矿井主通风机电机启动方式应用探讨*

潘文强

(山西西山晋兴能源有限责任公司 斜沟煤矿，山西 兴县 033602)

0 引 言

矿井的主要通风机是矿井通风系统中最主要、也是最重要的设备，随着近年来国内大型煤化工项目的发展，机电设备的供电可靠性也越来越受到各矿井的关注。对于主要通风机使用的电机，其启动方式的选择对主要通风机的运行安全有着较为直接的影响。

笔者基于工程实际项目案例，结合主要通风机电机的不同启动方式的运行情况进行比对，分析主要通风机电机全压启动、软启动、变频启动的优势及劣势[1]，为通风机的运行安全提供一定的参考。

1 通风机电机启动方式应用概述

我国煤碳行业在早期开采时对矿井通风风量需求较低，在主要通风机选用的电机功率较小的情况下，对启动方式的选择没有特别的需求，常采用的是全压起动的方式，这也是最为简单、可靠的一种起动方式。但全压起动会的弊端也十分明显，启动电流大、冲击电网，而电压的下降,将直接影响其他运行中的设备的稳定性。

因此，我国通用用电设备的相关标准规范有明确规定：电动机启动时，需要保证端子电压满足机械启动转矩的要求，且配电系统电压波动要控制在一定范围内，以免影响配电系统中其它设备的正常工作与运行。而矿井主要通风机作为矿井的一类负荷，其重要性不言而喻，因此主要通风机配电系统的稳定性尤为重要，显然，使用全压启动的方式仅能满足于小功率的风机电机，在大功率风机电机启动的问题上，全压启动难以适用。

随着煤炭行业产能逐步提升，矿井生产对风量的需求也逐步增高，大功率风机电机被普遍采用，全压启动方式无法满足我国通用用电设备的相关标准规范，其缺点及危害逐渐暴露，为解决全压启动对电网冲击大、启动冲击转矩高等问题，对于中、大功率的电动机在标准规范中通常不允许直接采用全压启动的方式，而是通过降低电机启动时的电压的方式来实现电机的启动，即为降压软启动[2]。降压软启动能稳步提升电机启动时的转矩，符合主要通风机的机械特性曲线。降压软启动技术虽然解决了以上问题，却只能全压运行，无法精确控制电机的输出功率，对于需要精确控制主要通风机风量及节能降耗等方面仍存在短板。

随着科技进步，变频调速技术在主要通风机的应用，这种通过变频器对输出交流电频率的改变来精确控制电机的转数和转矩的方式，不但能够实现主要通风机的软启动,而且完美解决了主要通风机的调速、节能等方面的问题，可以说变频调速技术是电机软启动技术的一个革命,也是今后的发展方向。

2 启动方式分析比较

2.1 启动方式介绍

主要通风机电机的启动方式可以分为全压启动、软启动、变频启动三种，文中将结合工程实际项目案例对以上三种启动方式、控制原理进行分析，并通过对比总结不同项目的优缺点。

2.2 启动方式与控制原理

2.2.1 项目一

启动方式：全压启动。因项目一使用的风机电机功率较小，启动时对电网的冲击符合全压启动的标准，因此本项目可以选择全压启动的方式。本项目使用的是FBCDZ-№22对旋轴流式通风机，电机功率2×250 kW，电压10 kV，频率50 Hz，额定电流19A。启动时启动电流为80A左右，启动时间：5s(单台电机)。该主要通风机在启动时需要对两台电机进行分步启动，即先启动一级电机，待电机运行正常后再启动二级电机，以减小冲击电流。

控制原理：如图1所示，通过电机出线柜KM(P)开关合闸即可直接启动电机，通过切换换向隔离柜的换向开关KM(Z)、KM(F)，可以控制电机正、反转实现通风、反风的功能，但只能通过对调节风机风叶角度来实现对主扇风机风量的调整。

图1 全压启动控制原理图

2.2.2 项目二

启动方式：软启动。本项目使用的是FCZ№28/1600矿用动叶可调轴流通风机，电机功率1600 kW，电压10 kV，频率50 Hz，额定电流125 A。启动时启动电流由0～110 A逐步增加，启动时间：50 s。该主要通风机仅使用单台电机，启动方式采用自励式高压固态软启动方式，执行单元为CPLQ型高压自励式固态软起动器，核心部件采用磁控电抗器降压软起动，通过低压晶闸管励磁控制系统，实现电动机的平稳起停。既无机械部件，也避免了高压晶闸管易击穿损坏的风险，保证系统的高可靠性。

