1 引言

　　近幾年來，位于山東省濟寧市范圍內(nèi)的一些煤炭企業(yè)開展了煤礦主通風機應用高壓變頻調(diào)速技術(shù)的研究，針對運行中出現(xiàn)的問題從多個方面提出技術(shù)措施并進行實施，有效地保障了高壓變頻調(diào)速技術(shù)在煤礦主通風機的安全運行。

　　2 煤礦主通風機節(jié)能措施的研究

　　目前，國內(nèi)煤炭企業(yè)通常采用調(diào)節(jié)管網(wǎng)阻力法、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速法、調(diào)節(jié)進口導流氣葉片法、調(diào)節(jié)葉輪葉片法等多種形式。根據(jù)主通風機的軸功率特性曲線顯示，主通風機轉(zhuǎn)速改變時軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比變化，調(diào)節(jié)風速是主通風機節(jié)能改造效果最明顯的技術(shù)途徑。位于濟寧市鄒城市的山東宏河礦業(yè)集團有限公司對礦用主通風機的節(jié)能措施進行了研究總結(jié)。

　　2.1礦用主通風機調(diào)節(jié)方法的技術(shù)特點

　　①調(diào)速型液力偶合器調(diào)節(jié)。放棄已老化的電動機控制系統(tǒng)，利用液力偶合器結(jié)構(gòu)特點實現(xiàn)電動機空載啟動，提高啟動能力，減少對電網(wǎng)的沖擊;傳動介質(zhì)為油液，可以隔離扭振，減緩沖擊;結(jié)構(gòu)簡單可靠，控制方便;除軸承外無機械磨損，效率高，節(jié)能效果顯著。

　?、谧冾l調(diào)速器調(diào)速。利用變頻調(diào)速器可以平穩(wěn)地使主通風機風量由大供風量下降到礦井所需要的風量，主通風機的電動機輸出功率大幅度降低，達到節(jié)電的目的。主通風機調(diào)節(jié)幅度越大節(jié)電效果越明顯，反之亦然。

　　③可控硅串級調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)子電路串接附加電阻調(diào)速是低效率的能耗調(diào)速方法。轉(zhuǎn)子回路代替附加電阻接入1套電器裝置調(diào)速具有顯著節(jié)能的特點。電控系統(tǒng)采用PLC取代模擬控制和有觸點電器的傳統(tǒng)方案，只是控制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差功率，提高系統(tǒng)可靠性，設備投資少。雙閉環(huán)調(diào)節(jié)技術(shù)做到平滑無極調(diào)速及較硬的機械特性，是煤礦主通風機調(diào)速優(yōu)選方案。

　?、苤绷鳈C組調(diào)速。調(diào)速范圍廣、性能好、效率高、穩(wěn)定可靠。但是，常見通風系統(tǒng)采用的交流電動機需要改換成直流電動機，設備投資及電動機維護量大，不代表電氣傳動的發(fā)展方向，在礦用主通風機節(jié)能改造中應用較少。

　　2.2礦用主通風機調(diào)速節(jié)電的注意事項

　　主通風機的轉(zhuǎn)速變化不宜過大，一般為70%～100%，最低轉(zhuǎn)速不小于額定轉(zhuǎn)速50%，因為轉(zhuǎn)速低于40%～50%時主通風機本身效率明顯下降，也是不經(jīng)濟的;調(diào)速范圍確定時注意機組的機械臨界轉(zhuǎn)速，否則調(diào)速至諧振頻率時可能損壞機組;選擇調(diào)速裝置的特性盡可能與主通風機的負載特性一致，否則效果不理想;選擇轉(zhuǎn)速方案時進行技術(shù)、經(jīng)濟分析比較，一般要綜合考慮滿足使用要求、風量變化類型、風機容量大小、調(diào)速裝置技術(shù)復雜程度、調(diào)速裝置可靠性及維修難易程度、對電網(wǎng)影響情況、節(jié)省電能消耗效益、必須進行專業(yè)培訓。

　　3 煤礦主通風機變頻調(diào)速的節(jié)能分析

　　變頻節(jié)能分析是調(diào)動用戶實施煤礦通風機變頻技術(shù)改造的最直接動力，中國礦業(yè)大學和位于濟寧市鄒城市的兗州礦業(yè)(集團)有限責任公司就不同情況的主通風機變頻節(jié)能技術(shù)的機理開展研究，對變頻節(jié)能的效果進行分析。

