1 引言

　　近幾年來，位于山東省濟寧市范圍內(nèi)的一些煤炭企業(yè)開展了煤礦主通風(fēng)機應(yīng)用高壓變頻調(diào)速技術(shù)的研究，針對運行中出現(xiàn)的問題從多個方面提出技術(shù)措施并進行實施，有效地保障了高壓變頻調(diào)速技術(shù)在煤礦主通風(fēng)機的安全運行。

　　2 煤礦主通風(fēng)機節(jié)能措施的研究

　　目前，國內(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)機的軸功率特性曲線顯示，主通風(fēng)機轉(zhuǎn)速改變時軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比變化，調(diào)節(jié)風(fēng)速是主通風(fēng)機節(jié)能改造效果最明顯的技術(shù)途徑。位于濟寧市鄒城市的山東宏河礦業(yè)集團有限公司對礦用主通風(fēng)機的節(jié)能措施進行了研究總結(jié)。

　　2.1礦用主通風(fēng)機調(diào)節(jié)方法的技術(shù)特點

　　①調(diào)速型液力偶合器調(diào)節(jié)。放棄已老化的電動機控制系統(tǒng)，利用液力偶合器結(jié)構(gòu)特點實現(xiàn)電動機空載啟動，提高啟動能力，減少對電網(wǎng)的沖擊;傳動介質(zhì)為油液，可以隔離扭振，減緩沖擊;結(jié)構(gòu)簡單可靠，控制方便;除軸承外無機械磨損，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)機的電動機輸出功率大幅度降低，達到節(jié)電的目的。主通風(fēng)機調(diào)節(jié)幅度越大節(jié)電效果越明顯，反之亦然。

　?、劭煽毓璐壵{(diào)節(jié)電動機轉(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。電控系統(tǒng)采用PLC取代模擬控制和有觸點電器的傳統(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)做到平滑無極調(diào)速及較硬的機械特性，是煤礦主通風(fēng)機調(diào)速優(yōu)選方案。

　?、苤绷鳈C組調(diào)速。調(diào)速范圍廣、性能好、效率高、穩(wěn)定可靠。但是，常見通風(fēng)系統(tǒng)采用的交流電動機需要改換成直流電動機，設(shè)備投資及電動機維護量大，不代表電氣傳動的發(fā)展方向，在礦用主通風(fēng)機節(jié)能改造中應(yīng)用較少。

　　2.2礦用主通風(fēng)機調(diào)速節(jié)電的注意事項

　　主通風(fēng)機的轉(zhuǎn)速變化不宜過大，一般為70%～100%，最低轉(zhuǎn)速不小于額定轉(zhuǎn)速50%，因為轉(zhuǎn)速低于40%～50%時主通風(fēng)機本身效率明顯下降，也是不經(jīng)濟的;調(diào)速范圍確定時注意機組的機械臨界轉(zhuǎn)速，否則調(diào)速至諧振頻率時可能損壞機組;選擇調(diào)速裝置的特性盡可能與主通風(fēng)機的負載特性一致，否則效果不理想;選擇轉(zhuǎn)速方案時進行技術(shù)、經(jīng)濟分析比較，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、對電網(wǎng)影響情況、節(jié)省電能消耗效益、必須進行專業(yè)培訓(xùn)。

　　3 煤礦主通風(fēng)機變頻調(diào)速的節(jié)能分析

　　變頻節(jié)能分析是調(diào)動用戶實施煤礦通風(fēng)機變頻技術(shù)改造的最直接動力，中國礦業(yè)大學(xué)和位于濟寧市鄒城市的兗州礦業(yè)(集團)有限責(zé)任公司就不同情況的主通風(fēng)機變頻節(jié)能技術(shù)的機理開展研究，對變頻節(jié)能的效果進行分析。

