變頻技術在礦井主通風機中的應用

郭陽光

(陽城陽泰集團西溝煤業有限公司，山西 陽城 048100)

引 言

近年來，國家對煤礦安全及經濟效益日趨重視。將變頻技術應用于礦井通風機中，不但可以實現對通風的有效管理，而且還可起到防止安全事故發生、提高通風機運行效率等功能優勢。基于此，本文對變頻技術在礦井主通風機中的應用進行了探討。

1 基本情況介紹

山西蘭花同寶煤業有限公司煤礦是高平地區主要的煤礦，該礦由2個斜井和1個立井組成，即，主斜井、副斜井和回風立井。回風立井安裝2臺型號FBCDZ-10-NO28 B、風量4 920 m3/min～11 100 m3/min、風壓700 Pa～2 750 Pa、功率250 kW、供電電壓10 kV的主通風機。

目前，該礦正值礦井基本工程的建設階段，井下的巷道與工作面尚未完成形成。目前礦山的風量需求量(2 800 m3/min)遠小于主風機的額定風量(4 920 m3/min～11 100 m3/min)?？煽闯?，采用傳統的工頻控制，必須通過改變風機葉片角度、調整風門和設置風障來調整風量，以滿足礦井通風要求。采用上述方法，不僅工作量大，需要時間長，而且不可能完全滿足合適的礦井風量要求，主風機一直在輕負載下運行造成了巨大的人力、資源、經濟的浪費，增加了礦井建設成本，因此,山西蘭花同寶煤業有限公司對主通風機電控系統進行了改造，引入變頻器進行控制。購買了型號JD-BP38-315F、輸入輸出電壓為10 kV的變頻器。通過主風機的變頻器控制，調節風量，提高節能效果[1]。

2 變頻器概述及工作原理

高壓變頻器主要由控制柜、移相變壓器柜、功率單元柜和開關柜4部分組成。該設備采用高壓正弦波變頻逆變電源原理，功率單元串聯，輸出疊加高壓，直接輸出到高壓電機。每個相由幾個串聯的電池組成，疊加輸出高電壓。10 kV系列變頻器每相8個或9個功率單元。整個機器的每個階段都由多個單元組成。無需輸出濾波裝置，電流諧波小，不會損壞電纜和電機絕緣。高壓變頻器的前端由多繞組隔離式移相變壓器供電。10 kV變壓器二次側有24組二次繞組，采用48脈沖整流。每相8個功率單元，三相共24個單元。輸入諧波可以滿足國家標準GB/T 14549-1993電能質量公用電網諧波中的電壓、電流畸變要求[1-3]?？刂破鞑糠挚刂聘咚傥⑻幚砥?，并與子微處理器通信。高壓變頻器是由模塊組成的器件，具有噪音較低、互換性好等優點，且高壓變頻器的諧波含量相對其他器件要小很多，不會對電機轉矩造成太大影響，對電機沒有任何要求。此外，維修也很方便，技術人員可很輕松地找到病因。

兩象限高壓變頻器(普通型)系統圖見第123頁圖1。

3 工頻控制系統與變頻控制系統的比較

3.1 工頻控制系統存在的問題

傳統主風機調節系統要實現對風量的調節，只能通過調節風門或風機葉片的角度來進行。這主要是因為傳統風機只能在恒定的速度下持續穩定地運行。傳統主風機調節系統主要有以下幾方面的缺點：

圖1 兩象限高壓變頻器(普通型)系統圖

1) 嚴重的電能浪費。煤礦的服務年限大都在幾十年以上。長期以來，主風機一直在輕負載下運行，這樣不僅會造成運行成本的增加，也會造成能源浪費。

2) 啟動過程中遇到的問題對機械自身造成損傷。主風機的開啟方式為直接啟動，啟動時間很長，電流很大，這會影響機械的絕緣性能。當機械絕緣性能受到損害時，啟動主風機時的瞬間大電流可能會對電機造成極大損壞，甚至會燒壞電機。此外，高頻次的啟動增加風扇振動應力，進而造成風扇應力疲勞，最終會影響電機使用年限。