　　3.1基本理論

　?、偻L機運行工況點及其調(diào)節(jié)。通風機的運行工況點M(QM，PM)是通風機特性曲線與通風管網(wǎng)阻力曲線的交點，過M點作垂線與效率曲線相交，獲得相應的工況點效率ηM。在礦井通風中對通風機的工況調(diào)整有兩種情況：一種是因為通風需求(QM，PM)的變化而進行的被動式調(diào)整，例如氣量需求變化時的調(diào)節(jié)，方法有變頻調(diào)節(jié)、動葉調(diào)節(jié)和節(jié)流調(diào)節(jié)等;另外一種是對節(jié)能效果(ηM)不滿意而進行的主動性調(diào)整，也即提高通風機的運行效率，其實現(xiàn)比較復雜，需要結(jié)合多種技術(shù)手段才能實現(xiàn)。他們所進行的變頻節(jié)能屬于后者。

　?、谕L機通用性能曲線。在表示可變轉(zhuǎn)速通風機運行曲線時，需要繪制出不同轉(zhuǎn)速時的性能曲線，并且將等效率曲線也繪制在同一張圖上。這種曲線稱為通用性能曲線。在軸流式通風機變轉(zhuǎn)速通用性能曲線中，如果n1、n2、n3、n4為變轉(zhuǎn)速性能曲線，η1、η2、η3、η4為等效率曲線，R1、R2、R3、R4為變管網(wǎng)阻力曲線。在特定的管網(wǎng)阻力條件下，不同的轉(zhuǎn)速對應不同的運行工況點。以管網(wǎng)阻力曲線R2為例，風機轉(zhuǎn)速n1、n2、n3、n4分別對應工況點E、C、F、M。由于通風機變轉(zhuǎn)速通用性能曲線中存在著等效率曲線與管網(wǎng)阻力曲線重合的變轉(zhuǎn)速范圍，轉(zhuǎn)速改變范圍為n2～n4，效率維持不變;轉(zhuǎn)速下降到n2以下時，等效率曲線與管網(wǎng)阻力曲線分離，效率發(fā)生較大變化，工況不再相似。變頻調(diào)節(jié)可以利用通風機變轉(zhuǎn)速通用性能曲線的這個性質(zhì)進行流量調(diào)節(jié)，達到節(jié)流調(diào)節(jié)不可能達到的高效率。

　?、劭蓜尤~片調(diào)節(jié)。即動葉安裝角可隨不同工況而改變，通風機在低負荷時效率大為提高。葉片安裝角增大時通風機的流量增大，反之減小。同時，通風機的效率也會有顯著的變化，但在較大流量范圍內(nèi)可以保持較高效率。在流量調(diào)節(jié)時，由于避免了閥門調(diào)節(jié)的節(jié)流損失，所以這種調(diào)節(jié)方法經(jīng)濟性也很高。

　?、茏冾l節(jié)能調(diào)節(jié)。變頻節(jié)能調(diào)節(jié)有2種：第一種是在通風機的流量需要改變時直接改變通風機的轉(zhuǎn)速，也就是改變通風機的通用性能曲線;第二種是在保持流量不變的情況下，利用變頻設備和軸流式通風機可動葉片調(diào)節(jié)兩種手段進行流量的互補調(diào)整，使通風機達到滿意的效率，實現(xiàn)節(jié)能增效。礦井主通風機在1個特定工況往往要工作較長時間才需要做出流量調(diào)整，用戶更關(guān)心的是在當前工況如何讓通風機工作在高效率區(qū)，因此第二種變頻節(jié)能對用戶顯得尤為重要。

　　3.2變頻節(jié)能調(diào)節(jié)的機理

　?、僭黾有实淖兘嵌日{(diào)整。在軸流式通風機的通用性能曲線中，當實際運行工況位于某一點A附近，效率僅為50%左右，明顯偏低。能否提高工況點效率關(guān)鍵在于葉片安裝角是否具備上調(diào)空間。工況點上調(diào)導致QM，PM相應改變，因此調(diào)角度只是節(jié)能調(diào)節(jié)的準備。如果A點的葉片安裝角度為-5°，具備上調(diào)的空間。若增大葉片角度至5°，運行工況點就會移動到B點。這時通風機運行在高效區(qū)，ηB>ηA，但是也使新工況偏離所需的氣量，達到QB，QB>QA。因此，單純的葉片角度調(diào)整并不能滿足節(jié)能和供氣量為此不變的需求。這時候就需要利用變頻技術(shù)，將供氣量由QB下調(diào)回QA，并維持ηB高效率工作，使通風機運行在高效率下保持原來的流量。

