变频技术在矿井主扇风机中的应用

刘占栋

(阳泉煤业(集团)有限责任公司一矿，山西 阳泉 045000)

0 引言

在煤矿企业的安全生产中，随着开采持续推进，实际工作中的风机所需功率与原设计功率存在显著差异[1-2]。矿井主扇风机是煤矿通风的重要设备，通风不畅会危及矿井安全和矿工生命。在日常工作中煤矿通风机的实际功率比煤矿正常生产所需功率要高得多，矿井风机全年运转率高达100%，耗电量巨大。变频调速技术是上世纪90年代发展起来的，其精度高而且高效节能，因此成为调速首选[3-6]。

随着信息化时代的到来，提高矿井主扇风机的工作效率，实现矿井风机的节能降耗，是当前煤炭企业需要解决的重要问题之一。为此，根据现场工作实践，对主扇风机的变频调速技术及节能改造进行详细阐述。

1 主扇风机存在的问题及变频技术的优势

1.1 主扇风机存在的问题

电能浪费严重：大多煤矿企业设计年限在60 a以上。从投产到稳定开采约10 a，在传统条件下，可以通过改变主扇风机的叶片或是改变挡风板角度调节风量，无形中造成了能耗浪费，加大了生产成本。主扇风机直接启动电流大、损耗大，对电机的绝缘造成影响，严重时可能烧毁电机[7-10]。

自动化程度不高：主扇风机靠人为调节，自动化程度低。主扇风机作为高耗能设备，在运行过程中牵涉的设备繁多，实施在线监控涉及很多设备监测参数，监测难度比较大。只有实现设备的自动化监控，并保证它的良好运行状态，才能更好地保障煤矿安全生产，对煤炭企业实现降本提效有着十分重要的意义。

1.2 变频调速技术的优势

使用变频技术前的风量调节方式：一般来说，矿井主扇风机进行调节时，可更改风机的性能曲线，或者更改管网热性曲线，也可以是两者互相结合。以往用调节风量、调节转速等调节风门的方式调节风量造成资源浪费严重。在使用变频技术前，无论是离心式风机或是轴流式风机，在调整风量时候都很费时费力，大多是调节风门改变风进断面尺寸或者改变叶片角度等方式调节风量。

使用变频技术后的优势：使用变频器后，只需要调整频率就可以调整矿井风量，提升了矿井的安全性。变频器即“VVVF”也叫做“交-直-交”变频调速器，在矿井主扇风机中用变频调速器能达到显著的节能降耗效果，提高风机的可靠性。使用变频调速器有以下优点:①电机转速能实现无极调速；②能使功率提高到99%；③转矩补偿功能完全，在保持电压常数的情况下，可以不降低电源频率，避免电磁炉过于饱和及电机负载下降，防止功率变弱；④变频调速器的自身保护功能完备；⑤使用变频调速器后，电机可直接启动风机，启动电流应不超过额定电流的两倍。

2 变频调速器的具体应用

2.1 变频调速器的适用条件

不适宜应用变频调速器的情况：不是所有的风机在应用价格较贵的变频调速器后，都能达到节能省电效果。倘若矿井主扇风机日常运行的风量等于或比井下安全生产需要的风量大，矿井主扇风机就不能安装变频调速装置，因为这时风量饱和，倘若再降低矿井主扇风机频率，风量不能满足矿井通风了。此时，只能使用降低线损、并联电容器的方式来进行补偿，进而达到节能降耗的效果。

适宜应用变频调速器的情况：矿井主扇风机在设计选型时，多数矿井都需要谨慎考虑矿井所需的最大风量。因此，会时常出现供出风量比实际风量大的情况，主扇风机有富余量，调节范围大，这种情况下应用变频调速技术后的效果较好。所以，变频调速技术大多是应用在主扇风机有富余量的矿井，这类矿井主要有新投产矿井和工作面不多的老矿井，这主要是由于新投产的矿井通风系统一般较为简单，而工作面不多的老矿井有富余风量的情况较为常见。

2.2 变频调速器的选型

合理选择变频调速器的必要性：高质量的变频调速器控制变频的自动化程度较高，不仅可以改变电源频率，其辅助功能水准也很高；可以实现近控或是远控，能将其他参数变化通过传感器实现自动控制，直到电脑程序的控制终端。一般来说，变频调速器的水准越高价格越贵，所以在满足井下正常通风和反风需要的前提下，选择变频调速器应考虑经济合理性。

选择变频调速器的原则：主扇风机安装就位后，风量调整大多采用调节垂直风门、改变风阻，在选好变频调速器后，主扇风机风门全开，按电机转速来调整风量大小。在风机正常工作，通风系统完好，井下风路无变化，风量、风压变化小时，主扇风机可以稳定运行，所需辅助功能少，应优先选择能满足电机基本保护需要的变频调速器。以往按照电机运行容量来选择同等容量的变频调速器，这种方法是不恰当的。而选择变频调速器第一点就是要考虑它能否适应存在富余风量矿井的主扇风机；变频调速器不需在基频状况下工作时，如选择基频电机功率的变频调速器，会增加投资负担。

主扇风机选用变频调速器，风量应满足

Ie≥K1·K2·I1

(1)

式中：Ie—变频调速器额定电流；K1—反风时电机功率的增加系数，一般选值是1.05～1.2；K2—变频调速器过载能力；I1—选择的变频调速器实际电流。主扇风机变频后，输出功率会因电机功率下降而下降，功率降低后，电机负载相应下降，功率、输出电压都会发生变化，难以确定变频至特定频率时变频调速器的电流数值。在日常生产经营中选择变频调速器容量，应使用比例定律

(2)

2.3 变频调速器的调试运行

选择变频调速器型号、容量和确定运行频率后，需要按照实际风量进行校核，如图1所示。

2.4 变频改造后的实效

实现远程监控及自动化程度提升：大多煤矿企业实施改造后能够达到远程监控，提升了矿井配风的精确度，确保矿井通风安全。实施改造后节能节电效果明显，矿井主扇风机能充分满足矿井通风，节能节电效果显著。变频调速器按照设定频率调节电机转速，达到了风机转速的自行控制，增设DCS控制系统后，达到风机的远程控制，提升了自动化程度，实现了无人操作。

实现软启动：变频改造后对电网的冲击减少，软启动系统得以实现，启动稍长但平稳，电机的额定电流高于启动电流，低速运行，主扇风机的噪声、温度得以降低，延长了电机和风机的使用年限。维护维修的工作量减少，延长了很多零件的使用寿命，节省了维护费用。

3 结语

矿井确定风机风量时，大多要求比实际风量大，只有在满足风量需求的条件下，才能采用变频调速技术对矿井风机进行调速。采用变频调速技术后，用风门控制流量，电机的输出功率比原来降低了10%～40%，节电效果非常明显。变频调速技术调速操作简单方便，不仅使通风系统运行效率大幅提高，也提升了安全性能，获得了显著的经济效益和社会效益，有一定的推广价值。