变频技术在矿井主通风机中的应用

郭阳光

(阳城阳泰集团西沟煤业有限公司，山西 阳城 048100)

近年来，国家对煤矿安全及经济效益日趋重视。将变频技术应用于矿井通风机中，不但可以实现对通风的有效管理，而且还可起到防止安全事故发生、提高通风机运行效率等功能优势。基于此，本文对变频技术在矿井主通风机中的应用进行了探讨。

山西兰花同宝煤业有限公司煤矿是高平地区主要的煤矿，该矿由2个斜井和1个立井组成，即，主斜井、副斜井和回风立井。回风立井安装2台型号FBCDZ-10-NO28 B、风量4 920 m3/min～11 100 m3/min、风压700 Pa～2 750 Pa、功率250 kW、供电电压10 kV的主通风机。

目前，该矿正值矿井基本工程的建设阶段，井下的巷道与工作面尚未完成形成。目前矿山的风量需求量(2 800 m3/min)远小于主风机的额定风量(4 920 m3/min～11 100 m3/min)。可看出，采用传统的工频控制，必须通过改变风机叶片角度、调整风门和设置风障来调整风量，以满足矿井通风要求。采用上述方法，不仅工作量大，需要时间长，而且不可能完全满足合适的矿井风量要求，主风机一直在轻负载下运行造成了巨大的人力、资源、经济的浪费，增加了矿井建设成本，因此,山西兰花同宝煤业有限公司对主通风机电控系统进行了改造，引入变频器进行控制。购买了型号JD-BP38-315F、输入输出电压为10 kV的变频器。通过主风机的变频器控制，调节风量，提高节能效果[1]。

高压变频器主要由控制柜、移相变压器柜、功率单元柜和开关柜4部分组成。该设备采用高压正弦波变频逆变电源原理，功率单元串联，输出叠加高压，直接输出到高压电机。每个相由几个串联的电池组成，叠加输出高电压。10 kV系列变频器每相8个或9个功率单元。整个机器的每个阶段都由多个单元组成。无需输出滤波装置，电流谐波小，不会损坏电缆和电机绝缘。高压变频器的前端由多绕组隔离式移相变压器供电。10 kV变压器二次侧有24组二次绕组，采用48脉冲整流。每相8个功率单元，三相共24个单元。输入谐波可以满足国家标准GB/T 14549-1993电能质量公用电网谐波中的电压、电流畸变要求[1-3]。控制器部分控制高速微处理器，并与子微处理器通信。高压变频器是由模块组成的器件，具有噪音较低、互换性好等优点，且高压变频器的谐波含量相对其他器件要小很多，不会对电机转矩造成太大影响，对电机没有任何要求。此外，维修也很方便，技术人员可很轻松地找到病因。

两象限高压变频器(普通型)系统图见第123页图1。

传统主风机调节系统要实现对风量的调节，只能通过调节风门或风机叶片的角度来进行。这主要是因为传统风机只能在恒定的速度下持续稳定地运行。传统主风机调节系统主要有以下几方面的缺点：

图1 两象限高压变频器(普通型)系统图

1) 严重的电能浪费。煤矿的服务年限大都在几十年以上。长期以来，主风机一直在轻负载下运行，这样不仅会造成运行成本的增加，也会造成能源浪费。

2) 启动过程中遇到的问题对机械自身造成损伤。主风机的开启方式为直接启动，启动时间很长，电流很大，这会影响机械的绝缘性能。当机械绝缘性能受到损害时，启动主风机时的瞬间大电流可能会对电机造成极大损坏，甚至会烧坏电机。此外，高频次的启动增加风扇振动应力，进而造成风扇应力疲劳，最终会影响电机使用年限。

3) 自动化程度低。传统主风机的风量调整只能依靠对风扇叶片的手动调整进行，并不具备对风量的自动实时调整功能。如发生短路等故障，将严重影响矿山的正常生产。

4) 反风操作繁琐。由于矿井的特殊需要，在特定情况下，主通风机必须在规定时间内完成反风。然而在工频控制情况下，需完成换相柜的切换、启动柜的再次启动等操作，存在操作时间长、容易误操作等不利因素。

1) 软启动。变频器的输出频率可从0 Hz～50 Hz连续变化，频率可根据需要设定，风扇可以实现软启动。通常主风机容量很大，直接启动时的浪涌电流非常大(相当于5倍～7倍额定电流)。对电网造成干扰，对电网的容量要求也相应增加，而且对风机的机械损伤严重。软启动平滑，没有浪涌电流，大大降低风机启动时的机械损伤，从根本上解决了启动大容量电机的问题。

2) 调速节电减耗。由流体力学可知，风量与转速的一次方成正比，风压与转速的平方成正比，轴功率与风扇角速度的三次方成正比。当风量需求降低、电机转速下降时，风扇功率下降很多。

通过变频器进行精确的速度控制，输出频率精度可达到0.01 Hz。也就是说，对于一对磁极电动机的转速，能以小于1 r/min的速率进行调整。因此，在矿井通风中可根据矿井建设进度、瓦斯浓度变化等要求，精确地控制风机风量，达到最大化的节能效果。

3) 减少设计冗余。通风系统的总体设计符合极端使用条件，所有设计都是冗余的，有些冗余度很大，形成一个大型的马拉车。变频调速可节省冗余。

4) 系统功率因数高，一般在0.95以上，节省输电线路无功功率，减轻变压器负担。

5) 自动化程度高，减轻了工人的劳动强度。风压的调节可通过调整变频器进行，具体操作上只需要改变操控台主通风机的各种参数，就可以达到调节风压的效果，完成通风机的启动和停机操作，操作简便。

6) 一键反风功能。鉴于煤矿通风的特殊性，在需要防雷的情况下，只需操作逆变器控制面板上的防风钥匙即可实现防风功能。

用挡板调节风量时，轴功率P和风量Q的关系近似图2中的曲线1；使用变频器调节风量时，轴功率P和风量Q的关系近似图2中的曲线2[3]。

其中，曲线1的公式见式(1)。

P1=P0(0.4+0.6Q)

(1)

曲线2的公式见式(2)。

P2=P0Q3

(2)

节约电能公式见式(3)。

P=P1-P2=P0(0.4+0.6Q-Q3)

(3)

式(1)～式(3)中，P0为设计工况下的轴功率。

结合煤矿风机的一般运行情况，计算平均节能为0.77 J。

图2 风量与轴功率的关系图

以同宝煤业现在使用一级电机250 kW/10 kV主通风机为例，负载系数K取0.82，节电率N取77%，电价按0.7元/(kW·h)，计算见第124页式(4)～式(6)。

RJ=KDRHN=0.82×250×24×0.77=3 788.4 kW·h

(4)

RD=RJDJ=3 788.4×0.7=2 651.88元

(5)

ND=365RD=967 936.2元

(6)

式(4)～式(6)中，RJ为电机日节约电量，kW·h；DR为电机容量，kW；H为日常运行小时数，h；RD为电机每日节约电费，元；DJ为电价，元/(kW·h)；ND为电机每年节约电费，元。

山西兰花同宝煤业有限公司采用高频变频器进行自吸风机，能充分满足基建施工期间的需要。变频技术的应用提高了矿井主风机的运行效率，并提高了风机的整体运行效率，节能工作也有了很大改善，经济效益和社会效益十分明显。