　　②滿足通風需求的變頻調(diào)整。在這臺軸流式通風機的變轉(zhuǎn)速(等同于變頻)通用性能曲線中，在坐標比例嚴格一致的前提下，現(xiàn)在工況點A、B的Q、P與增加效率的變角度調(diào)整時A、B的Q、P是完全對應的。B點對應的轉(zhuǎn)速為n2，這樣就可以通過變頻器調(diào)節(jié)通風機的轉(zhuǎn)速，將其降低到n1，使通風機的工況點再從B回到A。

　　綜上所述，變頻節(jié)能對機理可以歸結(jié)為：通過調(diào)動葉片角度以提高效率;通過變頻調(diào)速實現(xiàn)高效率的供風需求。葉片角度的改變程度越大，變頻率也越大，節(jié)能的效果越明顯。他們在煤礦主通風機變頻節(jié)能的實踐中還發(fā)現(xiàn)，變頻的實測節(jié)能效果比通過性能曲線理論預測還要高出3%～5%。這是由于轉(zhuǎn)速降低改善了通風機的內(nèi)流狀態(tài)，各種損失都會有所減少，進一步達到節(jié)能的效果。

　　3.3體會

　　煤礦主通風機變頻技術(shù)是一種先進的調(diào)速控制方式，應當重點推廣。一方面，它可以大幅度提高設備的運行效率，節(jié)能效果非常顯著;另一方面，也可以配合設備的在線監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)實現(xiàn)低負荷啟停，減少重載驟停對設備的損害，減少設備的維護費用，延長設備的使用壽命。變頻節(jié)能結(jié)合變頻和動葉調(diào)節(jié)2種手段實現(xiàn)，葉片角度的改變程度越大，變頻率也越大，節(jié)能的效果越明顯。

　　4 煤礦風井主通風機“一拖二”變頻器的應用

　　長期以來，煤礦由于受復雜的生產(chǎn)條件和環(huán)境影響，在礦用設備選型上都采用富裕系數(shù)比較大的規(guī)格型號，電動機全速運行，大馬拉小車現(xiàn)象非常普遍，耗能十分嚴重。通風機作為礦井主要通風設備，常遠大于煤礦正常生產(chǎn)所需的運行功率，且所需風量是一個不斷加大的過程，主通風機運行的相當長時間內(nèi)均背離最佳工況點，運行效率偏低，電能浪費較為嚴重;另外，礦井需要風量在某些階段也需根據(jù)生產(chǎn)實際情況進行相應的調(diào)節(jié)。為此，位于濟寧市鄒城市的兗州礦業(yè)(集團)公司北宿煤礦開展了煤礦風井主通風機“一拖二”變頻調(diào)速技術(shù)應用的研究。

　　4.1北宿煤礦西風井主通風機運行工況

　　主通風機型號BDK60-8-№26型，風量4965m3/min，負壓1841Pa，電壓6300V，電流46A;計算有功功率P=1.732UIcosΨ=1.732×6300×46×0.85=426.64kW。根據(jù)主通風機的性能曲線和現(xiàn)行風量需求，主通風機運行在小風葉+3°性能曲線上，其性能曲線所需軸功率≤250kW。根據(jù)礦井的礦用通風機檢測報告，主通風機運行工況在4～5點，技術(shù)測定表明其所需軸功率約315.20kW，而計算的實際運行有功功率為426.64kW，每年多耗電能(426.64-315.20)×24×365=97.62萬kWh。