　　3.1基本理論

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

　?、谕L(fēng)機通用性能曲線。在表示可變轉(zhuǎn)速通風(fēng)機運行曲線時，需要繪制出不同轉(zhuǎn)速時的性能曲線，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)速對應(yīng)不同的運行工況點。以管網(wǎng)阻力曲線R2為例，風(fēng)機轉(zhuǎn)速n1、n2、n3、n4分別對應(yīng)工況點E、C、F、M。由于通風(fēng)機變轉(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，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)機變轉(zhuǎn)速通用性能曲線的這個性質(zhì)進行流量調(diào)節(jié)，達到節(jié)流調(diào)節(jié)不可能達到的高效率。

　?、劭蓜尤~片調(diào)節(jié)。即動葉安裝角可隨不同工況而改變，通風(fēng)機在低負荷時效率大為提高。葉片安裝角增大時通風(fēng)機的流量增大，反之減小。同時，通風(fēng)機的效率也會有顯著的變化，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，由于避免了閥門調(diào)節(jié)的節(jié)流損失，所以這種調(diào)節(jié)方法經(jīng)濟性也很高。

　　④變頻節(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)機的流量需要改變時直接改變通風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，也就是改變通風(fēng)機的通用性能曲線;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)機可動葉片調(diào)節(jié)兩種手段進行流量的互補調(diào)整，使通風(fēng)機達到滿意的效率，實現(xiàn)節(jié)能增效。礦井主通風(fēng)機在1個特定工況往往要工作較長時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)機工作在高效率區(qū)，因此第二種變頻節(jié)能對用戶顯得尤為重要。

　　3.2變頻節(jié)能調(diào)節(jié)的機理

　?、僭黾有实淖兘嵌日{(diào)整。在軸流式通風(fēng)機的通用性能曲線中，當(dāng)實際運行工況位于某一點A附近，效率僅為50%左右，明顯偏低。能否提高工況點效率關(guān)鍵在于葉片安裝角是否具備上調(diào)空間。工況點上調(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)的準備。如果A點的葉片安裝角度為-5°，具備上調(diào)的空間。若增大葉片角度至5°，運行工況點就會移動到B點。這時通風(fēng)機運行在高效區(qū)，ηB>ηA，但是也使新工況偏離所需的氣量，達到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)機運行在高效率下保持原來的流量。

　?、跐M足通風(fēng)需求的變頻調(diào)整。在這臺軸流式通風(fēng)機的變轉(zhuǎn)速(等同于變頻)通用性能曲線中，在坐標比例嚴格一致的前提下，現(xiàn)在工況點A、B的Q、P與增加效率的變角度調(diào)整時A、B的Q、P是完全對應(yīng)的。B點對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為n2，這樣就可以通過變頻器調(diào)節(jié)通風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，將其降低到n1，使通風(fēng)機的工況點再從B回到A。

　　綜上所述，變頻節(jié)能對機理可以歸結(jié)為：通過調(diào)動葉片角度以提高效率;通過變頻調(diào)速實現(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。他們在煤礦主通風(fēng)機變頻節(jié)能的實踐中還發(fā)現(xiàn)，變頻的實測節(jié)能效果比通過性能曲線理論預(yù)測還要高出3%～5%。這是由于轉(zhuǎn)速降低改善了通風(fēng)機的內(nèi)流狀態(tài)，各種損失都會有所減少，進一步達到節(jié)能的效果。

　　3.3體會

　　煤礦主通風(fēng)機變頻技術(shù)是一種先進的調(diào)速控制方式，應(yīng)當(dāng)重點推廣。一方面，它可以大幅度提高設(shè)備的運行效率，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)測監(jiān)控技術(shù)實現(xiàn)低負荷啟停，減少重載驟停對設(shè)備的損害，減少設(shè)備的維護費用，延長設(shè)備的使用壽命。變頻節(jié)能結(jié)合變頻和動葉調(diào)節(jié)2種手段實現(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“一拖二”變頻器的應(yīng)用