3) 自動化程度低。傳統主風機的風量調整只能依靠對風扇葉片的手動調整進行，并不具備對風量的自動實時調整功能。如發生短路等故障，將嚴重影響礦山的正常生產。

4) 反風操作繁瑣。由于礦井的特殊需要，在特定情況下，主通風機必須在規定時間內完成反風。然而在工頻控制情況下，需完成換相柜的切換、啟動柜的再次啟動等操作，存在操作時間長、容易誤操作等不利因素。

3.2 變頻控制系統的優點

1) 軟啟動。變頻器的輸出頻率可從0 Hz～50 Hz連續變化，頻率可根據需要設定，風扇可以實現軟啟動。通常主風機容量很大，直接啟動時的浪涌電流非常大(相當于5倍～7倍額定電流)。對電網造成干擾，對電網的容量要求也相應增加，而且對風機的機械損傷嚴重。軟啟動平滑，沒有浪涌電流，大大降低風機啟動時的機械損傷，從根本上解決了啟動大容量電機的問題。

2) 調速節電減耗。由流體力學可知，風量與轉速的一次方成正比，風壓與轉速的平方成正比，軸功率與風扇角速度的三次方成正比。當風量需求降低、電機轉速下降時，風扇功率下降很多。

通過變頻器進行精確的速度控制，輸出頻率精度可達到0.01 Hz。也就是說，對于一對磁極電動機的轉速，能以小于1 r/min的速率進行調整。因此，在礦井通風中可根據礦井建設進度、瓦斯濃度變化等要求，精確地控制風機風量，達到最大化的節能效果。

3) 減少設計冗余。通風系統的總體設計符合極端使用條件，所有設計都是冗余的，有些冗余度很大，形成一個大型的馬拉車。變頻調速可節省冗余。

4) 系統功率因數高，一般在0.95以上，節省輸電線路無功功率，減輕變壓器負擔。

5) 自動化程度高，減輕了工人的勞動強度。風壓的調節可通過調整變頻器進行，具體操作上只需要改變操控臺主通風機的各種參數，就可以達到調節風壓的效果，完成通風機的啟動和停機操作，操作簡便。

6) 一鍵反風功能。鑒于煤礦通風的特殊性，在需要防雷的情況下，只需操作逆變器控制面板上的防風鑰匙即可實現防風功能。

4 變頻器節能分析

用擋板調節風量時，軸功率P和風量Q的關系近似圖2中的曲線1；使用變頻器調節風量時，軸功率P和風量Q的關系近似圖2中的曲線2[3]。

其中，曲線1的公式見式(1)。

P1=P0(0.4+0.6Q)

(1)

曲線2的公式見式(2)。

P2=P0Q3

(2)

節約電能公式見式(3)。

P=P1-P2=P0(0.4+0.6Q-Q3)

(3)

式(1)～式(3)中，P0為設計工況下的軸功率。

結合煤礦風機的一般運行情況，計算平均節能為0.77 J。

圖2 風量與軸功率的關系圖

以同寶煤業現在使用一級電機250 kW/10 kV主通風機為例，負載系數K取0.82，節電率N取77%，電價按0.7元/(kW·h)，計算見第124頁式(4)～式(6)。

RJ=KDRHN=0.82×250×24×
0.77=3 788.4 kW·h

(4)

RD=RJDJ=3 788.4×0.7=2 651.88元

(5)

ND=365RD=967 936.2元

(6)

式(4)～式(6)中，RJ為電機日節約電量，kW·h；DR為電機容量，kW；H為日常運行小時數，h；RD為電機每日節約電費，元；DJ為電價，元/(kW·h)；ND為電機每年節約電費，元。

5 結語

山西蘭花同寶煤業有限公司采用高頻變頻器進行自吸風機，能充分滿足基建施工期間的需要。變頻技術的應用提高了礦井主風機的運行效率，并提高了風機的整體運行效率，節能工作也有了很大改善，經濟效益和社會效益十分明顯。