中壓變頻器在礦井主扇風(fēng)機(jī)調(diào)速節(jié)能改造中的應(yīng)用

馮寶梁

（山西汾西礦業(yè)集團(tuán)賀西煤礦，山西 呂梁 033000）

通風(fēng)系統(tǒng)在煤礦的安全生產(chǎn)過(guò)程中起十分關(guān)鍵的作用，主扇風(fēng)機(jī)作為通風(fēng)系統(tǒng)的核心直接關(guān)乎到井下礦工的安危。基于現(xiàn)實(shí)需求設(shè)計(jì)的主扇風(fēng)機(jī)，其功率往往超出礦井實(shí)際需要，富裕系數(shù)較大，產(chǎn)生了較大的能耗[1-3]。因此，借助于中高壓變頻器對(duì)主扇風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造，不僅能夠滿(mǎn)足煤礦通風(fēng)要求，還能夠減少電能損耗，降低運(yùn)行成本。

1 主扇風(fēng)機(jī)變頻控制改造的必要性

傳統(tǒng)的主扇風(fēng)機(jī)大多利用轉(zhuǎn)子串產(chǎn)生的電阻磁力完成啟動(dòng)，在啟動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的電流，其產(chǎn)生的機(jī)械沖擊力會(huì)直接影響到主扇風(fēng)機(jī)的使用壽命。且運(yùn)用轉(zhuǎn)子串產(chǎn)生的電阻會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)精度降低，增加電機(jī)燒壞故障的發(fā)生率，需要耗費(fèi)更多的人力資源進(jìn)行維護(hù)[4-5]。與此同時(shí)，主扇風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中若始終處于半負(fù)載狀態(tài)，會(huì)導(dǎo)致對(duì)電力資源的浪費(fèi)。除此之外，傳統(tǒng)的主扇風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制能力較差，使用的安全性欠佳。

2 運(yùn)用中壓變頻器改造主扇風(fēng)機(jī)的思路

2.1 主扇風(fēng)機(jī)的應(yīng)用

在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，主扇風(fēng)機(jī)負(fù)責(zé)通風(fēng)工作，這也對(duì)主扇風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定性提出了較高的要求。主扇風(fēng)機(jī)若不能良好運(yùn)行，會(huì)直接導(dǎo)致煤礦開(kāi)采工作無(wú)法正常進(jìn)行。作為耗能較大的設(shè)備，由于主扇風(fēng)機(jī)需要改變風(fēng)葉來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)量，會(huì)產(chǎn)生較大的能耗，這也無(wú)形中增加了生產(chǎn)成本。針對(duì)以上情況，經(jīng)各方討論，在對(duì)主扇風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造時(shí)，應(yīng)選用ABBACS800系列變頻調(diào)速器。

目前，主扇風(fēng)機(jī)通常采取離心式和軸流式兩種結(jié)構(gòu)。在設(shè)定額定通風(fēng)能力的過(guò)程中，通常將礦井末期的通風(fēng)阻力和風(fēng)量作為主要參數(shù)，在生產(chǎn)初期，風(fēng)機(jī)具有較大的富余能力，當(dāng)風(fēng)機(jī)按照規(guī)定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，排風(fēng)量和風(fēng)壓如圖1所示。在投產(chǎn)初期，由于開(kāi)拓量較小，巷道較短，所產(chǎn)生的通風(fēng)阻力較小，基于此種情況下，若嚴(yán)格依據(jù)額定工況通風(fēng)，會(huì)導(dǎo)致采煤工作面的風(fēng)速超限，進(jìn)而對(duì)采煤工作的安全性產(chǎn)生不良影響。

圖1 主扇風(fēng)機(jī)排風(fēng)量特性曲線圖

2.2 中壓變頻器的選用

主扇風(fēng)機(jī)不僅需要滿(mǎn)足通風(fēng)需求，還需要具備良好的節(jié)能效果。因此，在選用變頻器的過(guò)程中，需要綜合考慮額定電壓電流以及其對(duì)主扇風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率的影響。汾西礦業(yè)集團(tuán)賀西煤礦現(xiàn)有兩臺(tái)主扇風(fēng)機(jī)，其中一臺(tái)為備用，兩臺(tái)風(fēng)機(jī)的設(shè)備參數(shù)和變頻器的各項(xiàng)參數(shù)完全一致。主扇風(fēng)機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)情況見(jiàn)表1，變頻器參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 主扇風(fēng)機(jī)參數(shù)表

表2 變頻器參數(shù)

