变频技术在煤矿主扇风机中的应用

材料，而电能又是一个很大的消耗项目。

怎样合理地使用电能，使电能的利用率达到最高而消耗率达到最少，是很多煤炭企业、建设、设备安装使用的重要经济指标。这些年随着科技的不断发展，煤矿的通风、提升、运轨、采煤、掘进等设备的不断更新，注重节能、降耗、提高安全运行性能的电器设备大量涌现，其中，变频技术就是一项既节能、又安全可靠的安全运行技术，变频技术在其它领域的应用也十分广泛，现仅以煤矿主通风机应用变频调速技术的运行进行分析。

1 选择矿用主扇通风机调速方案

1.1 煤矿主扇风机的调节方法

在实际生产过程中，由于煤矿企业处于不同的阶段，所以对风量风压的要求存在一定的差异性，通常情况下，采用以下方式进行调节，进而在一定程度上满足生产需要。

①调节闸门；

②调整通风机的转速；

③调整前导器叶片的角度；

④通过改变动叶安装角，对轴流式通风机进行调节；

⑤通过对尾翼摆角进行调整，实现对离心式通风机的调节；

⑥通过改变动叶数目，对轴流式通风机进行调节；

⑦通过改变静叶角度，对轴流式通风机进行调节。

在上述调节方式中，其中，调节效率最差的方式就是闸门调节，通过人为的方式可以对这种调节方式的阻力曲线进行改变，进一步增加风阻，通过这种方式进行调节，风机的性能在一定程度上可能被恶化；与闸门调节方式相比，在调节效率方面，前导器调节和尾翼摆角调节通常情况下相对比较高；对于风机的特性曲线，通过改变动叶安装角和动叶数目的方式可以对其进行调整和改变，进一步拓宽风机运高效运行的范围，进而在一定程度上实现节能降耗的目的。对于风机来说，通过改变其转速，可以使通风机运行在最佳工况点，可以使风机在最大的范围内以最高的效率运行。在上述调节方式，该调节方式的节能效果最好。

在生产中，煤矿选择了两台对旋式轴流通风机作为主扇风机，其中一台留作备用。在性能曲线方面，轴流式通风机的性能曲线如图1所示。

由图1可知，在轴流式通风机的性能曲线中，其压力曲线存在驼峰，如果在驼峰右侧区域选择工况点，在这种情况下，可以确保通风机运行的稳定性；如果在驼峰左侧区域选择工况点，这时稳定通风机的工作状态存在一定难度，通风机工作在该区域时，无论风压，还是流量都容易发生波动。当向左下部转移工况点时，这时风压、流量发生的脉动会比较剧烈，进而在一定程度上导致风机装置发生剧烈的振动，风机装置的剧烈振动现象，通常情况下被称为喘振。通风机在运行过程中，如果发生喘振，通常情况下会对风机装置构成威胁。所以通风机在实际运行过程，绝不允许出现喘振。为了防止通风机在小流量状态时发生喘振，需要对风机进行调节。在20%的变化范围内，对风机速度进行控制，风机效率在这种情况下基本不发生变化，利用变频方式处理风机，可以使风机高效运行在小流量段状态。通过调频方式对风机进行调速处理，其优势主要表现为：一方面防止风机发生喘振，另一方面可以使风机高效运行的范围不断扩大。在投运初始阶段，由于风机所需的风量远远小于风机风量，在这种情况下，采用变频调速方式对风机投运的初始阶段进行处理显得尤为重要。

1.2 传统的调速方式

到上个世纪末，主要采用液力耦合器方式、串级调速、高—低变频方式对高压电机进行调速处理。

1.2.1 液力耦合器方式：对于这种调节方式来说，其调节原理就是，将一个液力耦合装置串接在电机和负载之间，通过对液面高度进行调整，进而在一定程度上调节电机和负载之间耦合力，进一步对负载的速度进行调节。在对风机进行调速处理的过程中，液力耦合器方式属于转差功率消耗型的做法，其缺点是：风机效率随着转速的下降逐渐降低，同时使得维护工作量进一步增加。

1.2.2 串级调速：通过这种方式对风机进行调速处理时，通过情况下需要借助绕线式异步电动机来完成。在调速过程中，通过实施整流、逆变处理，可以将转子绕组的一部分能量输送到电网中，进而提高节能效果。在现代工业生产中，由于主要使用鼠笼式异步电动机，更换电机比较复杂。利用串级调速方式对风机进行调速，其调速范围通常情况下比较窄，一般只有70%-95%。并且容易污染电网的谐波，进一步降低功率因数等；受转子滑环的影响和制约，串级调速电机的功率一般比较小，并且维护滑环的工作量比价大。

1.2.3 高—低变频方式：通过这种方式进行调速处理，需要选择低压变频器，同时选用输入降压变压器，在一定程度上对电网电压进行降压处理，然后利用低压变频器进行变频处理。在调速过程中，实现电机变频的方式主要包括：一种是直接使用低压电机；另一种是借助原来的高压电机，在变频器和电机之间安置一台升压变压器。受当时社会环境的影响和制约，这种变频方式属于过渡性技术。

通过对高压电机调速方式进行对比分析，在改造煤矿主扇通风机的过程中，采用高压变频器进行改造，其中高压变频器选择4台山东新风光电子科技发展有限公司生产的jd-bp37-560f型高压变频器。

2 技改方案

2.1 山东新风光电子jd-bp37-560f高压变频器

2.1.1 jd-bp37-560f高压变频器的性能指标（表1）

2.1.2 性能特点

①采用直接“高—高”变换形式对高压变频调速系统进行处理，其主体结构为单元串联多电平拓扑结构。

②对变频装置进行控制，可以通过led键盘、人机界面两种方式来完成，这两种控制方式可以互为备用，在实际生产过程中，借助这两种控制方式，可以进行增、减负荷、开停机等操作。

