主扇风机高效运行与稳健启动实现研究

摘 要：高效运行与稳健启动，是对矿井主扇风机的两个基本要求。通过异步电机几种调速方式的对比，结合实例说明主扇风机采用的高压变频调速装置，具有优良的启动特性和调速能，可实现风机特性曲线的合理变化，获得经济运行工况点，降低了能耗，实现了重载软启动，是先进的电气控制技术。
关键词：主扇风机；变频调速；工况点；软启动；高效；节能

    煤矿生产过程中，矿井对风量的需求和通风网络阻力经常发生化，需要经常调节通风机的工况点以适应生产要求。通常的做法是选用较大富裕量的风机再配合不同方式的调节，如轴流式风机改变叶片安装角度、离心式风机改变前导器叶片转角、调节风门闸板改变通风阻力等。这些方法存在着调节不方便、可调范围小、运行工况处在高速低效高耗能的状态等缺陷。大部分矿井采用轴流式风机，轴流式风机只能在风门开启状态下启动，属于重载启动，而且通风机旋转部件的飞轮惯量也比较大，风机的负载特性还是 T∝n 2 ，需要的启动转矩较大，常规的启动设备或直接启动很容易造成风机的启动困难、启动电流过大，成为通风机安全运行的一项重要技术内容。
    根据风机特性，提高风机运行效率主要通过两个方面来实现。一是合理布置矿井通风网路，尽量降低通风网路阻力，本文不赘述。二是配以适当的调节方式，使通风机与通风网路达到合理的匹配，让通风机在高效区运行。流体机械技术表明，调节转速是通风机实现经济运行的有效途径。变频技术的快速发展使交流电动机的调速技术发生了深刻变化，其优良的调速性能与独特的软启动特性，对通风机实现高效运行与稳健启动具有重要的意义。
1 风机调速节能基本原理与启动特性分析
1. 1 风机调速节能的基本原理
    从图 1 可知，曲线 1 为通风机在全速下风压—风量的特性曲线，曲线 2 为风门全开时管网的特性曲线，石家庄风机上述两曲线的交点 A 代表自然运行工况点，其风压和风量分别为 H 1 和 Q 1 。如果矿井需要的实际通风量为 Q 2 ，可以通过调节风门，改变管网的特性得到曲线 3，它与曲线 1 的交于 B 点，取得要求的风量 Q 2 ，但风压上升至 H 2 。也可以通过改变风机的转速而使风机的特性曲线变为曲线 4，它  与管网的特性曲线 2 交于 C 点，同样取得要求的风量 Q 2 ，同时风压降至 H 3 。假定在上述 3 个不同的工况点运行时，机械和电气传动系统的效率都相等，则在 3 个不同的工况点运行时从电网吸收的功率应与相应工况点的风量和风压的乘积成正比，即与图中 AH 1OQ1、BH 2OQ2、CH 3OQ2 这 3 个矩形的面积成正比。从以上分析可以看出，调节通风机转速改变风量的运行方式属于减少空气动力的节电方法，它跟一般常用的调节风门控制风量的方法比较，具有明显的节电效果。

1. 2 风机启动特性分析
软启动可以使电动机的输出转矩满足机械系统对起动转矩的要求，平滑加速，平滑过渡，避免出现冲击性力矩；降低电动机的起动电流，避免冲击电网和烧坏电动机绝缘。
矿井主扇风机属于叶片式平方转矩型负载，在低速时负荷较轻，可按线性方式加速，加速过程可快一些，以缩短启动时间；但随着转速的增加，负载转矩增大较多，加速度应减缓一些，以减小启动电流。所以采用半 S 形速度图并控制启动加速度的软启动方式是比较适宜的，如图 2 所示。