本次選用變頻器主控器件為CPLD和DSP芯片，主電路采用三電平電路，輸出諧波和電壓有效降低。功率開(kāi)關(guān)器件選用雙單元IGBT模塊，經(jīng)整流處理后，串聯(lián)成濾波器。電解電容采用六串四并形式，變頻器頻率設(shè)定為43Hz。中壓變頻器結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

采用三平電路設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)如下：（1）有助于降低電壓諧波，確保輸出波形良好；（2）有助于形成對(duì)主扇風(fēng)機(jī)的保護(hù)；（3）有助于促進(jìn)變頻器的穩(wěn)定性，借助于人機(jī)界面，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各項(xiàng)參數(shù)的實(shí)時(shí)設(shè)置，監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)；（4）有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)線路損耗的補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，且不會(huì)影響到電機(jī)運(yùn)行；（5）有助于利用過(guò)壓、硬件過(guò)流等，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)的變頻保護(hù)，在出現(xiàn)故障后查找故障點(diǎn)；（6）可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)運(yùn)行。

圖2 中壓變頻器結(jié)構(gòu)圖

3 改造方案及其效果

3.1 改造方案

賀西煤礦現(xiàn)有2臺(tái)主扇風(fēng)機(jī)，其中1臺(tái)為備用。選用2臺(tái)ABBACS800系列變頻調(diào)速器，任何一臺(tái)變頻器對(duì)應(yīng)控制1臺(tái)主扇風(fēng)機(jī)，煤礦根據(jù)自身情況對(duì)變頻切換周期進(jìn)行合理設(shè)定。主備風(fēng)機(jī)每隔2h切換一次，變頻器每隔2h切換一次。將工頻旁路設(shè)置在控制回路的旁邊，結(jié)合自身需要進(jìn)行手動(dòng)切換。在變頻運(yùn)行狀態(tài)，中壓變頻器能為風(fēng)機(jī)提供全面保護(hù)，一旦中壓變頻器發(fā)生故障，則立即啟動(dòng)備用風(fēng)機(jī)，以此來(lái)保證通風(fēng)系統(tǒng)的順暢運(yùn)行，以滿(mǎn)足煤礦的通風(fēng)需求。

3.2 節(jié)電率

根據(jù)節(jié)電率計(jì)算公式（N1-N2)/N1可得，該煤礦的節(jié)電率約為36%，若按照電價(jià)0.57kW·h進(jìn)行計(jì)算，基于工頻為24h的情況下，耗電費(fèi)=20932.81×0.57=11931.70元，變頻改造費(fèi)用為7626.74元/d，在變頻改造結(jié)束后，可節(jié)約電費(fèi)4304.96元，一年為365d，則可節(jié)約電費(fèi)4304.96×365=1571311.57元。

3.3 節(jié)能效果

結(jié)合對(duì)風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行情況進(jìn)行分析，變頻調(diào)速頻率約為43Hz，與理論計(jì)算的36%稍有差池。若頻率低于43Hz，則節(jié)電率將會(huì)更低。在現(xiàn)場(chǎng)控制過(guò)程中，若能夠引入中壓變頻器，還有助于擴(kuò)大調(diào)速范圍，結(jié)合具體風(fēng)量對(duì)風(fēng)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過(guò)運(yùn)用變頻器，還能夠?qū)崿F(xiàn)軟啟動(dòng)，有助于防止對(duì)主扇風(fēng)機(jī)造成沖擊，且對(duì)功率因數(shù)的控制高達(dá)95%以上。除此之外，采用變頻控制方案，有助于減少主扇風(fēng)機(jī)的磨損，延長(zhǎng)主扇風(fēng)機(jī)的壽命，降低噪音污染，起到了良好的節(jié)能效果。

4 結(jié)論

賀西煤礦在將中壓變頻器引入主扇風(fēng)機(jī)改造后，滿(mǎn)足了節(jié)能環(huán)保的要求，有效確保了通風(fēng)系統(tǒng)的安全性，運(yùn)行成本顯著降低，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著。首先，引入變頻風(fēng)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)軟啟動(dòng)，減少了機(jī)械沖擊，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用年限。其次，應(yīng)用中壓變頻器能夠根據(jù)需求對(duì)風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，減少了資源的浪費(fèi)，只需對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)即可調(diào)整風(fēng)量。此外，中壓變頻器設(shè)計(jì)了外圍連鎖保護(hù)系統(tǒng)，輸出的諧波量較小。最后，應(yīng)用中壓變頻器能夠借助人機(jī)界面減少人工操作的頻率，也避免了人工操作事故的發(fā)生。