1 引言

　　近幾年來(lái)，位于山東省濟(jì)寧市范圍內(nèi)的一些煤炭企業(yè)開(kāi)展了煤礦主通風(fēng)機(jī)應(yīng)用高壓變頻調(diào)速技術(shù)的研究，針對(duì)運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題從多個(gè)方面提出技術(shù)措施并進(jìn)行實(shí)施，有效地保障了高壓變頻調(diào)速技術(shù)在煤礦主通風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行。

　　2 煤礦主通風(fēng)機(jī)節(jié)能措施的研究

　　目前，國(guó)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(jìn)口導(dǎo)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(fēng)機(jī)的軸功率特性曲線顯示，主通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速改變時(shí)軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比變化，調(diào)節(jié)風(fēng)速是主通風(fēng)機(jī)節(jié)能改造效果最明顯的技術(shù)途徑。位于濟(jì)寧市鄒城市的山東宏河礦業(yè)集團(tuán)有限公司對(duì)礦用主通風(fēng)機(jī)的節(jié)能措施進(jìn)行了研究總結(jié)。

　　2.1礦用主通風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)方法的技術(shù)特點(diǎn)

　?、僬{(diào)速型液力偶合器調(diào)節(jié)。放棄已老化的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，利用液力偶合器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)空載啟動(dòng)，提高啟動(dòng)能力，減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊;傳動(dòng)介質(zhì)為油液，可以隔離扭振，減緩沖擊;結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，控制方便;除軸承外無(wú)機(jī)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(fēng)機(jī)風(fēng)量由大供風(fēng)量下降到礦井所需要的風(fēng)量，主通風(fēng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)輸出功率大幅度降低，達(dá)到節(jié)電的目的。主通風(fēng)機(jī)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(jí)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)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(diǎn)。電控系統(tǒng)采用PLC取代模擬控制和有觸點(diǎn)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(shè)備投資少。雙閉環(huán)調(diào)節(jié)技術(shù)做到平滑無(wú)極調(diào)速及較硬的機(jī)械特性，是煤礦主通風(fēng)機(jī)調(diào)速優(yōu)選方案。

　　④直流機(jī)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(jiàn)通風(fēng)系統(tǒng)采用的交流電動(dòng)機(jī)需要改換成直流電動(dòng)機(jī)，設(shè)備投資及電動(dòng)機(jī)維護(hù)量大，不代表電氣傳動(dòng)的發(fā)展方向，在礦用主通風(fēng)機(jī)節(jié)能改造中應(yīng)用較少。

　　2.2礦用主通風(fēng)機(jī)調(diào)速節(jié)電的注意事項(xiàng)

　　主通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化不宜過(guò)大，一般為70%～100%，最低轉(zhuǎn)速不小于額定轉(zhuǎn)速50%，因?yàn)檗D(zhuǎn)速低于40%～50%時(shí)主通風(fēng)機(jī)本身效率明顯下降，也是不經(jīng)濟(jì)的;調(diào)速范圍確定時(shí)注意機(jī)組的機(jī)械臨界轉(zhuǎn)速，否則調(diào)速至諧振頻率時(shí)可能損壞機(jī)組;選擇調(diào)速裝置的特性盡可能與主通風(fēng)機(jī)的負(fù)載特性一致，否則效果不理想;選擇轉(zhuǎn)速方案時(shí)進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)分析比較，一般要綜合考慮滿足使用要求、風(fēng)量變化類型、風(fēng)機(jī)容量大小、調(diào)速裝置技術(shù)復(fù)雜程度、調(diào)速裝置可靠性及維修難易程度、對(duì)電網(wǎng)影響情況、節(jié)省電能消耗效益、必須進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)。

　　3 煤礦主通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速的節(jié)能分析

　　變頻節(jié)能分析是調(diào)動(dòng)用戶實(shí)施煤礦通風(fēng)機(jī)變頻技術(shù)改造的最直接動(dòng)力，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)和位于濟(jì)寧市鄒城市的兗州礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司就不同情況的主通風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能技術(shù)的機(jī)理開(kāi)展研究，對(duì)變頻節(jié)能的效果進(jìn)行分析。

