矿井通风系统变频技术的应用分析

程　君　齐华军

(南京梅山冶金发展有限公司矿业分公司)



矿井通风系统变频技术的应用分析

程君齐华军

(南京梅山冶金发展有限公司矿业分公司)

摘要为节能减排、降低原矿开采成本，梅山铁矿结合井下矿山特点，通过对风机变频器运行的物理环境、电气环境以及后期维护保养等问题进行了变频技术改造应用的可行性分析，并利用风机特性曲线与风阻特性曲线的交点与频率的关系，计算出不同频率下的通风能耗，为井下Ⅰ级主通风机变频技术改造提供了可靠的依据。

关键词变频技术通风机调速节能

变频调速器是机电一体化的高新技术产品，是国家推广的节能技术，具有软启动、高效率、高功率因数、无级调速范围广的特点，在冶金、矿山、化工行业中得到了广泛的应用。

南京梅山铁矿是国内大型地下矿之一，建矿五十多年来，不断发展壮大，采矿装备水平和主要经济技术指标在全国地下矿山处于领先地位。此次为了响应国家节能减排的号召，降低原矿的开采成本，将对井下-402 m通风系统Ⅰ级通风机站8台风机进行变频调速控制改造，通过变频器应用的可行性分析和数据计算，为井下Ⅰ级主通风机变频技术改造提供了可靠的依据和理论基础。

1风机变频控制原理及特点

20世纪70年代以来，随着电力电子技术的发展，作为交流调速系统核心的变频调速技术得到了显著的发展，并逐渐进入了实用阶段。变频器技术是一门综合性的技术，它建立在控制技术、电力电子技术、微电子技术和计算机技术的基础之上，并随着这些技术的发展而不断得到发展。

1.1变频原理

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。大部分变频器主要采用交—直—交方式，先将工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后将直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。

1.2井下风机变频调速技术优点

变频调速技术是国家推广的节能技术，在冶金、矿山、化工行业中得到了广泛的应用。风机变频驱动与普通的降压启动相比较，在电机驱动、风量调节、节能优势上有其突出的优点。

首先从风机驱动性能上进行比较，变频器驱动具有软起、软停以及过流、电机过载、变频器过载、欠压、直流过压、过热、输入缺相、接触器吸合不良等保护功能，能克服普通降压启动对降压启动柜内接触器、继电器等电气原件的机械磨损、启动电流过大造成电机过热、缩短电机使用寿命的缺陷。

其次从风量的调节性能分析，变频是无极调节，可实现风量的连续调节，是进行风机运行工况最简单且节能显著的调节方式，而采用普通降压启动是通过开停风机调节风量，只能进行跳跃式风量调节。根据目前梅山铁矿井下通风系统特点，因Ⅳ级回风机站已经建立，矿井通风系统总风量主要受Ⅳ级回风机站控制，可以结合Ⅳ级回风机站风机的开停组合与Ⅰ级进风机站风机开停及变频调速相结合，实现矿井通风量的连续调节。

再次从风机通风能耗上比较，将变频调速技术运用于大功率长期连续运行的风机负载驱动能取得显著的通风节能经济效益。风机设备传统的调节方法是通过调节入口或出口的挡板调节给风量，当风机输入功率较大，大量的电能消耗在挡板的截流过程。而使用变频调速时，根据生产需要，当需风量减小时，通过调节风机频率，降低风机的转速即可满足要求。同时，在变频器内部滤波电容的作用下，减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。

按照矿山通风系统设计特点，风机选型一般按照通风困难时期通风阻力、风量进行选型。一般供风能力偏大，特别是在矿井投产初期和通风系统改造后，供风余量较大。若能根据井下作业时段、作业情况进行按需供风，通过风机变频调速控制，将取得明显的通风节能效果。

2风机变频可行性分析

2.1变频器运行的物理环境

变频器内部是大功率的电子元件，对运行环境有一定要求，工作温度在-10～40 ℃，相对湿度 <90%，粉尘浓度相对较小[1]。对于井下变频器应用，可通过对变频器安装硐室及变频控制柜的合理设计，满足变频器对工作环境的要求。

(1)变频控制柜内通风散热、防尘。变频器自带冷却风扇，变频控制柜设置进、排气口，顶部设排气扇，有利于变频器的通风散热，发热元件或易发热的元件在变频器的上部安装。变频控制柜柜体做好密封，进气口安装防尘过滤网，加强变频控制柜的后期清灰维护工作。