控制原理：如图2所示，电机开始软启动时，通过对高压开关柜送电，此时KM(Z)或KM(F)闭合，QS(S)、QS(X)闭合，KM(P)断开，高压自励式固态软起动器供电电源接通，并由CPGD控制器根据控制要求调节晶闸管的导通角来控制励磁绕组，使电动机电压的平稳提升，当三相异步电动机的转速达到其额定转速时，软起动结束，随后KM(P)闭合，QS(S)、QS(X)断开。软启动器的加入可以实现电机平稳启动，通过切换换向开关KM(Z)、KM(F)可以使电机反转实现反风，但只能通过对调节风机风叶角度来实现对主扇风机风量的调整。

图2 自励式软启动控制原理图

2.2.3 项目三

启动方式：变频启动。此项目使用的是FECDZ-NO34对旋轴流式通风机，电机功率2×800 kW，电压6 kV，频率50 Hz，额定电流109A，变频器使用西门子罗宾康品牌PH-10-6-1000型高压变频器，可以实现两台电机同时启动，根据现场实际风量要求，频率给定47 Hz，在启动时频率由0～47 Hz逐步增加，启动电流由0～90 A逐步增加，直至达到47 Hz、103A稳定运行，启动时间：40 s。

控制原理：正常启动时，通过高压开关柜对变频器送电，变频器启动后，通过逐步增加电机电源的频率，实现对电机的软启动，同时变频器可以将频率固定在0～50 Hz的任意值，来实现对电机转速0～100%的连续调节；反风时，无需换向开关，只需将变频器输出频率调整为相应的负值即可使电机反转实现反风。

同时，配合电源切换柜的使用，可以实现不切换风机而切换供电电源的功能，如图3所示，1#、2#变频器电源取自I回路，3#、4#变频器电源取自II回路，每台变频器由单独的高压开关柜进行供电，正常状态下，1#、2#变频器驱动1#风机，3#、4#变频器驱动2#风机，通过对切换柜KM1～KM8的控制，可以实现由I回路变频器驱动2#主要通风机，在高压线路单回路供电故障时无需切换主要通风机，而快速恢复主通风机的正常运行。

图3 变频启动控制原理图

3 启动方式应用对比结果

根据三个项目的应用情况，总结出部分数据如表1所列。

表1 启动方式对比

(1) 项目一使用全压启动的方式，优势在于过程直接、控制回路简单、启动时间比较短，但启动电流、冲击转矩较大，启动时还需要对两台电机分别启动，操作过程较为繁琐，且需要配备专用的换向开关才能实现风机反风。

(2) 项目二使用软启动的方式，对比全压启动，其电压、电流由零逐步提升到额定值，使电机在启动过程中的启动电流由直接启动时出现的冲击电流变为逐步升高的可控电流。消除了冲击转矩，有效保护了机械设备，对电机以及相关机械设备的使用寿命有很大程度的提高，同时也大幅提升了供电系统的安全性。但软启动方式也需要配备专用的换向开关才能实现风机反风。

(3) 项目三使用变频启动的方式，具备软启动方式所有的功能，同时变频启动可实现对转速0～100%的连续调节、任意值给定；在电网波动、电压下降等情况下，变频器通过降额运行仍能完全适应，相比较软启动方式，其安全性能有大幅提升；其次，众所周知，变频启动在节能方面有有很强的作用，经实地考证，项目三的节电率可达35%；此外，变频器作为高端设备，配备了非常多种类的接口，功能也有很多，将变频器作为智能化控制系统的一个环节，能够实现的功能也更为丰富，可以满足风机的使用场景中对电机的绝大部分控制要求。变频启动方式无需配备专用的换向开关即可实现反风。但因变频器的价格昂贵，所以在性价比方面要远低于软启动方式，同时，变频器的结构复杂，在维护、保养、检修、故障排除等方面对员工的专业素质有一定的考验。

综合考虑，当电机的大小符合全压启动的要求时，采用全压启动的方式最为简单、直接、有效；从电机启动稳定性、经济性方面考虑可以采用软启动的方式；在有特殊工况要求或者时经济条件充裕的情况下可以选择变频启动的方式。

4 结 语

当前煤炭行业的技术革新日新月异，电机的启动方式也在不断更新迭代，主要通风机作为矿井重要负荷，在供电、启动、控制等方面的安全稳定性备受重视，通过对不同启动方式的分析比较，笔者认为，全压启动以及一些传统的降压启动方式已无法满足各行各业的需要，软启动和变频启动的方式将成为风机电机的主要启动方式，并将逐步替代全压启动方式[4]。