　　3.1基本理論

　?、偻L(fēng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)及其調(diào)節(jié)。通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工況點(diǎn)M(QM，PM)是通風(fēng)機(jī)特性曲線與通風(fēng)管網(wǎng)阻力曲線的交點(diǎn)，過(guò)M點(diǎn)作垂線與效率曲線相交，獲得相應(yīng)的工況點(diǎn)效率ηM。在礦井通風(fēng)中對(duì)通風(fēng)機(jī)的工況調(diào)整有兩種情況：一種是因?yàn)橥L(fēng)需求(QM，PM)的變化而進(jìn)行的被動(dòng)式調(diào)整，例如氣量需求變化時(shí)的調(diào)節(jié)，方法有變頻調(diào)節(jié)、動(dòng)葉調(diào)節(jié)和節(jié)流調(diào)節(jié)等;另外一種是對(duì)節(jié)能效果(ηM)不滿意而進(jìn)行的主動(dòng)性調(diào)整，也即提高通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率，其實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，需要結(jié)合多種技術(shù)手段才能實(shí)現(xiàn)。他們所進(jìn)行的變頻節(jié)能屬于后者。

　　②通風(fēng)機(jī)通用性能曲線。在表示可變轉(zhuǎn)速通風(fēng)機(jī)運(yùn)行曲線時(shí)，需要繪制出不同轉(zhuǎn)速時(shí)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(fēng)機(jī)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(duì)應(yīng)不同的運(yùn)行工況點(diǎn)。以管網(wǎng)阻力曲線R2為例，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速n1、n2、n3、n4分別對(duì)應(yīng)工況點(diǎn)E、C、F、M。由于通風(fēng)機(jī)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(shí)，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(fēng)機(jī)變轉(zhuǎn)速通用性能曲線的這個(gè)性質(zhì)進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，達(dá)到節(jié)流調(diào)節(jié)不可能達(dá)到的高效率。

　?、劭蓜?dòng)葉片調(diào)節(jié)。即動(dòng)葉安裝角可隨不同工況而改變，通風(fēng)機(jī)在低負(fù)荷時(shí)效率大為提高。葉片安裝角增大時(shí)通風(fēng)機(jī)的流量增大，反之減小。同時(shí)，通風(fēng)機(jī)的效率也會(huì)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(shí)，由于避免了閥門(mén)調(diào)節(jié)的節(jié)流損失，所以這種調(diào)節(jié)方法經(jīng)濟(jì)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(fēng)機(jī)的流量需要改變時(shí)直接改變通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，也就是改變通風(fēng)機(jī)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(shè)備和軸流式通風(fēng)機(jī)可動(dòng)葉片調(diào)節(jié)兩種手段進(jìn)行流量的互補(bǔ)調(diào)整，使通風(fēng)機(jī)達(dá)到滿意的效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能增效。礦井主通風(fēng)機(jī)在1個(gè)特定工況往往要工作較長(zhǎng)時(shí)間才需要做出流量調(diào)整，用戶更關(guān)心的是在當(dāng)前工況如何讓通風(fēng)機(jī)工作在高效率區(qū)，因此第二種變頻節(jié)能對(duì)用戶顯得尤為重要。

　　3.2變頻節(jié)能調(diào)節(jié)的機(jī)理

　?、僭黾有实淖兘嵌日{(diào)整。在軸流式通風(fēng)機(jī)的通用性能曲線中，當(dāng)實(shí)際運(yùn)行工況位于某一點(diǎn)A附近，效率僅為50%左右，明顯偏低。能否提高工況點(diǎn)效率關(guān)鍵在于葉片安裝角是否具備上調(diào)空間。工況點(diǎn)上調(diào)導(dǎo)致QM，PM相應(yīng)改變，因此調(diào)角度只是節(jié)能調(diào)節(jié)的準(zhǔn)備。如果A點(diǎn)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(yùn)行工況點(diǎn)就會(huì)移動(dòng)到B點(diǎn)。這時(shí)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行在高效區(qū)，ηB>ηA，但是也使新工況偏離所需的氣量，達(dá)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(shí)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(fēng)機(jī)運(yùn)行在高效率下保持原來(lái)的流量。

　　②滿足通風(fēng)需求的變頻調(diào)整。在這臺(tái)軸流式通風(fēng)機(jī)的變轉(zhuǎn)速(等同于變頻)通用性能曲線中，在坐標(biāo)比例嚴(yán)格一致的前提下，現(xiàn)在工況點(diǎn)A、B的Q、P與增加效率的變角度調(diào)整時(shí)A、B的Q、P是完全對(duì)應(yīng)的。B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為n2，這樣就可以通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，將其降低到n1，使通風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)再?gòu)腂回到A。

