煤礦主扇風機上變頻技術的應用

摘 要：主要介紹了變頻技術的發展過程及現狀，變頻調速運行和節能原理，變頻技術在煤礦主扇風機上的應用和變頻器的選用原則，并對變頻技術在煤礦機電設備上的應用進行了展望。

關鍵詞：變頻技術；扇風機；節能

1 引言

目前國內變頻技術應用較多的是節能。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，而在總容量為5.8億千瓦的電動機總容量中，只有不到2000萬千瓦的電動機是帶變頻控制的。據分析，在中國，帶變動負載、具有節能潛力的電機至少有1.8億千瓦。因此國家大力提倡節能措施，并著重推薦了變頻調速技術[1]。由于煤礦生產的特殊環境和安全上的特殊要求，變頻器在煤礦的應用起步比較晚。但是隨著我國市場經濟的深入發展，煤礦的增產、降耗、提效被提到了重要地位，設備節能改造勢在必行。變頻調速在煤礦井上下的固定機電設備上已經有了一定的應用并取得了較好的效果。

2 扇風機上變頻器調速運行的節能原理

煤礦主通風機通風原理是根據流體力學原理，軸功率與轉速的三次方成正比。當所需風量減少，風機轉速降低時，其功率按轉速的三次方下降。大大提高電機轉速的控制精度和工作效率，使電機在最節能的轉速下運行。而煤礦通風網絡對風量的需求量，在礦井生產過程中的不同時間和階段，都有不同的需求，為適應這個變化的需要，風量調節是礦井主扇通風機正常運行和經濟運行所必需的。但是當扇風機的輸出風量大于井下所需風量，因此多余的風量就會損耗掉，這就浪費了電力。通常煤礦風機風量調節采用改變風機工作葉輪片安裝角度、采用前導葉及風門調節等方式。其中改變葉片安裝角度需在風機停機時才能進行，而前導葉調整范圍小，不適應通風網絡特性變化較大的情況，風門調節方式從節能來看，又是最不經濟的，因此，要改變這種情況，就必須使用外來的調節方式，使用變頻器對風機電動機進行調速控制，若啟動頻率設定為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/分之間的任一轉速上大范圍的連續平滑調速，可使電動機在最節能的轉速下運行，電動機啟動平衡，力矩大又節能。實現了風機特性曲線的變化，獲得經濟運行工況點，使驅動能力與實際需要相符，以達到節約電能目的。

3 變頻調速在主扇風機上的應用

3.1 變頻調速運行分析

煤礦主扇風機選用變頻調速，首先要考慮的是風機在現在的運行工況下，是否還有節能潛力，如果現在運行時風門已經接近全部打開，才能滿足礦井需要的風量，這臺風機也就沒有安裝變頻器的必要，反之，可以考慮選用變頻調速；風機屬于平方轉矩類負載，應選用適合于風機使用的通用型變頻器。根據主扇風機電機的額定電流選用變頻器；額定輸出電流大于主扇風機電機的額定電流[2]；變頻器的電壓等級應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，要選用正規廠家、經過運行證明質量可靠、售后服務好的產品。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，額定轉速為955r/min，實測風機排風能力為Q1=4100m3/min。按煤礦生產安全規程要求的配風量Q2=3390m3/min。用閘門調節風量，風門開度為80%。根據風機配電動機功率選用西門子公司產品6SE70 型變頻器一臺；變頻器驅動一臺風機，備用風機仍然由工頻拖動。西門子 6RE70 型變頻器具有電動機參數自整定功能；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矩電流的解耦控制及低頻轉矩提升技術，保證通用電動機在0.5Hz時，產生180%的啟動轉矩；在電網電壓±20%波動，保證額定輸出能力；扇風機變頻改造后運行穩定，經運行測試表明，通風系統各項指標符合煤礦安全規程要求。

3.2 理論節能計算

根據風機的排風量與轉速之間的關系：

Q2/Q1=n2/n1

計算得電動機調節后電動機轉速為596r/min。根據電動機轉速與頻率的公式：

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；s為電動機的轉差率，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定在40Hz。

根據風機、泵類平方轉矩負載關系式：

P/P0=（n/n0）3（4）

式中：P0為額定轉速n0時的功率；P為轉速為n時的功率。

計算得P=112kW。

理論節電率為（210kW-112kW）/210kW×100%=47%

3.3 節能經濟效益計算

在主扇風機配電柜系統上并聯變頻控制柜后，實測變頻器使用前后的數據如下表所示：

由上表實測數據可計算得出：

節電率=（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

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

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

實例說明主扇風機變頻調速改造后，可根據礦井通風量需求進行風量自動調節，且通過對通風系統的實時監控，可實現對風量的自動控制，以低于風機電動機額定轉速下運行，精確調速的節電效果非常可觀，節電效果非常明顯，節能潛力巨大，經濟效益良好。

4 結束語

變頻調速技術是當今節電、改善工藝流程以及提高產品質量和改善環境、推動電器控制技術進步的一種主要手段，是公認的交流電動機最理想、最有前途的調速方案，變頻調速技術在礦井扇風機上的應用，實現了軟起動，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和電機的沖擊；變頻改造后，根據礦井通風需求進行風量調節，且通過對通風系統的實時監控，實現對風量的自動控制，提高了設備自動化控制程度和可靠性；變頻運行后，設備噪音降低，改善了工作環境。要將變頻調速技術很好的應用到煤礦機電設備上，以低能耗實現現代化電器控制的發展，節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變頻調速應用[M].北京：中國電力出版社，2007.

[3]王遠鵬.變頻控制及應用[M].北京：高等教育出版社，2012.

[4]吳齊遠.變頻控制原理[M].沈陽：東北大學出版社，2011.