煤矿通风机变频特性实验及实例分析

郭全武

（阳泉煤业（集团）平定东升兴裕煤业有限公司， 山西 阳泉 045000）

0 引言

通风系统的稳定、高效运行是保证煤矿安全生产的重要基础。通风机在矿井工作面保持持续运行状态，而且其能耗占据所有设备能耗的15%～30%之间。目前，工作面通风机的运行效率普遍较低，主要是由于通风机的实际工况与设备的出厂设计工况偏离严重，而且为了满足工作面的通风要求，通风机始终保持着困难时期的风量工作，从而导致其在通风“容易”时期出现了“大马拉小车”的情况。通风机的变频调速控制可以解决上述问题，但是其仅是局限于通风机某个确定叶片安装角度开展研究的。因此，将开展通风机变频特性实验研究，重点对不同运行频率下和不同叶片安装角度下通风机的性能进行测试。

1 通风机变频调速概述

目前，可将煤矿综采工作面的通风机分为主通风机、局部通风机和辅助通风机三大类；根据结构及其工作原理的不同，可将通风机分为轴流式通风机和离心式通风机[1-2]。本文以轴流式通风机为例开展研究，其基本结构如图1 所示。

图1 轴流式通风机基本结构示意图

一般情况下，通过通风机的风量、轴功率、电机转速、风压以及通风效率等参数对其性能进行综合评判。关键的评判标准如下：通风机在工况点的静压效率大于其最高工作效率的70%以上；通风机的在工作中的风压小于其最大风压的90%；通风机的实际叶轮工作转速不得超过其额定转速。

目前，针对通风机变频调速相对成熟的控制方式包括有恒压频比控制方式、矢量控制方式以及直接转矩控制方式。而且，可控制的对象包括通风机的电机磁极对数、转差率以及电机频率等。其中，当通过控制电机磁极对数实现变频调速功能时，要求所配套的电机为无极调速电机才行，且其对应的调速效果一般；通过改变转差率实现调速功能时，在实际应用中存在调速范围小的缺陷；因此，当前主要是对电源频率进行调节控制，即将变频器与电机配套使用，通过对电机运行频率进行控制，从而实现对转速的控制，继而对其叶轮转速进行控制，最终得到对风量、风速等指标控制的目的[3]。

2 通风机变频特性实验研究

以变频调速为例，本节将对通风机变频调速的特性开展试验研究，为后续变频调速的实例分析提供理论基础。本次实验的通风机即变频器的具体参数如表1 所示。

表1 通风机变频特性实验通风机及变频器参数

2.1 通风机性能测试装置

为从理论层面对通风内的性能进行测试分析，重点对通风机电机频率与其工作效率之间的关系进行研究，特布置如图2 所示的实验装置。

图2 通风机变频调速性能实验测试装置

由图2 通风机变频调速性能实验测试装置可知，所配套的变频器的工作频率范围在0～50 Hz 之间，额定工作电压为220 V，额定功率为3 kW。实验中涉及到的关键测试仪器及参数如表2 所示。

表2 通风机性能测试仪器及参数

2.2 实验结果分析

本次实验重点对不同叶片角度和不同电机频率下通风机的性能进行对比。其中，叶片角度包括-3°、0°和+3°；电机运行频率包括50 Hz、45 Hz、40 Hz、35 Hz 和30 Hz[4-5]。在实验测试过程中重点对通风机的通风量、风压、轴功率以及效率等参数进行统计。实验中所得的数据较多，此处仅列举处不同叶片安装角度和不同运行频率下通风机工作的最高效率，结果如表3 所示。

表3 不同叶片安装角度与运行频率下通风机的最高效率对比

经对所有实验所得的数据进行分析，得出通风机变频调速特性下的结论如下：

1）当通风机叶片安装角度相同时，随着运行频率的增加，对应通风机最高工作效率增大；当通风机运行频率一致时，随着叶片安装角度的增加，对应通风机的最高工作效率增大。

2）在同一频率下，随着叶片安装角度的增加，对应通风机的节能效果越好；同一叶片安装角度下，通风机相邻频率间节能能量逐渐减小。

3 通风机变频特性实例分析

以实践生产通风为例，该煤矿的通风属于中等容易阶段。当前该煤矿通风机的叶片安装角度为+3°，运行频率为45 Hz。但是，通风机在当前工况下其实际排风量仅为5 016.6 m3/min 与其实际需风量5 500 m3/min 之间还存在一定的差距。因此，为了满足工作面通风量的需求，在变频调速的作用下，将电机运行频率调整为50 Hz，并对50 Hz 下的通风性能进行对比，对比结果如表4 所示。

表4 通风机变频调速性能的实例测试结果

如表4 所示，对矿井通风机采用变频调速后排风量满足为5 601.0 m3/min，大于实际需风量5 500 m3/min 的要求；而且，采用变频调速后通风机的最佳工况范围相对比在45 Hz 时增大，通风机的工作效率也从69.45%增大至70.72%。

4 结论

通风机为综采工作面的关键设备，其性能直接决定工作面的通风能力，对于保证综采工作面的安全生产具有重要意义。但是，通风机的实际工况需根据现场的通风条件实时、高效地调整才能够满足生产需求。本文重点从实验和实例两方面对通风机变频调速的特性进行研究，并总结如下：

1）当通风机叶片安装角度相同时，随着运行频率的增加，对应通风机最高工作效率增大；当通风机运行频率一致时，随着叶片安装角度的增加，对应通风机的最高工作效率增大。

2）在同一频率下，随着叶片安装角度的增加，对应通风机的节能效果越好；同一叶片安装角度下，通风机相邻频率间节能能量逐渐减小。

3）实践表明，采用变频调速后通风机的最佳工况范围扩大，且通风机的效率也相应增大。