　　綜上所述，變頻節(jié)能對(duì)機(jī)理可以歸結(jié)為：通過(guò)調(diào)動(dòng)葉片角度以提高效率;通過(guò)變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)高效率的供風(fēng)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?cè)诿旱V主通風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能的實(shí)踐中還發(fā)現(xiàn)，變頻的實(shí)測(cè)節(jié)能效果比通過(guò)性能曲線理論預(yù)測(cè)還要高出3%～5%。這是由于轉(zhuǎn)速降低改善了通風(fēng)機(jī)的內(nèi)流狀態(tài)，各種損失都會(huì)有所減少，進(jìn)一步達(dá)到節(jié)能的效果。

　　3.3體會(huì)

　　煤礦主通風(fēng)機(jī)變頻技術(shù)是一種先進(jìn)的調(diào)速控制方式，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)推廣。一方面，它可以大幅度提高設(shè)備的運(yùn)行效率，節(jié)能效果非常顯著;另一方面，也可以配合設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)低負(fù)荷啟停，減少重載驟停對(duì)設(shè)備的損害，減少設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。變頻節(jié)能結(jié)合變頻和動(dòng)葉調(diào)節(jié)2種手段實(shí)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(fēng)井主通風(fēng)機(jī)“一拖二”變頻器的應(yīng)用

　　長(zhǎng)期以來(lái)，煤礦由于受復(fù)雜的生產(chǎn)條件和環(huán)境影響，在礦用設(shè)備選型上都采用富裕系數(shù)比較大的規(guī)格型號(hào)，電動(dòng)機(jī)全速運(yùn)行，大馬拉小車現(xiàn)象非常普遍，耗能十分嚴(yán)重。通風(fēng)機(jī)作為礦井主要通風(fēng)設(shè)備，常遠(yuǎn)大于煤礦正常生產(chǎn)所需的運(yùn)行功率，且所需風(fēng)量是一個(gè)不斷加大的過(guò)程，主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行的相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)均背離最佳工況點(diǎn)，運(yùn)行效率偏低，電能浪費(fèi)較為嚴(yán)重;另外，礦井需要風(fēng)量在某些階段也需根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。為此，位于濟(jì)寧市鄒城市的兗州礦業(yè)(集團(tuán))公司北宿煤礦開(kāi)展了煤礦風(fēng)井主通風(fēng)機(jī)“一拖二”變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用的研究。

　　4.1北宿煤礦西風(fēng)井主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況

　　主通風(fēng)機(jī)型號(hào)BDK60-8-№26型，風(fēng)量4965m3/min，負(fù)壓1841Pa，電壓6300V，電流46A;計(jì)算有功功率P=1.732UIcosΨ=1.732×6300×46×0.85=426.64kW。根據(jù)主通風(fēng)機(jī)的性能曲線和現(xiàn)行風(fēng)量需求，主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行在小風(fēng)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(fēng)機(jī)檢測(cè)報(bào)告，主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況在4～5點(diǎn)，技術(shù)測(cè)定表明其所需軸功率約315.20kW，而計(jì)算的實(shí)際運(yùn)行有功功率為426.64kW，每年多耗電能(426.64-315.20)×24×365=97.62萬(wàn)kWh。