③通过设置相应的标准rs-485、触摸屏处理器扩展通讯接口等，变频器可以提供通讯功能。

④变频系统在没有任何补偿功率因数时，在20～100%的调速范围内，其输入端功率因数高达0.95。

⑤在输出电缆长度方面，变频装置没有任何要求，共模电压及dv/dt应力不会对变频装置保护电机构成影响。

⑥按照ieee 519 1992及我国供电部门的相关规定，变频装置输出电流谐波低于2%，完全符合电压失真要求，并且高于国标gb14549-93的相关规定。对于变频装置来说，其输出波形不会造成电机产生谐振。

⑦电网反馈的电流谐波对于变频装置来说，通常情况下低于4%，符合ieee 519 1992及我国供电部门的相关规定，同时高于国标gb14549-93的规定要求。

⑧变频装置具有较强的能力，进一步适应电网电压的波动，电网电压波动范围在-10%～+10%之间时，变频装置能够满载输出。

⑨变频装置通过设置过电压、过电流、欠电压等保护，并且其保护性能完全符合国家有关标准的规定要求。

⑩在实际运行过程中，变频装置能够自行诊断所发生的故障时，并且通过中文的形式提示故障的类型、位置等故障信息，并且能够就地显示故障信息，同时可以进行远方报警，进而在一定程度上为运行人员、检修人员识别、维修故障等提供便利。

{11}对于变频控制系统来说，由于具有较强的适应能力，能够在电子噪声、射频干扰等环境中连续运行。

2.2 变频改造主回路接线

在连接方式上，对于变频装置与主扇风机来说，通常情况下，按照图2所示的方式进行连接。例如，经变频装置处理后，6kV电源输入刀闸K1进入高压变频装置，经出线刀闸K2处理，变频装置输出到电动机。

2.3 高压变频器如何在风机的高效区进行调速

在高效区，对高压变频器进行调速的措施主要包括：

①煤矿企业在实际生产过程中，需要结合矿井近期所需的风量、负压等实际情况，对高压变频器进行相应的调速处理。

②风机在运行过程中，需要结合风机运行的实际情况，进而在一定程度上做出相应的网路阻力曲线，同时求解相应的曲线方程组。

③在实际调速过程中，需要采取相应措施，进一步对风机的直径及转速进行确定，然后结合厂家提供的相应的特性曲线，作出相应的风机阻力曲线，进而在一定程度上找出最佳的工况点，确保风机在该工况点高效运行。在运行过程中，如果工况点出现在低效区，可以进一步调整风机的动叶角度，通过调整使风机运行在高效区。通过公式计算、作图或者将两者相结合的方式，进一步确定风机叶片的安装角度；通过做出风路特性曲线寻找工况点，对于平均角度可以通过图进行查找。

2.4 变频运行情况

2.4.1 变频器及其负载

4月30日安装完成该变频器，5月3日投入运行。主扇风机参数详见表2。

2.4.2 变频运行

从实际运行情况来看，高压变频器从投入运行以来，其运行较为稳定，并且在输出频率、电压、电流等方面，同样表现出较强的稳定性。在实际运行过程中，对于风机来说，其实际转速远远低于额定转速，并且表现出噪声小的优势。

2.4.3 变频操作

在对变频器进行实际操作的过程中，为了便于对变频器进行操作，该变频器装置提供了中文操作界面，通过触摸屏对变频器进行操作，变频器的运行状态在一定程度上可以生动直观地显示，同时变频器的各种运行数据通过触摸屏进行查询，并且便于操作人员及时了解其运行状况。变频器操作简单、快捷，并且可以同时起动两级风机，在较短的时间内就可以满足相应的风量要求。

2.4.4 运行数据

对于变频器来说，其运行数据如表3所示。

2006年5月16日，功率因数：0.976。

2.4.5 能耗分析

煤矿选用对旋式轴流风机作为主扇风机，两台旋转方向相反、功率为400kW的风机共同组成主扇风机，在图3中，给出了风机特性曲线，其中，矿井的通风阻力曲线、调整风门后的阻力曲线如图3中的R1、R2所示，并且曲线R1、R2分别与转速为n2、动叶角度为00和转速为n的风机特性曲线相交于a、b两点。当风叶角度为-50、风量为147m3/s时，风压损失功率为：

p风损=δp×qa/1000=（pb-pa）×qa/1000

=（3050-2100）×147/1000=139.7kW

如果采用工频运行，动叶角度调至-5℃，闸门调节工况点b，在这种情况下，风机的通风有用功率为：

p通=pb×qb/1000=3050×147/1000=448.4kW

电机功率：

p电=p通/η=448.4/72%=622.8kW

因此，其节电率=（p电-p变）/p电

=（622.8-386）/622.8=38.02%

风机变频运行时的效率为：

η=（pa×qa/1000）/p入

=（2100×147/1000）/386=80%

通过上述分析可知，当风机变频运行时，其效率为80%，其节电率超过30%，具有明显的节能效果，并且经济效益可观。

3 结论

从主通风机投入变频技术运行的实例分析和应用中，我们可以知道，应用变频技术不但提高了风机的效率，更大大节约了电能，还提高了设备的安全性能。把此项技术应用到如排水、运输、提升、采煤等环节中，更能为企业和国家节约大量的资金。

参考文献：

[1]许建国.电机与拖动基础[M].北京：高等教育出版社，2004.

[2]任志锦.电机与电气控制[M].北京：机械工业出版社，2002.

[3]陈光梦.可编程逻辑器件的原理与应用[M].上海：复旦大学出版社，1998.

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