【变频调速技术在煤矿通风系统中的应用研究】煤矿通风知识

　　【摘 要】通过对煤矿矿井通风机运行特性的分析，介绍了变频调速技术在矿井通风机系统中应用的技术可行性、实施方案和巨大的经济效益。提出了通风机变频调速与瓦斯监测系统联网，防止瓦斯爆炸事故发生的设想。
　　【关键词】通风机；变频调速；节能
　　矿井通风机作为保障矿井安全生产的关键设备，必须连续运行，是煤矿中连续运转的大用电负荷设备。实现矿井通风机的经济运行，对于节约用电、降低成本有着很重要的意义。
　　一、通风量调节的方法
　　矿井通风机及其传动电机，通常在矿井设计阶段选定，其通风量主要由矿井瓦斯涌出量、井下作业人员数量、通风巷道阻力等因素决定。通风机的风量调节，是通过改变通风机本身的特性曲线或改变外部管网特性来进行的。可分为风机恒速时的风量调节和风机变速时的风量调节。（1）通风机恒速时的风量调节。对于轴流式通风机，通过增大叶片安装角度可以增大风压，也可以通过改变工作轮的级数或叶轮片数来调节通风量。但这些调节一般需要在风机停机时才能进行，只适合较长阶段的风量调节，无法实现通风量的平滑调节和与实际通风量要求的随动。对于离心式风机，目前都是通过调节通风机口及风道或送风道中闸门的开启程度，人为地减小风道断面，增加通风阻力，改变通风管网的特性曲线，最终改变风机运行工况点，实现风量调节。这是一种很不经济的调节方法。（2）通风机变速时的风量调节。通过改变通风机的转速，实现通风机特性曲线的改变，从而改变通风量，是离心式通风机节能运行的有效方法。
　　二、我国煤矿矿井通风机的现状
　　矿井通风机是矿井安全生产的关键设备，其可靠性要求是第一位的，其次才能考虑经济运行。由于通风机属于负荷平稳，起动不频繁，仅需较小起动转矩的设备，采用母线供电，交流鼠笼电动机拖动的不调速电控系统，调节风门调节风量的工作方式是最简单、最可靠的。虽然这种工作方式能耗大，但设备简单，投资小，可靠性高，维修容易，能满足煤矿安全生产的需要。而在过去，各种交流调速拖动系统存在一定的缺陷和局限性，直流调速拖动系统又过于复杂和昂贵的情况下，经过技术上和经济上的比较，我国矿井通风机大多采用交流电动机不调速拖动，调节风门调整风量的工作方式。随着半导体技术的进步，交流变频调速技术已日臻成熟。新的交流变频调速通风机电控系统以其可靠性高，调节方便灵活，节能效果显著等优点，将成为矿井通风机控制系统发展的方向。
　　三、变频调速在矿井通风机上的应用
　　（1）变频器的发展。通用变频器自20世纪80年代初问世以来至今的20多年里，共更新了五代。第一代是20世纪80年代初的模拟式通用变频器；第二代是20世纪80年代中期的数字式通用变频器：第三代是20世纪90年代初的智能型通用变频器；第四代是20世纪90年代中期的多功能通用变频器；第五代是现在的集中型通用变频器。通用变频器的应用范围不断扩大，已遍及工业生产的各个行业，甚至进入了家庭。其产品正朝着三个方向发展：向着无需调整便能得到最佳运行的多功能和高性能型发展；向通过简单控制就能运行的小型化和操作方便方向发展；向大容量、高电压、高起动转矩及具有环保功能方向发展。随着大功率高耐压半导体器件GTO、IGBT、IGCT技术的成熟，大功率中压（l～l0kV）变频器已成为系列产品。俄罗斯电力研究院采用GTO元件生产的变频器电压可达4.5～6kV，电流可达4000～6000A，输出容量可达10MVA。美国Robicon公司生产的分离直流电源多重电源逆变器串联变频器，直接以6kV或3kV输出，输入输出波形都接近正弦波。目前我国自制的中压变频器也已经通过鉴定，正式投入使用。（2）变频调速在矿井通风机系统中的使用。方案风机类负载在过载能力方面的要求较低。由于负载转矩与转速的平方成正比，所以低速运行时负载较轻。