　　4.2高壓變頻器和液力耦合器調(diào)速運(yùn)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(dòng)機(jī)采用變頻調(diào)速后，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸與負(fù)載直接相連，但電動(dòng)機(jī)不再由電網(wǎng)直接供電，而是由變頻器供電，變頻器通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)的供電頻率改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，可以實(shí)現(xiàn)相當(dāng)寬頻率范圍內(nèi)無(wú)級(jí)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(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸連接到液力偶合器，而負(fù)載連接到液力偶合器，電動(dòng)機(jī)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(shí)效率0.95，75%轉(zhuǎn)速時(shí)效率約0.72，20%轉(zhuǎn)速時(shí)效率約0.19)，而變頻器在輸出轉(zhuǎn)速下降時(shí)效率仍然較高(額定轉(zhuǎn)速時(shí)效率是0.975，75%以上轉(zhuǎn)速時(shí)效率大于0.95，20%以上轉(zhuǎn)速時(shí)效率大于0.90)。從曲線數(shù)據(jù)看，輸出轉(zhuǎn)速降低時(shí)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(guò)電力電子整流和脈寬調(diào)制逆變技術(shù)改變電動(dòng)機(jī)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(yùn)行;液力偶合器依靠泵和渦輪傳遞能量，低速輸出時(shí)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(yùn)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(yùn)行功率因數(shù)低于電動(dòng)機(jī)額定功率因數(shù)，在70%以下轉(zhuǎn)速時(shí)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(bǔ)償裝置。b.啟動(dòng)性能。采用變頻調(diào)速時(shí)，如電動(dòng)機(jī)保持額定轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)，電網(wǎng)輸入啟動(dòng)電流小于電動(dòng)機(jī)額定電流10%，主通風(fēng)機(jī)啟動(dòng)電流更小，而且啟動(dòng)全過(guò)程可控，啟動(dòng)點(diǎn)和爬坡時(shí)間可設(shè)置;液力偶合器不能直接改善啟動(dòng)性能，啟動(dòng)電流達(dá)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(dòng)性能，但啟動(dòng)電流仍是額定電流2倍以上，是變頻啟動(dòng)20倍以上。而且，直接啟動(dòng)造成電網(wǎng)電壓短時(shí)下降，干擾其它設(shè)備運(yùn)行。c.運(yùn)行可靠性、運(yùn)行維護(hù)。液力偶合器機(jī)械結(jié)構(gòu)和管道系統(tǒng)復(fù)雜，要長(zhǎng)期可靠運(yùn)行則維護(hù)工作量增大，出現(xiàn)故障無(wú)法直接定速運(yùn)行，必須停機(jī)檢修。雖然高壓變頻裝置電子線路比較復(fù)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(dòng)切換和冗余運(yùn)行特性，在單元故障時(shí)可不停機(jī)連續(xù)運(yùn)行，可靠性得以保證，而且檢修維護(hù)相當(dāng)容易，只需定期更換進(jìn)風(fēng)過(guò)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(yīng)速度跟不上控制需要;變頻調(diào)速的頻率改變速度相當(dāng)快，完全可以以系統(tǒng)允許的最高速度進(jìn)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(dá)到0.1%，可以實(shí)現(xiàn)精確控制。e.其它。液力偶合器調(diào)節(jié)需要改動(dòng)主通風(fēng)機(jī)的機(jī)械部分，占地面積大、改造時(shí)間長(zhǎng)和過(guò)程復(fù)雜、以后的維修量較大，不利于主通風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期安全運(yùn)行。變頻調(diào)速通過(guò)改變電源頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)變速，使主通風(fēng)機(jī)達(dá)到轉(zhuǎn)速的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行在最佳特性曲線上，極大提高運(yùn)行效率，大幅度節(jié)約電能。

　　4.3北宿煤礦西風(fēng)井主通風(fēng)機(jī)變頻改造

　　主通風(fēng)機(jī)的機(jī)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(shí)由于流體的流速低，所以負(fù)載的轉(zhuǎn)矩很小;隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加和流速加快，負(fù)載的轉(zhuǎn)矩和功率也越來(lái)越大。從計(jì)算結(jié)果可看出，當(dāng)被控制對(duì)象所需風(fēng)量減少時(shí)，采用變頻器降低主通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)使電動(dòng)機(jī)的功耗大為降低。

　　他們根據(jù)礦井巷道通風(fēng)系統(tǒng)布局和生產(chǎn)情況，通過(guò)理論分析計(jì)算及變頻器選型要求，交流變頻調(diào)速裝置選擇配套西門(mén)子PH-6-6-800無(wú)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(fēng)機(jī)葉片換為大風(fēng)葉，原有電動(dòng)機(jī)保持不變，原有電動(dòng)機(jī)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(tái)變頻器帶動(dòng)1臺(tái)對(duì)旋式通風(fēng)機(jī)的2臺(tái)電動(dòng)機(jī)。整套變頻器由變壓器柜、輸入輸出柜、控制柜和單元柜4個(gè)部分組成，每套變頻器需要增設(shè)1臺(tái)高壓開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行控制。

　　4.4主通風(fēng)機(jī)變頻改造效果

　　運(yùn)行實(shí)踐表明，這個(gè)變頻改造方案適合北宿煤礦西風(fēng)井主通風(fēng)機(jī)的運(yùn)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(lǐng)先，能夠?qū)崿F(xiàn)主通風(fēng)機(jī)的軟啟動(dòng)，避免啟動(dòng)電流對(duì)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(shè)備的一大缺陷;主通風(fēng)機(jī)的通風(fēng)量不再由調(diào)整葉輪角度或更換葉輪進(jìn)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(fēng)量，減少浪費(fèi);主通風(fēng)機(jī)處于適應(yīng)的負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)行，減少能耗;主通風(fēng)機(jī)在較低速度下運(yùn)行，極大降低主通風(fēng)機(jī)工作的機(jī)械強(qiáng)度和電氣沖擊，大大延長(zhǎng)使用壽命;電動(dòng)機(jī)和主通風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度下降，潤(rùn)滑條件改善，傳動(dòng)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(hù)工作量;有效降低電動(dòng)機(jī)和主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行的噪聲;安裝、調(diào)試簡(jiǎn)便，不破壞原有的配電設(shè)施與環(huán)境，不影響礦井通風(fēng)。

