变频技术在煤矿通风机控制中的应用探讨

陈茂华

摘 要：通过与传统的煤矿通风机调速控制技术比较，介绍了变频技术的优点及应用与煤矿通风机控制系统中的可行性。

关键词：变频；通风机；安全

1 前言

煤矿巷道的通风系统，在煤矿安全生产中起着至关重要作用，主通风机是保障通风系统的重要设备。由于功率大，昼夜连续运转，耗电量占煤矿总用电量的15%～20%，有的高达30%。风机的实际工况，取决于风机的特性曲线和矿井的阻力特性曲线。在生产过程中，矿井阻力特性曲线是变化的。随着煤矿开采及掘进的不断延伸、巷道延长，所需风量增大；随着煤矿工作面的减少所需风量也减少。各种交流调速拖动系统有较大局限性，直流调速拖动系统又过于复杂和昂贵，经过技术上和经济上的比较，我国矿井通风机大多采用交流电动机不调速拖动调节风门调整风量的工作方式。随着半导体技术的进步，新的交流变频调速通风机电控系统以其可靠性高，调节方便灵活，节能效果显著等优点，已经成为矿井通风机控制系统的首选。

2 通风机调节方法

通风机的风量调节，是通过改变通风机本身的特性曲线或改变外部管网特性来进行的。可以分为风机恒速时的风量调节和风机变速时的风量调节。

2.1 通风机恒速时的风量调节

对于轴流式通风机。通过增大叶片安装角度可以增大风压，也可以通过改变工作轮的级数或叶轮片数来调节通风量。但这些调节一般需要在风机停机时才能进行，只适合较长阶段的风量调节，无法实现通风量的平滑调节和与实际通风量要求的随动。

对于离心式风机。目前都是通过调节通风机口及风道或送风道中闸门的开启程度，人为地减小风道断面，增加通风阻力，改变通风管网的特性曲线，最终改变风机运行工况点，实现风量调节。这是一种很不经济的调节方法。

2.2 通风机变速时的风量调节

通过改变通风机的转速，实现通风机特性曲线的改变，从而改变通风量，是离心式通风机节能运行的有效方法。

由流体力学可知，风量Q与转速n的一次方成正比，风压H与转速n的平方成正比，轴功率Ps与转速n的三次方成正比。即：Q∝n，H∝n2，Ps∝n3。当所需风量减少，风机转速降低时，其功率按转速的二次方下降。如所需风量为额定风量的80%，则转速也下降为额定转速的80%，而轴功率下降为额定功率的51.2%；当所需风量为额定风量的50%时，轴功率可以下降为额定功率的12.5%。当然，转速降低时，效率也会有所降低，同时还应考虑控制装置的附加损耗等影响。即使如此，变速调节的节电效果也是非常可观的。

3 变频技术的优点及应用

3.1 变频技术的优点

起动平稳，无级调速，调速范围大；工作可靠，能长期稳定运行；有无功就地补偿功能，提高功率因数到0.98以上；转矩补偿功能，即保持电压/频率为一常数，避免当电源频率下降，造成电机磁路过饱和，增大励磁电流使电机负载能力下降，功率因数变小；變频器自身的保护功能齐全。有输入电压不足保护、过流保护、过载保护、短路保护、冷却散热片过热保护、失速的防止和保险丝短路保护等，大大提高了电机运行的可靠性；电机可直接启动，启动电流不超过电机额定电流的1.7倍，减少对电网和设备的冲击；降低电机的噪音和温升，延长电机使用寿命；操作简便，改善操作环境、降低工人作业强度。

3.2 变频技术应用特点

为了实现通风机风量自主控制，在进行煤矿通风机控制系统的变频技术应用时应考虑以下因素。

⑴可靠安全性能的因素。通过通风机的电器数值来决定最适合的曲线进行加速，这样做可以取得最好的软启动功效。1）依据煤矿需要的风压与风量的数值大小，对风机的最好叶片位置进行调节，按照通风机的曲线特性选取最好的工况点与转动速度，最终决定变频器的使用速率。2）按照有关的规定，煤矿每一年都要进行井下的反风演练，保证通风机在需要时能迅速进行反风操作，为煤矿井下提供充足的反风量。3）变频器内部基板三防涂层处理及铜条的镀镍处理，提高了变频器环境适应性，适合煤矿应用环境。设定变频器的工作频率时，需要对负频率的范围进行设置，不需遵循传统的反风形式。4）通风机要定期进行倒机的切换，能够方便以后的维护工作。

⑵节约能源的因素。煤矿采用的是性价比较高的变频控制系统。1）在电动机的异步定电子流中包含了谐波高次的成分，会导致电动机的功率因数发生差异，所以变频器应采用谐波高次分量比较小的产品。2）电动机要尽量选择效率较高，能量耗损较低的，这样做的目的是能够尽量避免铁芯的损害。3）选择变频的设备时要确保与供电的电压相同且是直供式的设备，将电网造成的污染减到最小，对高次谐波起到抑制效果，对其他的设施不会构成干扰。4）由于变频设备允许正常情况下的电压波动，并且当电网电压降低较多时不影响运行。所以，在电网出现迅速闪落，高压电网发生接地的单相事故时，变频装置还能工作，不会出现停止运行的现象，确保了通风机的运行工作。

3.3 效果分析

以某煤矿通风变频调速改造工程为例。现场两台110KW*2风机，风机型号：FBCDZ-6NO17B，电机型号：YBF316-6，风量2036-4518m3/min，风压792-2992Pa，电机功率：2X110KW，电压380/660V，电流206/108A，频率50Hz。工程中采用LSIH高功型变频器，专用于HAVC，具有空间矢量技术和多种保护功能。经过改造运行后的测试数据为：①改造前：输入电流120A，运行频率50Hz，电机平均功率90KW；②变频改造后：输入电流85A，运行频率50Hz，电机平均功率70KW。按每度电0.76元、年运行时间365天计算，每年可节约电费：（90-70）X24X365X0.76=133152元。可见，煤矿通风机采用变频技术后，节能效果非常显著。

[参考文献]

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[2]田玉芳，周家胜.矿用通风机的变频改造[J].煤矿机械，2004，（7）：100-101.