　　4.2高壓變頻器和液力耦合器調(diào)速運行比較

　?、僮冾l調(diào)速與液力偶合器調(diào)速的原理比較。電動機采用變頻調(diào)速后，電動機轉(zhuǎn)軸與負載直接相連，但電動機不再由電網(wǎng)直接供電，而是由變頻器供電，變頻器通過改變電動機的供電頻率改變電動機轉(zhuǎn)速，可以實現(xiàn)相當寬頻率范圍內(nèi)無級調(diào)速，而且在全范圍內(nèi)具有優(yōu)異的效率和功率因數(shù)特性。采用液力偶合器調(diào)速時，電動機轉(zhuǎn)軸連接到液力偶合器，而負載連接到液力偶合器，電動機仍由電網(wǎng)供電。

　?、谧冾l調(diào)速與液力偶合器調(diào)速的節(jié)能比較。在典型的液力偶合器和高高變頻器的效率 一轉(zhuǎn)速曲線中，隨著輸出轉(zhuǎn)速的降低，液力偶合器的效率基本上正比降低(額定轉(zhuǎn)速時效率0.95，75%轉(zhuǎn)速時效率約0.72，20%轉(zhuǎn)速時效率約0.19)，而變頻器在輸出轉(zhuǎn)速下降時效率仍然較高(額定轉(zhuǎn)速時效率是0.975，75%以上轉(zhuǎn)速時效率大于0.95，20%以上轉(zhuǎn)速時效率大于0.90)。從曲線數(shù)據(jù)看，輸出轉(zhuǎn)速降低時液力偶合器的效率比變頻調(diào)速的效率下降快得多，變頻調(diào)速的低速特性比液力偶合器好。變頻調(diào)速通過電力電子整流和脈寬調(diào)制逆變技術(shù)改變電動機電樞的電壓和頻率，除本身控制所需很少能量消耗保持不變外，電力電子器件的損耗基本上與輸出功率成正比，變頻調(diào)速可以在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保持較高效率運行;液力偶合器依靠泵和渦輪傳遞能量，低速輸出時泵和渦輪的效率均下降，綜合效率隨轉(zhuǎn)速下降而下降。

　?、圩冾l調(diào)速與液力偶合器調(diào)速的其它性能比較。a.功率因數(shù)。變頻調(diào)速可以在很寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保持高功率因數(shù)運行，如20%以上轉(zhuǎn)速功率因數(shù)大于0.95;液力偶合器低速運行功率因數(shù)低于電動機額定功率因數(shù)，在70%以下轉(zhuǎn)速時功率因數(shù)低于0.70。采用液力偶合器要提高功率因數(shù)則需另加功率因數(shù)補償裝置。b.啟動性能。采用變頻調(diào)速時，如電動機保持額定轉(zhuǎn)矩啟動，電網(wǎng)輸入啟動電流小于電動機額定電流10%，主通風機啟動電流更小，而且啟動全過程可控，啟動點和爬坡時間可設置;液力偶合器不能直接改善啟動性能，啟動電流達到額定電流5～7倍，即使繞線型轉(zhuǎn)子采取轉(zhuǎn)子串電阻方法改善啟動性能，但啟動電流仍是額定電流2倍以上，是變頻啟動20倍以上。而且，直接啟動造成電網(wǎng)電壓短時下降，干擾其它設備運行。c.運行可靠性、運行維護。液力偶合器機械結(jié)構(gòu)和管道系統(tǒng)復雜，要長期可靠運行則維護工作量增大，出現(xiàn)故障無法直接定速運行，必須停機檢修。雖然高壓變頻裝置電子線路比較復雜，但目前技術(shù)已趨成熟，尤其是單元串聯(lián)多電平方式的高壓變頻裝置具有單元自動切換和冗余運行特性，在單元故障時可不停機連續(xù)運行，可靠性得以保證，而且檢修維護相當容易，只需定期更換進風過濾網(wǎng)即可。d.調(diào)節(jié)及控制特性。液力偶合器依靠調(diào)節(jié)工作腔油量改變輸出轉(zhuǎn)矩，響應速度跟不上控制需要;變頻調(diào)速的頻率改變速度相當快，完全可以以系統(tǒng)允許的最高速度進行調(diào)節(jié)。液力偶合器的速度調(diào)節(jié)精度低;變頻調(diào)速屬于數(shù)字式控制，穩(wěn)頻精度達到0.1%，可以實現(xiàn)精確控制。e.其它。液力偶合器調(diào)節(jié)需要改動主通風機的機械部分，占地面積大、改造時間長和過程復雜、以后的維修量較大，不利于主通風機長期安全運行。變頻調(diào)速通過改變電源頻率來實現(xiàn)電動機的無級變速，使主通風機達到轉(zhuǎn)速的無級調(diào)節(jié)。主通風機運行在最佳特性曲線上，極大提高運行效率，大幅度節(jié)約電能。