　　5 煤礦地面主通風(fēng)機(jī)變頻自動(dòng)化改造

　　位于濟(jì)寧市任城區(qū)的山東華邦集團(tuán)濟(jì)寧何崗煤礦初期主通風(fēng)機(jī)單機(jī)運(yùn)行能滿足通風(fēng)要求，但運(yùn)行方式性能曲線運(yùn)行在非高效區(qū)域范圍內(nèi)，影響主通風(fēng)機(jī)效率與工況。而且，隨著礦井延伸，通風(fēng)量需求增大，需要雙機(jī)運(yùn)行。一旦啟動(dòng)，主通風(fēng)機(jī)始終全速運(yùn)行，風(fēng)量又偏大，運(yùn)行功耗多，能耗呈增高趨勢(shì)，運(yùn)行很不經(jīng)濟(jì)。因此，他們決定對(duì)2臺(tái)主通風(fēng)機(jī)進(jìn)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(dòng)主通風(fēng)機(jī)，實(shí)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(dòng)主通風(fēng)機(jī)，具備工頻、變頻切換功能，既節(jié)約電能又起到保護(hù)主通風(fēng)機(jī)設(shè)備和電網(wǎng)的作用。

　　5.1何崗煤礦主通風(fēng)機(jī)變頻自動(dòng)化改造

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

　　主通風(fēng)機(jī)變頻自動(dòng)化控制系統(tǒng)共采用2臺(tái)變頻器，每臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)1臺(tái)主通風(fēng)機(jī)，取消風(fēng)門(mén)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(shí)驅(qū)動(dòng)1臺(tái)主通風(fēng)機(jī)的2臺(tái)110kW電動(dòng)機(jī);原有主通風(fēng)機(jī)自耦降壓?jiǎn)?dòng)柜保留并作為變頻柜后備設(shè)備，新裝變頻柜與原柜并聯(lián)安裝、相互閉鎖;其中1臺(tái)變頻柜發(fā)生故障時(shí)可自動(dòng)切換到工頻運(yùn)行也可自動(dòng)啟動(dòng)另一臺(tái)變頻柜，從而啟動(dòng)另一臺(tái)主通風(fēng)機(jī)同時(shí)對(duì)風(fēng)門(mén)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)自動(dòng)轉(zhuǎn)換，2種故障處理的方式可用1個(gè)選擇開(kāi)關(guān)選定也可在集控室選擇和操作;遠(yuǎn)程通訊控制和監(jiān)視接口能與DCS集控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制與監(jiān)視功能，在監(jiān)控微機(jī)上可啟動(dòng)2臺(tái)主通風(fēng)機(jī)中的任意1臺(tái)電動(dòng)機(jī)，且任意1臺(tái)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀況可在微機(jī)上直接監(jiān)視;變頻柜設(shè)置手動(dòng)和自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)量2種控制方式，在自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)量狀態(tài)下能按給定風(fēng)量自動(dòng)調(diào)整變頻器輸出頻率，形成風(fēng)量—頻率閉環(huán)控制;變頻柜內(nèi)安裝防雷及過(guò)電壓保護(hù)裝置;具有過(guò)載、過(guò)壓、過(guò)流、欠壓、電源缺相等自動(dòng)保護(hù)及聲光報(bào)警功能，并具有電源指示、運(yùn)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(chǎng)和集控室顯示或報(bào)警;可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程反風(fēng)操作，在監(jiān)控主機(jī)操作時(shí)必須輸入操作員密碼方可進(jìn)行相關(guān)操作，反風(fēng)方式可采用本機(jī)或啟動(dòng)另一臺(tái)主通風(fēng)機(jī)進(jìn)行;風(fēng)門(mén)控制裝置安裝在主通風(fēng)機(jī)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(fēng)門(mén)控制裝置正常工作，控制電源取自2個(gè)總進(jìn)線柜，向主控PLC提供電源，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程分合兩進(jìn)線斷路器和聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)的功能。

