變頻技術在礦井主扇風機中的應用

劉占棟

(陽泉煤業(集團)有限責任公司一礦，山西 陽泉 045000)

0 引言

在煤礦企業的安全生產中，隨著開采持續推進，實際工作中的風機所需功率與原設計功率存在顯著差異[1-2]。礦井主扇風機是煤礦通風的重要設備，通風不暢會危及礦井安全和礦工生命。在日常工作中煤礦通風機的實際功率比煤礦正常生產所需功率要高得多，礦井風機全年運轉率高達100%，耗電量巨大。變頻調速技術是上世紀90年代發展起來的，其精度高而且高效節能，因此成為調速首選[3-6]。

隨著信息化時代的到來，提高礦井主扇風機的工作效率，實現礦井風機的節能降耗，是當前煤炭企業需要解決的重要問題之一。為此，根據現場工作實踐，對主扇風機的變頻調速技術及節能改造進行詳細闡述。

1 主扇風機存在的問題及變頻技術的優勢

1.1 主扇風機存在的問題

電能浪費嚴重：大多煤礦企業設計年限在60 a以上。從投產到穩定開采約10 a，在傳統條件下，可以通過改變主扇風機的葉片或是改變擋風板角度調節風量，無形中造成了能耗浪費，加大了生產成本。主扇風機直接啟動電流大、損耗大，對電機的絕緣造成影響，嚴重時可能燒毀電機[7-10]。

自動化程度不高：主扇風機靠人為調節，自動化程度低。主扇風機作為高耗能設備，在運行過程中牽涉的設備繁多，實施在線監控涉及很多設備監測參數，監測難度比較大。只有實現設備的自動化監控，并保證它的良好運行狀態，才能更好地保障煤礦安全生產，對煤炭企業實現降本提效有著十分重要的意義。

1.2 變頻調速技術的優勢

使用變頻技術前的風量調節方式：一般來說，礦井主扇風機進行調節時，可更改風機的性能曲線，或者更改管網熱性曲線，也可以是兩者互相結合。以往用調節風量、調節轉速等調節風門的方式調節風量造成資源浪費嚴重。在使用變頻技術前，無論是離心式風機或是軸流式風機，在調整風量時候都很費時費力，大多是調節風門改變風進斷面尺寸或者改變葉片角度等方式調節風量。

使用變頻技術后的優勢：使用變頻器后，只需要調整頻率就可以調整礦井風量，提升了礦井的安全性。變頻器即“VVVF”也叫做“交-直-交”變頻調速器，在礦井主扇風機中用變頻調速器能達到顯著的節能降耗效果，提高風機的可靠性。使用變頻調速器有以下優點:①電機轉速能實現無極調速；②能使功率提高到99%；③轉矩補償功能完全，在保持電壓常數的情況下，可以不降低電源頻率，避免電磁爐過于飽和及電機負載下降，防止功率變弱；④變頻調速器的自身保護功能完備；⑤使用變頻調速器后，電機可直接啟動風機，啟動電流應不超過額定電流的兩倍。

2 變頻調速器的具體應用

2.1 變頻調速器的適用條件

不適宜應用變頻調速器的情況：不是所有的風機在應用價格較貴的變頻調速器后，都能達到節能省電效果。倘若礦井主扇風機日常運行的風量等于或比井下安全生產需要的風量大，礦井主扇風機就不能安裝變頻調速裝置，因為這時風量飽和，倘若再降低礦井主扇風機頻率，風量不能滿足礦井通風了。此時，只能使用降低線損、并聯電容器的方式來進行補償，進而達到節能降耗的效果。

適宜應用變頻調速器的情況：礦井主扇風機在設計選型時，多數礦井都需要謹慎考慮礦井所需的最大風量。因此，會時常出現供出風量比實際風量大的情況，主扇風機有富余量，調節范圍大，這種情況下應用變頻調速技術后的效果較好。所以，變頻調速技術大多是應用在主扇風機有富余量的礦井，這類礦井主要有新投產礦井和工作面不多的老礦井，這主要是由于新投產的礦井通風系統一般較為簡單，而工作面不多的老礦井有富余風量的情況較為常見。

2.2 變頻調速器的選型

合理選擇變頻調速器的必要性：高質量的變頻調速器控制變頻的自動化程度較高，不僅可以改變電源頻率，其輔助功能水準也很高；可以實現近控或是遠控，能將其他參數變化通過傳感器實現自動控制，直到電腦程序的控制終端。一般來說，變頻調速器的水準越高價格越貴，所以在滿足井下正常通風和反風需要的前提下，選擇變頻調速器應考慮經濟合理性。

選擇變頻調速器的原則：主扇風機安裝就位后，風量調整大多采用調節垂直風門、改變風阻，在選好變頻調速器后，主扇風機風門全開，按電機轉速來調整風量大小。在風機正常工作，通風系統完好，井下風路無變化，風量、風壓變化小時，主扇風機可以穩定運行，所需輔助功能少，應優先選擇能滿足電機基本保護需要的變頻調速器。以往按照電機運行容量來選擇同等容量的變頻調速器，這種方法是不恰當的。而選擇變頻調速器第一點就是要考慮它能否適應存在富余風量礦井的主扇風機；變頻調速器不需在基頻狀況下工作時，如選擇基頻電機功率的變頻調速器，會增加投資負擔。

主扇風機選用變頻調速器，風量應滿足

Ie≥K1·K2·I1

(1)

式中：Ie—變頻調速器額定電流；K1—反風時電機功率的增加系數，一般選值是1.05～1.2；K2—變頻調速器過載能力；I1—選擇的變頻調速器實際電流。主扇風機變頻后，輸出功率會因電機功率下降而下降，功率降低后，電機負載相應下降，功率、輸出電壓都會發生變化，難以確定變頻至特定頻率時變頻調速器的電流數值。在日常生產經營中選擇變頻調速器容量，應使用比例定律

(2)

2.3 變頻調速器的調試運行

選擇變頻調速器型號、容量和確定運行頻率后，需要按照實際風量進行校核，如圖1所示。

2.4 變頻改造后的實效

實現遠程監控及自動化程度提升：大多煤礦企業實施改造后能夠達到遠程監控，提升了礦井配風的精確度，確保礦井通風安全。實施改造后節能節電效果明顯，礦井主扇風機能充分滿足礦井通風，節能節電效果顯著。變頻調速器按照設定頻率調節電機轉速，達到了風機轉速的自行控制，增設DCS控制系統后，達到風機的遠程控制，提升了自動化程度，實現了無人操作。

實現軟啟動：變頻改造后對電網的沖擊減少，軟啟動系統得以實現，啟動稍長但平穩，電機的額定電流高于啟動電流，低速運行，主扇風機的噪聲、溫度得以降低，延長了電機和風機的使用年限。維護維修的工作量減少，延長了很多零件的使用壽命，節省了維護費用。

3 結語

礦井確定風機風量時，大多要求比實際風量大，只有在滿足風量需求的條件下，才能采用變頻調速技術對礦井風機進行調速。采用變頻調速技術后，用風門控制流量，電機的輸出功率比原來降低了10%～40%，節電效果非常明顯。變頻調速技術調速操作簡單方便，不僅使通風系統運行效率大幅提高，也提升了安全性能，獲得了顯著的經濟效益和社會效益，有一定的推廣價值。