　　4.3北宿煤礦西風井主通風機變頻改造

　　主通風機的機械特性具有二次方律特征，即轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速二次方成正比例變化。在低速時由于流體的流速低，所以負載的轉(zhuǎn)矩很小;隨著電動機轉(zhuǎn)速增加和流速加快，負載的轉(zhuǎn)矩和功率也越來越大。從計算結(jié)果可看出，當被控制對象所需風量減少時，采用變頻器降低主通風機的轉(zhuǎn)速會使電動機的功耗大為降低。

　　他們根據(jù)礦井巷道通風系統(tǒng)布局和生產(chǎn)情況，通過理論分析計算及變頻器選型要求，交流變頻調(diào)速裝置選擇配套西門子PH-6-6-800無諧波高壓變頻器，功率800kW，輸出電壓6600V AC，輸出電流92A，頻率范圍0～50Hz。具體方案是將主通風機葉片換為大風葉，原有電動機保持不變，原有電動機高壓控制柜保留作為備用，變頻器前端采用干式隔離整流變壓器，1臺變頻器帶動1臺對旋式通風機的2臺電動機。整套變頻器由變壓器柜、輸入輸出柜、控制柜和單元柜4個部分組成，每套變頻器需要增設1臺高壓開關(guān)柜進行控制。

　　4.4主通風機變頻改造效果

　　運行實踐表明，這個變頻改造方案適合北宿煤礦西風井主通風機的運行狀況，安裝方便，節(jié)能效果明顯;所選的變頻器性能可靠、技術(shù)領先，能夠?qū)崿F(xiàn)主通風機的軟啟動，避免啟動電流對電網(wǎng)的沖擊，提高功率因數(shù)，不增加電網(wǎng)的諧波污染，消除可控硅設備的一大缺陷;主通風機的通風量不再由調(diào)整葉輪角度或更換葉輪進行，調(diào)節(jié)范圍0～100%連續(xù)可調(diào)，可以根據(jù)生產(chǎn)需要隨意調(diào)節(jié)風量，減少浪費;主通風機處于適應的負荷狀態(tài)運行，減少能耗;主通風機在較低速度下運行，極大降低主通風機工作的機械強度和電氣沖擊，大大延長使用壽命;電動機和主通風機的運轉(zhuǎn)速度下降，潤滑條件改善，傳動裝置故障率下降;系統(tǒng)完善的監(jiān)控性能和高可靠性提高工作效率，減少檢修和維護工作量;有效降低電動機和主通風機運行的噪聲;安裝、調(diào)試簡便，不破壞原有的配電設施與環(huán)境，不影響礦井通風。

　　5 煤礦地面主通風機變頻自動化改造

　　位于濟寧市任城區(qū)的山東華邦集團濟寧何崗煤礦初期主通風機單機運行能滿足通風要求，但運行方式性能曲線運行在非高效區(qū)域范圍內(nèi)，影響主通風機效率與工況。而且，隨著礦井延伸，通風量需求增大，需要雙機運行。一旦啟動，主通風機始終全速運行，風量又偏大，運行功耗多，能耗呈增高趨勢，運行很不經(jīng)濟。因此，他們決定對2臺主通風機進行變頻改造。在原控制柜旁并聯(lián)變頻控制柜，采用變頻器驅(qū)動主通風機，實現(xiàn)工頻、變頻雙回路控制，形成“一用一備”、“一拖二”的方式驅(qū)動主通風機，具備工頻、變頻切換功能，既節(jié)約電能又起到保護主通風機設備和電網(wǎng)的作用。

　　5.1何崗煤礦主通風機變頻自動化改造

　　何崗煤礦主通風機為BDK-10-№22型;風量范圍1500～5520m3/min;風壓范圍1030～2970Pa;轉(zhuǎn)速594r/min;電動機型號YBF-355S4-10，110kW×2;風機安裝角度I級35°、II級30°;額定電壓380V;額定電流235A。