　　5.2主通風(fēng)機(jī)變頻改造總體效果

　　何崗煤礦主通風(fēng)機(jī)變頻自動(dòng)化改造后，實(shí)現(xiàn)變頻與原工頻控制相互閉鎖，變頻控制全過(guò)程采用PLC控制，主通風(fēng)機(jī)有就地、微機(jī)、自動(dòng)3種控制方式，正常情況下采用自動(dòng)啟動(dòng)運(yùn)行方式，變頻器出現(xiàn)故障可自動(dòng)切換到另一臺(tái)主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行;主通風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)柔性啟動(dòng)，通風(fēng)量無(wú)級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍大、隨機(jī)性強(qiáng)，可從0～50Hz對(duì)系統(tǒng)電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)整，減輕機(jī)械沖擊，減少電動(dòng)機(jī)疲勞磨損，降低電動(dòng)機(jī)運(yùn)行噪聲與溫度，有效延長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)的使用壽命;各種保護(hù)更加齊全可靠，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控;通風(fēng)機(jī)運(yùn)行電流減少81A，節(jié)電率達(dá)到37%，每年可以節(jié)約電費(fèi)14.8萬(wàn)元，節(jié)電效果非常明顯，僅節(jié)約電費(fèi)2a內(nèi)即可收回改造成本;何崗煤礦對(duì)主通風(fēng)機(jī)變頻自動(dòng)化改造運(yùn)行以來(lái)，通風(fēng)機(jī)始終保持“安全、可靠、經(jīng)濟(jì)”的運(yùn)行狀況，體現(xiàn)高效益、低成本、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的升級(jí)技術(shù)改造原則，比較適于煤礦主通風(fēng)機(jī)的自動(dòng)化運(yùn)行。

　　6 變頻技術(shù)在離心式通風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用

　　礦井提升機(jī)主電動(dòng)機(jī)的冷卻至關(guān)重要。如果主電動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)不當(dāng)，將會(huì)對(duì)提升機(jī)主電動(dòng)機(jī)造成非常大的危害。傳統(tǒng)的風(fēng)量調(diào)節(jié)大都采用風(fēng)門(mén)調(diào)節(jié)的方式，這種方式在實(shí)際使用中存在不足，給提升機(jī)的運(yùn)行帶來(lái)了安全隱患，同時(shí)也與提升機(jī)的全數(shù)字控制系統(tǒng)越來(lái)越不適應(yīng)。位于濟(jì)寧市鄒城市的兗州礦業(yè)(集團(tuán))公司鮑店煤礦通過(guò)把變頻器的外部頻率給定端子與電控系統(tǒng)可編程自動(dòng)化控制器的模擬量輸出端子連接，實(shí)現(xiàn)離心式冷卻風(fēng)機(jī)的風(fēng)量隨著礦井提升機(jī)主電動(dòng)機(jī)定子溫度的變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)，大幅度提高通風(fēng)機(jī)的效率。

　　6.1問(wèn)題的提出

　　鮑店煤礦副井的2部提升機(jī)曾經(jīng)引進(jìn)西門(mén)子技術(shù)進(jìn)行電控系統(tǒng)改造，其主控系統(tǒng)為西門(mén)子S7-400系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用晶閘管整流，運(yùn)行以來(lái)取得了非常好的效果。其主電動(dòng)機(jī)的冷卻采用的是離心式通風(fēng)機(jī)，利用調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)開(kāi)度大小來(lái)調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)量大小，但是經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)行發(fā)現(xiàn)其存在以下的缺點(diǎn)：?jiǎn)?dòng)電流大，主通風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)如果風(fēng)門(mén)的開(kāi)度在15%以上則通風(fēng)機(jī)相當(dāng)于帶載啟動(dòng)，啟動(dòng)電流在600A(電壓380V)以上時(shí)對(duì)電動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊，曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)開(kāi)啟主通風(fēng)機(jī)時(shí)忘記關(guān)閉調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)，導(dǎo)致啟動(dòng)電流過(guò)大、電動(dòng)機(jī)燒毀事故的發(fā)生，主通風(fēng)機(jī)位于提升機(jī)房的底層，調(diào)節(jié)起來(lái)不是很方便;通風(fēng)機(jī)效率非常低，通風(fēng)機(jī)負(fù)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(fēng)門(mén)控制風(fēng)量系統(tǒng)的通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變，電效率非常低，根據(jù)通風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)看，60%～70%電能都消耗在調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)及管網(wǎng)壓降上，造成電能資源的浪費(fèi);風(fēng)量不能自動(dòng)調(diào)節(jié)，根據(jù)季節(jié)的不同，主電動(dòng)機(jī)需要的冷卻風(fēng)量不同，如果一直把風(fēng)門(mén)開(kāi)得很大，其噪音很大，對(duì)提升機(jī)司機(jī)的健康不利，因此需要根據(jù)溫度的變化，由人工來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)的開(kāi)度，不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(kāi)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?？煽?，在許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。他們經(jīng)過(guò)論證，決定去掉調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)，由變頻器驅(qū)動(dòng)主通風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)，通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)量。并將通風(fēng)機(jī)變頻器的控制信號(hào)引入提升機(jī)的控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控以及風(fēng)量的自動(dòng)調(diào)節(jié)。結(jié)合提升系統(tǒng)的實(shí)際情況，選用西門(mén)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(fēng)機(jī)的啟動(dòng)不再是全壓?jiǎn)?dòng)，而是在變頻器中設(shè)定電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)曲線，電動(dòng)機(jī)將按照設(shè)定曲線啟動(dòng)，啟動(dòng)電流由600A以上降到200A以下，大幅度減少啟動(dòng)電流對(duì)電動(dòng)機(jī)的沖擊。