又因为这类负载对转速的精度没什么要求，固选用最廉价的普通功能型通用变频器即可满足要求。煤矿矿井通风机容量一般较大，电动机一般为中压电动机（3～6kV）。在技术改造时一般保留原电动机，根据电动机的电压和容量选用相应的中压变频器即可。但鼠笼异步电动机由通用变频器控制时，由于高次谐波的影响和电动机运行范围的扩大，将出现一些新问题。在旧设备改造留用原电动机时应注意以下几点：（1）额定频率运行时有温升提高问题。由于变频器的三相输出电压波形都是SPWM波，因此不可避免地在异步电动机的定子电流中含有高次谐波成分，高次谐波增加了电动机的损耗，使电动机的效率和功率因数变差，所以电动机的温升将会比变频调速改造前有所提高。高次谐波损耗基本与负载无关。通用变频器高次谐波分量越小，电动机的温升也越小。所以在选用变频器时，要注意选择高次谐波分量小的产品。（2）电动机运行时出现噪声增大问题。这是SPWM变频器的载波频率与电动机铁芯的固有谐振频率发生谐振，引起电动机铁芯震动而发出的噪声。如果噪声过大或对同一控制柜内的其他控制设备有干扰时，可在一定范围内调整载波频率，降低噪声干扰。但应注意，调整载波频率会对变频器自身的特性产生影响，要慎重对待。变频器中逆变部分的SPWM控制信号是具有陡变沿的脉冲信号，会产生很强的电磁干扰，干扰其他设备。电源滤波器和无线电噪声滤波器的作用就是抑制变频器的电磁干扰。变频器输出端串联安装的滤波器还能解决电动机过热和噪声问题。交流电抗器和直流电抗器的作用是改善变频器的功率因数和抑制输入电路中的浪涌电流，并削弱电源电压不平衡的问题。直流电抗器一般常配；交流电抗器在供电变压器容量>500kVA或变压器容量超过变频器容量的10倍时考虑配置。（3）低速时的散热能力问题。通用标准鼠笼异步电动机的散热能力是按额定转速且冷却风机与电动机同轴条件下考虑冷却风量的。当使用变频器调速后，电动机转速降低，冷却风量自动减小，散热能力变差。由于电动机的温升与冷却风量成反比，所以在额定转速以下连续运行时，应设置单独的恒速冷却风扇，以改善电动机的低速运行散热能力。
　　四、变频调速矿井通风机与瓦斯监测系统联网的设想
　　瓦斯一直是困扰煤矿安全生产的大问题，因瓦斯爆炸造成人员伤亡的恶性事故时有发生。根据瓦斯涌出量及时调整通风量冲淡或吸走瓦斯是解决瓦斯浓度过高、易造成事故的基本方法之一。以前由于通风机风量的调节是通过调节通风机叶片的安装角度或通过控制变频器很方便地进行调整。把变频器的控制系统与瓦斯监测系统联网，当瓦斯涌出量增大时，瓦斯监测系统可以实时控制变频器调节风道风门进行，只能进行人工调节，不可能按瓦斯涌出量对通风量进行自动调整。对通风机进行变频调速改造后，风机的通风量可以自动增大通风量，冲淡或吸走瓦斯，防止事故的发生。从上述分析可以看出，变频调速用于矿井通风机风量调节，不仅技术上可行，而且有很好的经济效益。在变频调速技术已相当成熟的今天，变频器是作为单独的整体设备在市场上出售的。通风机变频调速改造，原设备、供电系统、电动机等都不需要变动，只是把变频器买来，接入电路，在进行相应的软件设置即可。所需时间短，可靠性强，使用维修方便。改造后不但节能效果显著，若把变频器的控制系统与瓦斯探测系统联网，还可以在瓦斯涌出量增大时自动增大通风量，冲淡瓦斯，防止事故的发生。
　　总之，通风机变频调速技术改造，技术成熟，可靠性高，工作量小，在正常生产维修的间隙即可完成，而且可以产生巨大的经济效益，应在矿业系统中大力推广。
　　参 考 文 献
　　[1]朱宏，李中华，李继平．浅析煤矿通风系统优化改造技术的应用．煤炭工程．2008（8）
　　[2]杜均新．高压变频器在煤矿主通风机上的应用．煤矿机械．2008（4）：157～160