　　長期以來，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，電動機全速運行，大馬拉小車現(xiàn)象非常普遍，耗能十分嚴重。通風(fēng)機作為礦井主要通風(fēng)設(shè)備，常遠大于煤礦正常生產(chǎn)所需的運行功率，且所需風(fēng)量是一個不斷加大的過程，主通風(fēng)機運行的相當(dāng)長時間內(nèi)均背離最佳工況點，運行效率偏低，電能浪費較為嚴重;另外，礦井需要風(fēng)量在某些階段也需根據(jù)生產(chǎn)實際情況進行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。為此，位于濟寧市鄒城市的兗州礦業(yè)(集團)公司北宿煤礦開展了煤礦風(fēng)井主通風(fēng)機“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)機運行工況

　　主通風(fēng)機型號BDK60-8-№26型，風(fēng)量4965m3/min，負壓1841Pa，電壓6300V，電流46A;計算有功功率P=1.732UIcosΨ=1.732×6300×46×0.85=426.64kW。根據(jù)主通風(fēng)機的性能曲線和現(xiàn)行風(fēng)量需求，主通風(fēng)機運行在小風(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)機檢測報告，主通風(fēng)機運行工況在4～5點，技術(shù)測定表明其所需軸功率約315.20kW，而計算的實際運行有功功率為426.64kW，每年多耗電能(426.64-315.20)×24×365=97.62萬kWh。

　　4.2高壓變頻器和液力耦合器調(diào)速運行比較

　?、僮冾l調(diào)速與液力偶合器調(diào)速的原理比較。電動機采用變頻調(diào)速后，電動機轉(zhuǎn)軸與負載直接相連，但電動機不再由電網(wǎng)直接供電，而是由變頻器供電，變頻器通過改變電動機的供電頻率改變電動機轉(zhuǎn)速，可以實現(xiàn)相當(dāng)寬頻率范圍內(nèi)無級調(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，電動機轉(zhuǎn)軸連接到液力偶合器，而負載連接到液力偶合器，電動機仍由電網(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)速時效率0.95，75%轉(zhuǎn)速時效率約0.72，20%轉(zhuǎn)速時效率約0.19)，而變頻器在輸出轉(zhuǎn)速下降時效率仍然較高(額定轉(zhuǎn)速時效率是0.975，75%以上轉(zhuǎn)速時效率大于0.95，20%以上轉(zhuǎn)速時效率大于0.90)。從曲線數(shù)據(jù)看，輸出轉(zhuǎn)速降低時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)速通過電力電子整流和脈寬調(diào)制逆變技術(shù)改變電動機電樞的電壓和頻率，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)保持較高效率運行;液力偶合器依靠泵和渦輪傳遞能量，低速輸出時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;液力偶合器低速運行功率因數(shù)低于電動機額定功率因數(shù)，在70%以下轉(zhuǎn)速時功率因數(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)補償裝置。b.啟動性能。采用變頻調(diào)速時，如電動機保持額定轉(zhuǎn)矩啟動，電網(wǎng)輸入啟動電流小于電動機額定電流10%，主通風(fēng)機啟動電流更小，而且啟動全過程可控，啟動點和爬坡時間可設(shè)置;液力偶合器不能直接改善啟動性能，啟動電流達到額定電流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性能，但啟動電流仍是額定電流2倍以上，是變頻啟動20倍以上。而且，直接啟動造成電網(wǎng)電壓短時下降，干擾其它設(shè)備運行。c.運行可靠性、運行維護。液力偶合器機械結(jié)構(gòu)和管道系統(tǒng)復(fù)雜，要長期可靠運行則維護工作量增大，出現(xiàn)故障無法直接定速運行，必須停機檢修。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切換和冗余運行特性，在單元故障時可不停機連續(xù)運行，可靠性得以保證，而且檢修維護相當(dāng)容易，只需定期更換進風(fēng)過濾網(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)頻精度達到0.1%，可以實現(xiàn)精確控制。e.其它。液力偶合器調(diào)節(jié)需要改動主通風(fēng)機的機械部分，占地面積大、改造時間長和過程復(fù)雜、以后的維修量較大，不利于主通風(fēng)機長期安全運行。變頻調(diào)速通過改變電源頻率來實現(xiàn)電動機的無級變速，使主通風(fēng)機達到轉(zhuǎn)速的無級調(diào)節(jié)。主通風(fēng)機運行在最佳特性曲線上，極大提高運行效率，大幅度節(jié)約電能。

