变频技术在矿井主扇风机中的应用

0 引言
    在矿井通风系统中，主扇风机需24 h连续运行，其年用电量约占全矿年用电量的8%(20%!目前，大多数风机异步电动机电控系统仍采用工频电源定速控制，通过人工调整闸板位置或扇叶角度来实现风量和负压控制，人工调节需停机"拆卸螺丝等，十分繁琐，并造成电能的浪费!
变频技术的工程实用已经有20 a多的历史，新型电力电子器件和高性能微处理器不断得到应用，促进了性价比更高"体积更小"运行更可靠性的变频器发展，已逐步取代传统电磁调速!
1 概述
    变频技术在调节风机电控系统的转速"改善功率因数"提高启动平稳性和经济效益等方面有显著效果，同时还具有无冲击启动和软停机的优良控制特性!发达国家风机变频调速的利用率已达10%，而中国还不足0.01%，有很大发展潜力!
由于煤矿生产环境特殊，对安全性的要求较高，煤矿机电设备中还很少有符合煤矿安全要求的隔爆型变频器产品!随着中国经济的快速发展，煤矿的增产"降耗"提效被提到了重要地位，利用变频调速技术对设备进行节能改造是大势所趋.
2 变频技术原理
    变频技术的核心设备是变频器，它是结合了应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备!在家庭和工厂使用的工频交流电分为单相和三相交流电源，其电压和频率均按各国规定的标准执行，有单相220 V/50 Hz，三相380 V/50 Hz等!而变频器首先把电源的交流电经过整流变换为直流电，再通过逆变器把直流电源逆变为频率和电压可调的交流电源!根据变频技术的基本原理，电机的转速与工作电压的关系是：式 （1） 中，!为电机转速，r/min；"为输入频率，Hz；#为电机转差率；$为电机磁极对数!同时，根据风机比例定律，当叶片直径"工作介质密度恒定时，风机!因此，风机转速的变化直接影响着风量的变化，而风机消耗功率变化幅度将更大!因此，变频技术应用在矿井主扇风机中，具有调速范围更宽"节能效果好"精度高等特点!
3 煤矿主扇风机对变频技术的应用要求
    在对煤矿主扇风机进行变频技术改造时，首先要调研考察风机的现行工作运行情况，如现运行时风门已全部打开，才能满足矿井所需风量，则没有必要进行变频技术改造!由于主扇风机属于平方转矩类负载，进行变频技术改造时需选择适合于风机水泵使用的通用型变频器!变频器通常根据主扇风机电机的额定电流"电源与电动机的额定电压要求进行选择!变频器额定输出电流要大于主扇风机电机的额定电流，同时经常运行频率取值要合理，选用正规厂家质量和服务过硬的产品，保证安全性和可靠性!
    煤矿主扇风机是保障煤矿安全的主要通风机械，一般配备2套，其中1台作为备用，其配用功率从数十千瓦至数百千瓦!相应的电动机也不同，一般380 V低压电动机适用于功率315 kW以下主扇风机，而6kV高压电动机适用于功率大于315 kW的主扇风机!矿井主扇风机的额定风量"风压通常设计时富余量较大，石家庄风机是根据设计计算矿井末期的通风阻力和产生的风量!过去常常通过关闭小风门档板，人为增加通风阻力改变主扇风机的运行工况，使风量和风速达到生产所需!
    在煤矿投产初期，由于巷道短"通风阻力小，如果按额定工况通风，将造成采煤工作面风速超限并引起煤尘飞扬，影响采煤面的工作和安全!一般采取关小风门挡板增大通风管网阻力的方法使矿井的排风量减少!风机的转速与风量"功率存在以下关系：通过人为增加通风阻力的方法调节风量造成了电能资源的浪费，而采用改变风机转速的方法调节风量节能效果显著，同时还能有效延长机械使用寿命!
4 应用实例
    矿井主扇风机配套电动机采用上述人工调节闸门的方法调节风量，按煤矿生产安全规程要求的配风产品1台直接驱动工作主扇风机，备用风机仍然由工频拖动!
    艾默生该型变频器可自整定电动机参数，利用了对磁通电流和转矩电流的解耦控制及低频转矩提升技术，使电动机启动转矩增大到180%，当电网电压产生波动时，额定输出能力能较平稳，特别适合用于潮湿和粉尘超标的环境!
    通过进行变频技术改造，变频器限制了电机的起动电流，电机起动时的峰值功率损耗减小了，电网功率因数提高到了0.96以上，消除了电动机启停时的机械冲击，延长了主扇风机的使用寿命!同时，由于选择的风机富裕度较大，运行频率范围设定在33 Hz(45 Hz之间即可满足风量需要，使主扇风机达到了最优配置，改变了大功率风机小风量需求的弊端，经济效益显著!
    在进行变频技术改造前，主扇风机全年电量按照运行350 d计算，为320,24,350=2 688 000 kW*h，电费按0.5元（/kW*h）计算为1 344 000元，采用变频技术改造后，由于深部开拓工程量小，每年12月中旬至第2年3月初自然通风状况良好，风机转速可适当降低，全年运转平均频率大约在33 Hz(45 Hz范围内，实测电流表电机平均电流为350 A，主扇风机实际消耗功率约为170 kW!全年用电量则为1 428 000 kW*h，电费则是714 000元，平均每年节约电量1 260 000kW*h，每年节约电费630 000元!变频技术改造后，主扇风机运行稳定，通风系统各项指标达到了安全规程要求!风机以低于额定转速运行，噪声降低"磨损减轻，减少了维护费用!
5 结语
    在当前煤炭企业，应用变频技术对煤矿主扇风机的系统改造并不多见，对风机实施变频技术改造，其核心是利用变频技术对拖动风机的电传动系统进行改造!变频调速技术使电力传动系统的节能水平和控制性能都有较大提高，对煤炭企业科技进步起到重要作用!