　　②變頻器正常時(shí)的啟動(dòng)順序。變頻器正常時(shí)，斷開(kāi)刀閘開(kāi)關(guān)，閉合空氣開(kāi)關(guān)合上手動(dòng)開(kāi)關(guān)，變頻器上電。絞車根據(jù)司機(jī)的命令發(fā)出“變頻器啟動(dòng)”命令，繼電器吸合，變頻器開(kāi)始啟動(dòng)。啟動(dòng)完畢后，變頻器“啟動(dòng)完畢”反饋信號(hào)接點(diǎn)閉合，風(fēng)機(jī)正常啟動(dòng)完畢。在PLC程序中，對(duì)反饋命令設(shè)置6s延時(shí)，即如果PLC發(fā)出“變頻器啟動(dòng)”命令6s以后，未得到變頻器“啟動(dòng)完畢”反饋信號(hào)，則會(huì)發(fā)通出風(fēng)機(jī)故障的信號(hào)，并閉鎖絞車，這時(shí)有可能是繼電器故障或變頻器產(chǎn)生故障。

　?、圩冾l器發(fā)生故障情況下的通風(fēng)機(jī)啟動(dòng)。當(dāng)變頻器發(fā)生故障不能正常運(yùn)行時(shí)，通風(fēng)機(jī)的控制方式恢復(fù)到原來(lái)方式，啟動(dòng)順序如下：首先要把風(fēng)門(mén)的開(kāi)度調(diào)節(jié)到15%以下，合刀閘開(kāi)關(guān)，然后合帶有過(guò)流保護(hù)功能的空氣開(kāi)關(guān)，最后合普通開(kāi)關(guān)，這時(shí)電動(dòng)機(jī)全壓?jiǎn)?dòng)。普通開(kāi)關(guān)的設(shè)置就是為了在變頻器損壞時(shí)，能夠使通風(fēng)機(jī)正常啟動(dòng)。同時(shí)刀閘Q2所帶的輔助點(diǎn)信號(hào)輸入PLC，PLC檢測(cè)到這個(gè)信號(hào)，就會(huì)屏蔽檢測(cè)變頻器“啟動(dòng)完畢”信號(hào)，僅僅檢測(cè)接觸器的輔助接點(diǎn)。