　　4.3北宿煤礦西風(fēng)井主通風(fēng)機變頻改造

　　主通風(fēng)機的機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。在低速時由于流體的流速低，所以負載的轉(zhuǎn)矩很小;隨著電動機轉(zhuǎn)速增加和流速加快，負載的轉(zhuǎn)矩和功率也越來越大。從計算結(jié)果可看出，當(dāng)被控制對象所需風(fēng)量減少時，采用變頻器降低主通風(fēng)機的轉(zhuǎn)速會使電動機的功耗大為降低。

　　他們根據(jù)礦井巷道通風(fēng)系統(tǒng)布局和生產(chǎn)情況，通過理論分析計算及變頻器選型要求，交流變頻調(diào)速裝置選擇配套西門子PH-6-6-800無諧波高壓變頻器，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)機葉片換為大風(fēng)葉，原有電動機保持不變，原有電動機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臺變頻器帶動1臺對旋式通風(fēng)機的2臺電動機。整套變頻器由變壓器柜、輸入輸出柜、控制柜和單元柜4個部分組成，每套變頻器需要增設(shè)1臺高壓開關(guān)柜進行控制。

　　4.4主通風(fēng)機變頻改造效果

　　運行實踐表明，這個變頻改造方案適合北宿煤礦西風(fēng)井主通風(fēng)機的運行狀況，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)機的軟啟動，避免啟動電流對電網(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)機的通風(fēng)量不再由調(diào)整葉輪角度或更換葉輪進行，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;主通風(fēng)機處于適應(yīng)的負荷狀態(tài)運行，減少能耗;主通風(fēng)機在較低速度下運行，極大降低主通風(fēng)機工作的機械強度和電氣沖擊，大大延長使用壽命;電動機和主通風(fēng)機的運轉(zhuǎn)速度下降，潤滑條件改善，傳動裝置故障率下降;系統(tǒng)完善的監(jiān)控性能和高可靠性提高工作效率，減少檢修和維護工作量;有效降低電動機和主通風(fēng)機運行的噪聲;安裝、調(diào)試簡便，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)機變頻自動化改造

　　位于濟寧市任城區(qū)的山東華邦集團濟寧何崗煤礦初期主通風(fēng)機單機運行能滿足通風(fēng)要求，但運行方式性能曲線運行在非高效區(qū)域范圍內(nèi)，影響主通風(fēng)機效率與工況。而且，隨著礦井延伸，通風(fēng)量需求增大，需要雙機運行。一旦啟動，主通風(fēng)機始終全速運行，風(fēng)量又偏大，運行功耗多，能耗呈增高趨勢，運行很不經(jīng)濟。因此，他們決定對2臺主通風(fēng)機進行變頻改造。在原控制柜旁并聯(lián)變頻控制柜，采用變頻器驅(qū)動主通風(fēng)機，實現(xiàn)工頻、變頻雙回路控制，形成“一用一備”、“一拖二”的方式驅(qū)動主通風(fēng)機，具備工頻、變頻切換功能，既節(jié)約電能又起到保護主通風(fēng)機設(shè)備和電網(wǎng)的作用。

