变频器在煤矿通风机节能降耗上的运用

摘要：通过分析矿井原通风机系统存在的问题，结合变频器使用现状提出增加变频器来进行通风机系统改造，并从变频器、节能器等设备选型、关键问题处理和变频系统控制等方面进行了详细阐述。

关键词：变频器；通风机系统；节能降耗

通风机是煤矿生产过程中重要的供风、导风设备，在确保通风系统稳定、防止瓦斯等有害气体聚集和保障人员安全等方面发挥着重要的作用。为了保证井下安全，通风机需要长时间连续运行，而通风机所需电流、电压较高，故通风机也是井下高耗能设备。通风机根据内部风流流向分为轴流式和离心式2种，根据矿井实际需要选择使用的是轴流式通风机，通风机电机采用起动电流较大的直起方式，且受到矿井环境和人为操作不当等因素的影响，通风机起动时对电网稳定冲击性较大，且会一定程度的降低通风机的使用寿命，对于保障矿井安全生产、降低生产成本和节能降耗极为不利。变频器若应用于通风机可实现电机调速，还可有效降低电动机起动电流和电网波动对电动机的影响，这样不仅可以有效地实现矿井通风机节能降耗，对于提升通风机使用性能和使用寿命也具有重要意义。鉴于此，矿井决定通过技术改造将变频器应用到通风机上来实现通风机变频调速和节能降耗。

1矿井通风机系统问题分析

矿井主通风机系统于1996年7月正式投入使用，所选用的通风机为可调式轴流式通风机，该通风机配备额定电压和功率分别为6000V和2000kW的同步电机，起动方式为直起。经过多年的资源回采，矿井开采水平逐渐向深部转移，原通风系统已经难以满足矿井通风需要，目前存在的问题主要有：（1）通风机运行工况已经接近特性曲线驼峰区，即通风机运行状况较差；（2）矿井通风系统与通风机吻合性差，通风机已经难以满足矿井通风系统的安全性和稳定性；（3）同步电机对供电电压波动敏感性较强，且因外部因素导致的电网波动频繁，通风机停机故障较多；（4）通风机电控系统落后，部分设备仪表显示不准确，自动控制程度低，控制室人员无法掌握通风系统实时数据；（5）随着矿井资源的回采，采区不断向深部转移，造成通风系统除了满足原通风场所外，还要担负深部采区的通风任务，通风负担较重；（6）通风机耗电较高，约占矿井用电的25％~30%，以往的通风机系统不符合矿井节能降耗的企业理念。因此对原通风机系统进行技术改造是矿井安全生产和管理的重要举措。

2技术改造方案的确定

2.1设备的选择

鉴于通风机系统运行现状和井下通风需求，同时考虑到变频技术在通风机系统上发挥的诸多优势，决定采用变频技术对通风机系统进行技术改造。结合周围矿井变频器应用情况，最终确定采用高压大功率变频器对通风机电机进行无极调速。当前高压变频器主要有它控型和自控型变频调速系统2种，前者属速度开环控制，应用较少；后者可以有效解决电机失步和震荡问题，故矿井选用自控型高压大功率变频器。结合国内变频器在通风机上的使用效果，同时结合变频器选用应满足纯净输入特性、高功率因数和合理正弦波输出等原则，决定选用ACS5000型变频器，该型变频器容量4500kVA，可通过可编程控制器（PLC）实现变频器的自动控制，同时，配备的监控系统可以对配电情况、风门状态、变频器输出频率、供电保护装置、风量、风压和通风机运行状态等方面进行实时监控，可实现通风机的闭环自动控制，大大提高了管理人员实时掌握通风机运行状态的精度和准度，有利于维修人员正确判断通风机系统故障和及时维修。变频器主要由整流器、滤波器、控制器和相关电路组成，变频器是一种利用半导体元件将工频电源转换成不同频率的控制装置。根据通风机电机转速与供电电源输入频率关系可知，改变电机频率和电压可以实现改变电机的转速，利用变频器调控系统即可实现电机频率的改变，进而实现电机转速的改变，这样可以通过调节电机转速确保风压符合矿井需求。节电器是基于电力、电子原理和集成芯片控制原理进行设计，将功率因数补偿技术、微处理数字技术、变频调速技术、调压技术等融合在一起的自动控制装置。考虑到原轴流式通风机使用年限较长，其运行特性曲线与矿井通风已不相符，且通风性能已经难以满足当前矿井通风需要，故决定采用AGF37.5-22.4-1FB型轴流式通风机代替原轴流式通风机。所选通风机还可有效解决电机绝缘和散热问题。

2.2解决的关键问题

利用变频器实现通风机的调速控制首先需要确定合理的控制方式和技术，同时还要解决电机在低频运行过程中出现的发热问题。通风机变频器采用DTC控制技术，这样可满足变频器在电网出现瞬间停电故障时变频器能够通过励磁跟踪实现对电机的实时控制，可有效预防以往因雷雨导致的通风机断电事故；制定科学合理的控制技术来实现故障切换和反风控制，具体可从按要求配备双回路供电系统、变频器和电机采用“二拖二”互备方式，采用真空接触式开关等方面进行确定。为了解决电机低频运行发热问题，所用电机匝间绝缘等级确定为H级，温升确定为B级，采用强迫风冷对电机进行冷却，通风机满载时变频器发热量应约为75kW，配电柜外壳防护等级为IP42。

2.3变频系统控制组成

变频系统控制主要由高压配电部分、低压配电部分、变频器部分和控制系统四部分组成。高压配电部分主要指双回路供电系统，低压配电部分主要指经由变电所将高压转化为低压作为低压供电系统电源；根据要求选择容量为4500kVA的ACS5000型变频器，变频器和电机采用“二拖二”互备方式，采用真空接触式开关进行自动切换；控制系统是指采用可编程控制器（PLC）进行通风机运行状态监测、信息切换等。

3节能效果分析

经过改造后采用AGF37.5-22.4-1FB型轴流式通风机，根据改造要求，通风机运行效率约为85%，根据矿井通风实际，选取通风机系统改造前原通风机运行工况点，其各种指标参数如表1所示。采用变频器调速后，通风机运行效率为原功率的85%左右，即在通风容易和困难时分别为1224kW和1755kW，按照当前矿井用电价格计算，可节约电费94.6~135.7万元/a，可见采用变频器对通风机系统改造后的节能降耗效果显著。变频器单台进价约为410万元，可计算变频器成本回收需要3.02~4.33a，变频器平均使用寿命为10a，由此可知采用变频器进行通风机系统改造在经济上是可取的。

4结语

矿井通过技术改造将变频器调速技术应用于矿井通风机系统，改善了通风机运行特性，提高了通风机起动平缓水平，且变频器调节可实现PLC自动控制，操作简单，省时省力，提高了通风机系统运行效率和可靠性，对通风机系统起到了较好的保护作用，有利于提高通风机的使用性能和使用寿命。

作者:韩静 单位:太原学院

参考文献：

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