　?、茴l率的自動(dòng)調(diào)節(jié)。廠家在主電動(dòng)機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子中預(yù)埋了N00測(cè)溫電阻。利用S7400PLC的模擬量輸入模塊，可以很容易檢測(cè)到電動(dòng)機(jī)實(shí)際溫度，利用變頻器的外部頻率跟定功能，就可以實(shí)現(xiàn)頻率隨檢測(cè)到的電動(dòng)機(jī)實(shí)際溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)方法如下：把PLC中1個(gè)模擬量輸出接點(diǎn)與變頻器的外部頻率給定接點(diǎn)連接，并把變頻器的頻率給定信號(hào)設(shè)置為4流信號(hào)，同時(shí)把連接的PLC模擬量輸出接點(diǎn)輸出信號(hào)也設(shè)置為4～20mA信號(hào)。根據(jù)鮑店煤礦主電動(dòng)機(jī)的絕緣為B級(jí)絕緣在PLC程序中設(shè)置當(dāng)溫度高于100℃時(shí)，PLC模擬量輸出接點(diǎn)輸出18mA信號(hào)，即通風(fēng)機(jī)以88%的速度運(yùn)行;當(dāng)主電機(jī)溫度低于20℃時(shí)，PLC模擬量輸出接點(diǎn)輸出6mA信號(hào)，即通風(fēng)機(jī)以12%速度運(yùn)行，在20～100℃通風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)速度(以%表示)分成5個(gè)段。速度沒(méi)有設(shè)置成隨主電機(jī)溫度成比例的變化，主要原因是主電動(dòng)機(jī)溫度隨時(shí)在變化，如果不分段，則通風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速時(shí)刻在變化，對(duì)電動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)行不利，所以把通風(fēng)機(jī)運(yùn)行速度按照溫度范圍分成幾段。

　?、荼Ｗo(hù)功能。①通風(fēng)機(jī)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(shí)變頻器的啟動(dòng)反饋信號(hào)也要傳入到PLC，這2個(gè)信號(hào)正常，系統(tǒng)才認(rèn)為通風(fēng)系統(tǒng)正常。在變頻器損壞的情況下，系統(tǒng)就只是檢測(cè)R的狀態(tài)。絞車如果在提升過(guò)程中檢測(cè)到風(fēng)機(jī)故障，在溫度不超過(guò)115℃時(shí)，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(jī)主電動(dòng)機(jī)溫度保護(hù)設(shè)置。當(dāng)主電動(dòng)機(jī)溫度超過(guò)115℃時(shí)，控制系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生電氣制動(dòng)，防止提升機(jī)主電動(dòng)機(jī)超溫產(chǎn)生其它的事故。

　　6.4運(yùn)行效果

　　從投入運(yùn)行以來(lái)，效果十分明顯，主要有以下特點(diǎn)：徹底解決通風(fēng)機(jī)啟動(dòng)電流大的問(wèn)題，解除啟動(dòng)電流對(duì)電動(dòng)機(jī)的沖擊;增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性，有效控制提升機(jī)主電動(dòng)機(jī)溫度的變化;基本是免維護(hù)運(yùn)行，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度;降低主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪音，減少噪音對(duì)工人的危害。

　　改造以后，由于在變頻器中設(shè)定了電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)曲線，離心式風(fēng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)不再是全壓?jiǎn)?dòng)，啟動(dòng)電流由600A以上降低到200A以下，大幅度地減少啟動(dòng)電流對(duì)電動(dòng)機(jī)的沖擊。如果可編程自動(dòng)化控制器發(fā)出“變頻器啟動(dòng)”命令6s以后，未得到變頻器“啟動(dòng)完畢”反饋信號(hào)，則會(huì)發(fā)出離心式冷卻風(fēng)機(jī)故障的信號(hào)，并且閉鎖提升機(jī);當(dāng)變頻器發(fā)生故障不能夠正常工作的時(shí)候，離心式冷卻風(fēng)機(jī)的控制方式恢復(fù)為原先的方式。在主電動(dòng)機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子中預(yù)埋了Ni100測(cè)溫電阻，利用S7-400PLC的模擬量輸入模塊可以很容易檢測(cè)到電動(dòng)機(jī)的實(shí)際溫度，利用變頻器的外部頻率跟定功能就可以實(shí)現(xiàn)頻率隨檢測(cè)到的電動(dòng)機(jī)實(shí)際溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)。

　　7 結(jié)束語(yǔ)

　　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(fēng)機(jī)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(guó)內(nèi)的煤礦對(duì)礦井主通風(fēng)機(jī)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(gè)生產(chǎn)期實(shí)際運(yùn)行的主通風(fēng)機(jī)葉片安裝角遠(yuǎn)小于選型安裝角，電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期大馬拉小車。根據(jù)科研人員對(duì)煤礦主通風(fēng)機(jī)性能的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，新礦井主通風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行效率極少超過(guò)50%，有的甚至低于30%，這是對(duì)能源的極大浪費(fèi)，也嚴(yán)重影響煤礦的效益，提高主通風(fēng)機(jī)效率成為用戶的迫切需要。如今，煤礦主通風(fēng)機(jī)實(shí)施變頻技術(shù)有了可靠的設(shè)備性能保證，對(duì)原有主通風(fēng)機(jī)的節(jié)能改造已經(jīng)成為可能。