　　主通風機變頻自動化控制系統(tǒng)共采用2臺變頻器，每臺變頻器驅(qū)動1臺主通風機，取消風門控制箱，采用變頻控制柜的可編程控制器直接控制，并滿足全部要求。變頻柜配備250kW變頻器，可同時驅(qū)動1臺主通風機的2臺110kW電動機;原有主通風機自耦降壓啟動柜保留并作為變頻柜后備設備，新裝變頻柜與原柜并聯(lián)安裝、相互閉鎖;其中1臺變頻柜發(fā)生故障時可自動切換到工頻運行也可自動啟動另一臺變頻柜，從而啟動另一臺主通風機同時對風門實現(xiàn)相應自動轉(zhuǎn)換，2種故障處理的方式可用1個選擇開關(guān)選定也可在集控室選擇和操作;遠程通訊控制和監(jiān)視接口能與DCS集控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)遠程控制與監(jiān)視功能，在監(jiān)控微機上可啟動2臺主通風機中的任意1臺電動機，且任意1臺電動機的運行狀況可在微機上直接監(jiān)視;變頻柜設置手動和自動調(diào)節(jié)風量2種控制方式，在自動調(diào)節(jié)風量狀態(tài)下能按給定風量自動調(diào)整變頻器輸出頻率，形成風量—頻率閉環(huán)控制;變頻柜內(nèi)安裝防雷及過電壓保護裝置;具有過載、過壓、過流、欠壓、電源缺相等自動保護及聲光報警功能，并具有電源指示、運行指示、頻率顯示等功能，所有故障現(xiàn)象及各種參數(shù)均可在現(xiàn)場和集控室顯示或報警;可實現(xiàn)遠程反風操作，在監(jiān)控主機操作時必須輸入操作員密碼方可進行相關(guān)操作，反風方式可采用本機或啟動另一臺主通風機進行;風門控制裝置安裝在主通風機變頻柜內(nèi)，使用主電源和控制電源備自投電路，即2路電源只要有1路有電就能保證風門控制裝置正常工作，控制電源取自2個總進線柜，向主控PLC提供電源，從而實現(xiàn)遠程分合兩進線斷路器和聯(lián)絡開關(guān)的功能。

　　5.2主通風機變頻改造總體效果

　　何崗煤礦主通風機變頻自動化改造后，實現(xiàn)變頻與原工頻控制相互閉鎖，變頻控制全過程采用PLC控制，主通風機有就地、微機、自動3種控制方式，正常情況下采用自動啟動運行方式，變頻器出現(xiàn)故障可自動切換到另一臺主通風機運行;主通風機實現(xiàn)柔性啟動，通風量無級調(diào)速，調(diào)速范圍大、隨機性強，可從0～50Hz對系統(tǒng)電網(wǎng)進行調(diào)整，減輕機械沖擊，減少電動機疲勞磨損，降低電動機運行噪聲與溫度，有效延長電動機的使用壽命;各種保護更加齊全可靠，實現(xiàn)遠程監(jiān)控;通風機運行電流減少81A，節(jié)電率達到37%，每年可以節(jié)約電費14.8萬元，節(jié)電效果非常明顯，僅節(jié)約電費2a內(nèi)即可收回改造成本;何崗煤礦對主通風機變頻自動化改造運行以來，通風機始終保持“安全、可靠、經(jīng)濟”的運行狀況，體現(xiàn)高效益、低成本、經(jīng)濟實用的升級技術(shù)改造原則，比較適于煤礦主通風機的自動化運行。

　　6 變頻技術(shù)在離心式通風機上的應用

　　礦井提升機主電動機的冷卻至關(guān)重要。如果主電動機冷卻系統(tǒng)設計不當，將會對提升機主電動機造成非常大的危害。傳統(tǒng)的風量調(diào)節(jié)大都采用風門調(diào)節(jié)的方式，這種方式在實際使用中存在不足，給提升機的運行帶來了安全隱患，同時也與提升機的全數(shù)字控制系統(tǒng)越來越不適應。位于濟寧市鄒城市的兗州礦業(yè)(集團)公司鮑店煤礦通過把變頻器的外部頻率給定端子與電控系統(tǒng)可編程自動化控制器的模擬量輸出端子連接，實現(xiàn)離心式冷卻風機的風量隨著礦井提升機主電動機定子溫度的變化而自動調(diào)節(jié)，大幅度提高通風機的效率。