(2)变频柜安装硐室通风散热、排尘。根据梅山铁矿井下通风条件、已掘进的通风变电所硐室空间结构，此次Ⅰ级进风机站的8台风机均采用变频器驱动，设置8台变频控制柜，将变频控制柜直接安装在通风变电所硐室内。通风变电所硐室空间较大，均有2个进出口，形成1进1出的U型式通风方式，同时，此次通风机站为进风机站，从地表直接进入南、北风井的新鲜、低温风流经南、北进风井在风机负压作用下直接进入-402 m水平，再经风机、进风巷沿途通过通风变电所硐室，风源风质接近地表新鲜空气，同时新鲜风流含尘相对较少、空气温度及湿度较低，有利于硐室内变频器等电气设备的通风散热降温、设备的可靠运行，减少粉尘集聚。同时，设备布局同样较为宽松，均有利于通风散热排尘。

2.2变频器运行的电气环境

变频器在工作中由于整流和变频，周围产生干扰电磁波，这些高频电磁波对附近的仪表、仪器有一定的干扰。谐波干扰严重时，会导致有些设备不能正常运行[1]。因此，变频控制柜内所有的元器件均应可靠接地，各电气元件、仪器及仪表之间的连线应选用屏蔽控制电缆，且屏蔽层接地良好。

为了改善变频器的电气使用环境，在变频控制柜加装进线滤波器，既能阻止来自电网的干扰，又能减少整流单元产生的谐波电流对电网的污染，提高电网的功率因数，保证变频器及其他负载的安全运行，确保其他设备不受谐波干扰影响；同时，加装出线电抗器补偿长线分布电容的影响，并能抑制变频器输出的谐波，同时起到减小变频器噪声的作用。

2.3变频器后期维护保养

结合目前变频器市场产品性能逐渐改进完善，产品对环境适应性加强。考虑到井下变频器安装使用的特殊环境，为了延长变频器的使用寿命，保证系统正常运行，对变频器的定期检查和保养是非常重要和有效的。使用单位必须严格按照产品说明书的要求，做好变频器后期保养、维护。

3风机工况点调节及变频调速

3.1风机工况点调节

风机在一定转速运行时，风机特性曲线与风阻特性曲线的交点即为实际运行的工况点，风阻特性曲线由一条上凹的二次曲线，风机特性曲线(轴流式风机)为一条下凹的曲线，两者的交点即为工况点[2]。此时，对应的风量Q、风压H、功率N、效率η为通风主要参数。

风机工况点由风机特性曲线与风阻特性曲线共同决定，因此，工况点的调节可以从风阻特性曲线、风机特性曲线的调节着手。

(1)改变风阻特性曲线。根据风压与风量的二次方关系式H=RQ2，可以知道改变矿井总风阻可以改变风量及风压。如新掘进、回风井通道，与原有进回风通道构成并联结构减少了矿井总风阻，或扩刷巷道断面(摩擦风阻与巷道断面的立方成反比关系)减少总风阻、或者减小局部阻力等措施均可以减少矿井总风阻。

通过改变风阻特性曲线是改变风机工况点的方法之一，见图1。在一定风阻条件下，风阻特性曲线为R＇0，与风机特性曲线交于M0，当增加总风阻时，风阻曲线变陡峭，风阻曲线变为R＇1,与风机特性曲线交于M＇1，风量Q＇1Q0。

图1　改变风阻特性曲线时工况点变化

(2)改变风机特性曲线。改变风机特性曲线可以根据风机的不同形式采用不同的方法，对于非煤矿山大多数选用矿用轴流式风机，对于轴流式风机可以进行叶片安装角度以及风机变频调速的方式改变风机特性曲线。风机经设计选型后，厂家按照设计要求的叶片安装角度加工出厂，矿山企业在施工安装时一般不再进行叶片安装角度的改变，受井下粉尘、潮湿等作业环境影响，后期需要改变风量时，很难进行叶片角度的调节。因此，对于轴流式风机采用改变风机变频转速方式是改变风机特性曲线，成为调节工况的主要方法。风机在不同转速时的特性曲线见图2。

图2　风机在不同转速时的特性曲线

矿井某个生产期间风阻特性是基本稳定不变的，额定转速时风机的特性曲线Ⅰ与风阻曲线的交点M0即为风机的运行工况点。根据风机功率N=HQ/η，H与Q所围成的面积相当于风机功率大小(图2中虚线所围的面积)。

假设工频运行时风机特性曲线与管网曲线交于M0，风量为Q0，风机特性曲线为序号0曲线，风压为H0。通过降低频率至f1，此时，风量为Q1，风压为H1，风机的特性曲线形状几乎没有改变，风机特性曲线为序号1曲线，与风阻特性曲线交于M1，此时工况点从M0移动至M1，继续降低频率至f2，此时，风量为Q2，风压为H2，风机特性曲线为序号1曲线，与风阻特性曲线交于M2，此时工况点由M1移动至M2。

