變頻技術改造時需選擇適合于風機水泵使用的通用型變頻器!變頻器通常根據主扇風機電機的額定電流"電源與電動機的額定電壓要求進行選擇!變頻器額定輸出電流要大于主扇風機電機的額定電流，同時經常運行頻率取值要合理，選用正規廠家質量和服務過硬的產品，保證安全性和可靠性!
    煤礦主扇風機是保障煤礦安全的主要通風機械，一般配備2套，其中1臺作為備用，其配用功率從數十千瓦至數百千瓦!相應的電動機也不同，一般380 V低壓電動機適用于功率315 kW以下主扇風機，而6kV高壓電動機適用于功率大于315 kW的主扇風機!礦井主扇風機的額定風量"風壓通常設計時富余量較大，石家莊風機是根據設計計算礦井末期的通風阻力和產生的風量!過去常常通過關閉小風門檔板，人為增加通風阻力改變主扇風機的運行工況，使風量和風速達到生產所需!
    在煤礦投產初期，由于巷道短"通風阻力小，如果按額定工況通風，將造成采煤工作面風速超限并引起煤塵飛揚，影響采煤面的工作和安全!一般采取關小風門擋板增大通風管網阻力的方法使礦井的排風量減少!風機的轉速與風量"功率存在以下關系：通過人為增加通風阻力的方法調節風量造成了電能資源的浪費，而采用改變風機轉速的方法調節風量節能效果顯著，同時還能有效延長機械使用壽命!
4 應用實例
    礦井主扇風機配套電動機采用上述人工調節閘門的方法調節風量，按煤礦生產安全規程要求的配風產品1臺直接驅動工作主扇風機，備用風機仍然由工頻拖動!
    艾默生該型變頻器可自整定電動機參數，利用了對磁通電流和轉矩電流的解耦控制及低頻轉矩提升技術，使電動機啟動轉矩增大到180%，當電網電壓產生波動時，額定輸出能力能較平穩，特別適合用于潮濕和粉塵超標的環境!
    通過進行變頻技術改造，變頻器限制了電機的起動電流，電機起動時的峰值功率損耗減小了，電網功率因數提高到了0.96以上，消除了電動機啟停時的機械沖擊，延長了主扇風機的使用壽命!同時，由于選擇的風機富裕度較大，運行頻率范圍設定在33 Hz(45 Hz之間即可滿足風量需要，使主扇風機達到了最優配置，改變了大功率風機小風量需求的弊端，經濟效益顯著!
    在進行變頻技術改造前，主扇風機全年電量按照運行350 d計算，為320,24,350=2 688 000 kW*h，電費按0.5元（/kW*h）計算為1 344 000元，采用變頻技術改造后，由于深部開拓工程量小，每年12月中旬至第2年3月初自然通風狀況良好，風機轉速可適當降低，全年運轉平均頻率大約在33 Hz(45 Hz范圍內，實測電流表電機平均電流為350 A，主扇風機實際消耗功率約為170 kW!全年用電量則為1 428 000 kW*h，電費則是714 000元，平均每年節約電量1 260 000kW*h，每年節約電費630 000元!變頻技術改造后，主扇風機運行穩定，通風系統各項指標達到了安全規程要求!風機以低于額定轉速運行，噪聲降低"磨損減輕，減少了維護費用!
5 結語
    在當前煤炭企業，應用變頻技術對煤礦主扇風機的系統改造并不多見，對風機實施變頻技術改造，其核心是利用變頻技術對拖動風機的電傳動系統進行改造!變頻調速技術使電力傳動系統的節能水平和控制性能都有較大提高，對煤炭企業科技進步起到重要作用!