中压变频器在矿井主扇风机调速节能改造中的应用

冯宝梁

（山西汾西矿业集团贺西煤矿，山西 吕梁 033000）

通风系统在煤矿的安全生产过程中起十分关键的作用，主扇风机作为通风系统的核心直接关乎到井下矿工的安危。基于现实需求设计的主扇风机，其功率往往超出矿井实际需要，富裕系数较大，产生了较大的能耗[1-3]。因此，借助于中高压变频器对主扇风机进行改造，不仅能够满足煤矿通风要求，还能够减少电能损耗，降低运行成本。

1 主扇风机变频控制改造的必要性

传统的主扇风机大多利用转子串产生的电阻磁力完成启动，在启动时会产生较大的电流，其产生的机械冲击力会直接影响到主扇风机的使用寿命。且运用转子串产生的电阻会导致系统精度降低，增加电机烧坏故障的发生率，需要耗费更多的人力资源进行维护[4-5]。与此同时，主扇风机在运行过程中若始终处于半负载状态，会导致对电力资源的浪费。除此之外，传统的主扇风机自动控制能力较差，使用的安全性欠佳。

2 运用中压变频器改造主扇风机的思路

2.1 主扇风机的应用

在煤矿开采过程中，主扇风机负责通风工作，这也对主扇风机的稳定性提出了较高的要求。主扇风机若不能良好运行，会直接导致煤矿开采工作无法正常进行。作为耗能较大的设备，由于主扇风机需要改变风叶来调节风量，会产生较大的能耗，这也无形中增加了生产成本。针对以上情况，经各方讨论，在对主扇风机进行改造时，应选用ABBACS800系列变频调速器。

目前，主扇风机通常采取离心式和轴流式两种结构。在设定额定通风能力的过程中，通常将矿井末期的通风阻力和风量作为主要参数，在生产初期，风机具有较大的富余能力，当风机按照规定转速运行，排风量和风压如图1所示。在投产初期，由于开拓量较小，巷道较短，所产生的通风阻力较小，基于此种情况下，若严格依据额定工况通风，会导致采煤工作面的风速超限，进而对采煤工作的安全性产生不良影响。

图1 主扇风机排风量特性曲线图

2.2 中压变频器的选用

主扇风机不仅需要满足通风需求，还需要具备良好的节能效果。因此，在选用变频器的过程中，需要综合考虑额定电压电流以及其对主扇风机运行效率的影响。汾西矿业集团贺西煤矿现有两台主扇风机，其中一台为备用，两台风机的设备参数和变频器的各项参数完全一致。主扇风机的各项参数情况见表1，变频器参数见表2。

表1 主扇风机参数表

表2 变频器参数

本次选用变频器主控器件为CPLD和DSP芯片，主电路采用三电平电路，输出谐波和电压有效降低。功率开关器件选用双单元IGBT模块，经整流处理后，串联成滤波器。电解电容采用六串四并形式，变频器频率设定为43Hz。中压变频器结构图如图2所示。

采用三平电路设计的优势如下：（1）有助于降低电压谐波，确保输出波形良好；（2）有助于形成对主扇风机的保护；（3）有助于促进变频器的稳定性，借助于人机界面，能够实现对各项参数的实时设置，监控系统的运行状态；（4）有助于实现对线路损耗的补偿，实现远距离传输，且不会影响到电机运行；（5）有助于利用过压、硬件过流等，实现对风机的变频保护，在出现故障后查找故障点；（6）可实现闭环运行。

图2 中压变频器结构图

3 改造方案及其效果

3.1 改造方案

贺西煤矿现有2台主扇风机，其中1台为备用。选用2台ABBACS800系列变频调速器，任何一台变频器对应控制1台主扇风机，煤矿根据自身情况对变频切换周期进行合理设定。主备风机每隔2h切换一次，变频器每隔2h切换一次。将工频旁路设置在控制回路的旁边，结合自身需要进行手动切换。在变频运行状态，中压变频器能为风机提供全面保护，一旦中压变频器发生故障，则立即启动备用风机，以此来保证通风系统的顺畅运行，以满足煤矿的通风需求。

3.2 节电率

根据节电率计算公式（N1-N2)/N1可得，该煤矿的节电率约为36%，若按照电价0.57kW·h进行计算，基于工频为24h的情况下，耗电费=20932.81×0.57=11931.70元，变频改造费用为7626.74元/d，在变频改造结束后，可节约电费4304.96元，一年为365d，则可节约电费4304.96×365=1571311.57元。

3.3 节能效果

结合对风机工频运行情况进行分析，变频调速频率约为43Hz，与理论计算的36%稍有差池。若频率低于43Hz，则节电率将会更低。在现场控制过程中，若能够引入中压变频器，还有助于扩大调速范围，结合具体风量对风速进行调节。通过运用变频器，还能够实现软启动，有助于防止对主扇风机造成冲击，且对功率因数的控制高达95%以上。除此之外，采用变频控制方案，有助于减少主扇风机的磨损，延长主扇风机的寿命，降低噪音污染，起到了良好的节能效果。

4 结论

贺西煤矿在将中压变频器引入主扇风机改造后，满足了节能环保的要求，有效确保了通风系统的安全性，运行成本显著降低，社会效益和经济效益显著。首先，引入变频风机能够实现软启动，减少了机械冲击，延长了设备的使用年限。其次，应用中压变频器能够根据需求对风量进行调节，减少了资源的浪费，只需对电机转速进行调节即可调整风量。此外，中压变频器设计了外围连锁保护系统，输出的谐波量较小。最后，应用中压变频器能够借助人机界面减少人工操作的频率，也避免了人工操作事故的发生。