从图2可明显地看出，当降低频率减少风量时，风压随之减少，且风压改变速率大于风量减少，而风量与风压所围成的面积减少更快，风量减少时虚线所围成的面积明显逐渐减小，S0-Q0-M0-H0>S0-Q1-M1-H1>S0-Q2-M2-H2，所围面积直观地表明了风机所消耗的功率逐渐减小，达到了显著的通风节能的效果。

综上两种改变风机工况的方法(实际调节时也可以同时改变风阻特性曲线和风机特性曲线)，一般要尽量利用现有通风工程，减小矿井总风阻，增大风量。当然，对于风量的增减，根据生产需要按需供风，同时提高有效风量。因此，改变风机转速的工况点调节，是一种最为简单且节能显著的方式。

3.2风机并联联合运行工况

在矿井通风系统中，为了增加通风系统中的风量，采用风机并联联合运行。联合运行的工况由风机的特性曲线与风阻特性曲线共同决定。一般说来，2台同型号的风机并联运行后总风量增加。

若在一条装机巷道采用不同型号的风机并联运行或者两条并联装机巷道之间不同型号、不同数量风机并联运行，将可能造成联合运行工况的恶化，并联后风机风量可能并不增加，甚至可能通过通风能力小的风机或者通风能力小的装机巷道发生反向流动，如图3所示1#装机巷道为2台同型号风机，2#装机巷道为2台同型号风机，但是通风能力大于1#装机巷道通风能力。

图3　并联风机布置形式示意图(不同型号、转速风机)

如图4所示，两台不同型号或转速的1#风机(或者装机巷道1)与2#(或者装机巷道2)风机并联后总性能曲线为1#+2#，当风阻曲线R较为平缓时，风阻曲线R与1#+2#性能曲线没有交点，造成运行工况恶化，使得总流量可能通过2#风机(或装机巷道2)反向流动。

图4　并联联合运行工况(不同型号、转速风机)

3.3风机变频调速

根据交流异步电动机的转速表达式：

(1)

式中，n为异步电动机的转速；f为异步电动机的频率；s为电动机转差率；p为电动机极对数[3]。

改变f、s、p任何一项值都可以改变电动机的转速，但由于在实际应用中改变s、p来实现调速的设备比较复杂，调速效率低、范围小，而且电动机选定后一般s、p为定值。因此，改变电源频率可以改变电动机的转速，从而达到变频调速，通过改变电动机电源频率实现速度调节，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。

根据流体力学的比例定律，从理论上分析可以得出风机风量、风压、风机功率与频率之间的特性关系。

风量Q等于流速V乘以断面积S，而流速V正比于电机转速n，电机转速n正比于电源频率f，得出：

Q1/Q2=V1/V2=n1/n2=f1/f2

风压H等于风阻R与风量Q的平方之积即：H=RQ2，风阻R是空气密度、巷道粗糙程度、断面、周长、沿程长度参数的函数，也称之为巷道管网系数，在矿井通风的一定时期认为不变即改变风机特性风阻R保持不变，得：

风机功率N等于风压与流量之积，即：N=HQ/η=(RQ2)Q/η=RQ3，改变运行频率时，效率基本保持不变，得出：

在通风网络模拟解算中，通风网络解算软件自带变频调速下风机特性曲线计算分析过程，自动进行风机工况点的调节，并能计算出不同频率下的通风能耗。

4结语

通过对风机变频器运行的物理环境、电气环境以及后期维护保养等问题的可行性分析，风机特性曲线与风阻特性曲线的交点与频率的关系，以及计算出不同频率下的通风能耗，可以得出风机采用变频技术后，节能效果非常可观。后续在改造基础上，可以考虑在通风巷道中安装流量检测装置，将风量信号远传到DCS上，与变频器构成PID调节，实现闭环控制，自动跟踪风量，满足生产需要，从而实现从闭环控制上达到节能的目的。

参考文献

[1]徐海，施利春，孙佃升，等．变频器原理及应用[M]．北京：清华大学出版社，2010．

[2]刘殿武，杨胜强．矿井通风技术[M]．北京：煤炭工业出版社，2009．

[3]戴文进，肖倩华．电机与电力拖动基础[M]．北京：清华大学出版社，2012．

(收稿日期2015-11-27)

程君(1982—)，男，工程师，210041 江苏省南京市雨花台区西善桥。