　　6.1問題的提出

　　鮑店煤礦副井的2部提升機曾經(jīng)引進西門子技術(shù)進行電控系統(tǒng)改造，其主控系統(tǒng)為西門子S7-400系統(tǒng)，驅(qū)動系統(tǒng)采用晶閘管整流，運行以來取得了非常好的效果。其主電動機的冷卻采用的是離心式通風機，利用調(diào)節(jié)風門開度大小來調(diào)節(jié)冷卻風量大小，但是經(jīng)過一段時間運行發(fā)現(xiàn)其存在以下的缺點：啟動電流大，主通風機啟動時如果風門的開度在15%以上則通風機相當于帶載啟動，啟動電流在600A(電壓380V)以上時對電動機會產(chǎn)生較大的沖擊，曾經(jīng)出現(xiàn)過開啟主通風機時忘記關(guān)閉調(diào)節(jié)風門，導致啟動電流過大、電動機燒毀事故的發(fā)生，主通風機位于提升機房的底層，調(diào)節(jié)起來不是很方便;通風機效率非常低，通風機負載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速2次方成正比、軸功率與轉(zhuǎn)速3次方成正比，風門控制風量系統(tǒng)的通風機轉(zhuǎn)速不變，電效率非常低，根據(jù)通風機實際運行情況來看，60%～70%電能都消耗在調(diào)節(jié)風門及管網(wǎng)壓降上，造成電能資源的浪費;風量不能自動調(diào)節(jié)，根據(jù)季節(jié)的不同，主電動機需要的冷卻風量不同，如果一直把風門開得很大，其噪音很大，對提升機司機的健康不利，因此需要根據(jù)溫度的變化，由人工來調(diào)節(jié)風門的開度，不能實現(xiàn)自動化調(diào)節(jié)。

　　6.2方案選擇

　　現(xiàn)在變頻技術(shù)已經(jīng)非常成熟，從開始的V/F控制到矢量控制，一直到現(xiàn)在的直接轉(zhuǎn)矩控制。變頻器產(chǎn)品己經(jīng)系列化，性能非常可靠，在許多領域得到廣泛的應用。他們經(jīng)過論證，決定去掉調(diào)節(jié)風門，由變頻器驅(qū)動主通風機電動機，通過調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)冷卻風量。并將通風機變頻器的控制信號引入提升機的控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)通風機狀態(tài)的實時監(jiān)控以及風量的自動調(diào)節(jié)。結(jié)合提升系統(tǒng)的實際情況，選用西門子MicroMaster440變頻器，其控制方式為矢量控制，性能可靠穩(wěn)定。

　　6.3系統(tǒng)的功能

　?、亠L機的啟動不再是全壓啟動，而是在變頻器中設定電動機啟動曲線，電動機將按照設定曲線啟動，啟動電流由600A以上降到200A以下，大幅度減少啟動電流對電動機的沖擊。

　?、谧冾l器正常時的啟動順序。變頻器正常時，斷開刀閘開關(guān)，閉合空氣開關(guān)合上手動開關(guān)，變頻器上電。絞車根據(jù)司機的命令發(fā)出“變頻器啟動”命令，繼電器吸合，變頻器開始啟動。啟動完畢后，變頻器“啟動完畢”反饋信號接點閉合，風機正常啟動完畢。在PLC程序中，對反饋命令設置6s延時，即如果PLC發(fā)出“變頻器啟動”命令6s以后，未得到變頻器“啟動完畢”反饋信號，則會發(fā)通出風機故障的信號，并閉鎖絞車，這時有可能是繼電器故障或變頻器產(chǎn)生故障。

　　③變頻器發(fā)生故障情況下的通風機啟動。當變頻器發(fā)生故障不能正常運行時，通風機的控制方式恢復到原來方式，啟動順序如下：首先要把風門的開度調(diào)節(jié)到15%以下，合刀閘開關(guān)，然后合帶有過流保護功能的空氣開關(guān)，最后合普通開關(guān)，這時電動機全壓啟動。普通開關(guān)的設置就是為了在變頻器損壞時，能夠使通風機正常啟動。同時刀閘Q2所帶的輔助點信號輸入PLC，PLC檢測到這個信號，就會屏蔽檢測變頻器“啟動完畢”信號，僅僅檢測接觸器的輔助接點。

　?、茴l率的自動調(diào)節(jié)。廠家在主電動機的定子和轉(zhuǎn)子中預埋了N00測溫電阻。利用S7400PLC的模擬量輸入模塊，可以很容易檢測到電動機實際溫度，利用變頻器的外部頻率跟定功能，就可以實現(xiàn)頻率隨檢測到的電動機實際溫度自動調(diào)節(jié)，實現(xiàn)方法如下：把PLC中1個模擬量輸出接點與變頻器的外部頻率給定接點連接，并把變頻器的頻率給定信號設置為4流信號，同時把連接的PLC模擬量輸出接點輸出信號也設置為4～20mA信號。根據(jù)鮑店煤礦主電動機的絕緣為B級絕緣在PLC程序中設置當溫度高于100℃時，PLC模擬量輸出接點輸出18mA信號，即通風機以88%的速度運行;當主電機溫度低于20℃時，PLC模擬量輸出接點輸出6mA信號，即通風機以12%速度運行，在20～100℃通風機電動機速度(以%表示)分成5個段。速度沒有設置成隨主電機溫度成比例的變化，主要原因是主電動機溫度隨時在變化，如果不分段，則通風機電動機的轉(zhuǎn)速時刻在變化，對電動機的安全運行不利，所以把通風機運行速度按照溫度范圍分成幾段。

　　⑤保護功能。①通風機的狀態(tài)監(jiān)控。首先接觸器的吸合狀態(tài)要傳入到PLC，同時變頻器的啟動反饋信號也要傳入到PLC，這2個信號正常，系統(tǒng)才認為通風系統(tǒng)正常。在變頻器損壞的情況下，系統(tǒng)就只是檢測R的狀態(tài)。絞車如果在提升過程中檢測到風機故障，在溫度不超過115℃時，允許本次提升完成，然后閉鎖絞車直到故障處理完畢。②提升機主電動機溫度保護設置。當主電動機溫度超過115℃時，控制系統(tǒng)就會產(chǎn)生電氣制動，防止提升機主電動機超溫產(chǎn)生其它的事故。

　　6.4運行效果

　　從投入運行以來，效果十分明顯，主要有以下特點：徹底解決通風機啟動電流大的問題，解除啟動電流對電動機的沖擊;增強系統(tǒng)的安全性，有效控制提升機主電動機溫度的變化;基本是免維護運行，降低工人的勞動強度;降低主通風機運行時產(chǎn)生的噪音，減少噪音對工人的危害。

　　改造以后，由于在變頻器中設定了電動機啟動曲線，離心式風機的電動機不再是全壓啟動，啟動電流由600A以上降低到200A以下，大幅度地減少啟動電流對電動機的沖擊。如果可編程自動化控制器發(fā)出“變頻器啟動”命令6s以后，未得到變頻器“啟動完畢”反饋信號，則會發(fā)出離心式冷卻風機故障的信號，并且閉鎖提升機;當變頻器發(fā)生故障不能夠正常工作的時候，離心式冷卻風機的控制方式恢復為原先的方式。在主電動機的定子和轉(zhuǎn)子中預埋了Ni100測溫電阻，利用S7-400PLC的模擬量輸入模塊可以很容易檢測到電動機的實際溫度，利用變頻器的外部頻率跟定功能就可以實現(xiàn)頻率隨檢測到的電動機實際溫度自動調(diào)節(jié)。

　　7 結(jié)束語

　　通常情況下，煤礦每采1t煤炭就要向井下輸送4～6t新鮮空氣，礦井主通風機的電耗約占煤礦電耗8%～15%，是礦山生產(chǎn)的用電大戶。然而，國內(nèi)的煤礦對礦井主通風機選型一貫為高富裕能力，在礦井投產(chǎn)初期有的甚至在整個生產(chǎn)期實際運行的主通風機葉片安裝角遠小于選型安裝角，電動機長期大馬拉小車。根據(jù)科研人員對煤礦主通風機性能的現(xiàn)場測定，新礦井主通風機實際運行效率極少超過50%，有的甚至低于30%，這是對能源的極大浪費，也嚴重影響煤礦的效益，提高主通風機效率成為用戶的迫切需要。如今，煤礦主通風機實施變頻技術(shù)有了可靠的設備性能保證，對原有主通風機的節(jié)能改造已經(jīng)成為可能。