　　5.1何崗煤礦主通風(fēng)機變頻自動化改造

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

　　主通風(fēng)機變頻自動化控制系統(tǒng)共采用2臺變頻器，每臺變頻器驅(qū)動1臺主通風(fēng)機，取消風(fēng)門控制箱，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，可同時驅(qū)動1臺主通風(fēng)機的2臺110kW電動機;原有主通風(fēng)機自耦降壓啟動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臺變頻柜發(fā)生故障時可自動切換到工頻運行也可自動啟動另一臺變頻柜，從而啟動另一臺主通風(fēng)機同時對風(fēng)門實現(xiàn)相應(yīng)自動轉(zhuǎn)換，2種故障處理的方式可用1個選擇開關(guān)選定也可在集控室選擇和操作;遠程通訊控制和監(jiān)視接口能與DCS集控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)遠程控制與監(jiān)視功能，在監(jiān)控微機上可啟動2臺主通風(fēng)機中的任意1臺電動機，且任意1臺電動機的運行狀況可在微機上直接監(jiān)視;變頻柜設(shè)置手動和自動調(diào)節(jié)風(fēng)量2種控制方式，在自動調(diào)節(jié)風(fēng)量狀態(tài)下能按給定風(fēng)量自動調(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)安裝防雷及過電壓保護裝置;具有過載、過壓、過流、欠壓、電源缺相等自動保護及聲光報警功能，并具有電源指示、運行指示、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)場和集控室顯示或報警;可實現(xiàn)遠程反風(fēng)操作，在監(jiān)控主機操作時必須輸入操作員密碼方可進行相關(guān)操作，反風(fēng)方式可采用本機或啟動另一臺主通風(fēng)機進行;風(fēng)門控制裝置安裝在主通風(fēng)機變頻柜內(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)門控制裝置正常工作，控制電源取自2個總進線柜，向主控PLC提供電源，從而實現(xiàn)遠程分合兩進線斷路器和聯(lián)絡(luò)開關(guān)的功能。

　　5.2主通風(fēng)機變頻改造總體效果

　　何崗煤礦主通風(fēng)機變頻自動化改造后，實現(xiàn)變頻與原工頻控制相互閉鎖，變頻控制全過程采用PLC控制，主通風(fēng)機有就地、微機、自動3種控制方式，正常情況下采用自動啟動運行方式，變頻器出現(xiàn)故障可自動切換到另一臺主通風(fēng)機運行;主通風(fēng)機實現(xiàn)柔性啟動，通風(fēng)量無級調(diào)速，調(diào)速范圍大、隨機性強，可從0～50Hz對系統(tǒng)電網(wǎng)進行調(diào)整，減輕機械沖擊，減少電動機疲勞磨損，降低電動機運行噪聲與溫度，有效延長電動機的使用壽命;各種保護更加齊全可靠，實現(xiàn)遠程監(jiān)控;通風(fēng)機運行電流減少81A，節(jié)電率達到37%，每年可以節(jié)約電費14.8萬元，節(jié)電效果非常明顯，僅節(jié)約電費2a內(nèi)即可收回改造成本;何崗煤礦對主通風(fēng)機變頻自動化改造運行以來，通風(fēng)機始終保持“安全、可靠、經(jīng)濟”的運行狀況，體現(xiàn)高效益、低成本、經(jīng)濟實用的升級技術(shù)改造原則，比較適于煤礦主通風(fēng)機的自動化運行。

　　6 變頻技術(shù)在離心式通風(fēng)機上的應(yīng)用

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

　　6.1問題的提出

　　鮑店煤礦副井的2部提升機曾經(jīng)引進西門子技術(shù)進行電控系統(tǒng)改造，其主控系統(tǒng)為西門子S7-400系統(tǒng)，驅(qū)動系統(tǒng)采用晶閘管整流，運行以來取得了非常好的效果。其主電動機的冷卻采用的是離心式通風(fēng)機，利用調(diào)節(jié)風(fēng)門開度大小來調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)量大小，但是經(jīng)過一段時間運行發(fā)現(xiàn)其存在以下的缺點：啟動電流大，主通風(fēng)機啟動時如果風(fēng)門的開度在15%以上則通風(fēng)機相當(dāng)于帶載啟動，啟動電流在600A(電壓380V)以上時對電動機會產(chǎn)生較大的沖擊，曾經(jīng)出現(xiàn)過開啟主通風(fēng)機時忘記關(guān)閉調(diào)節(jié)風(fēng)門，導(dǎo)致啟動電流過大、電動機燒毀事故的發(fā)生，主通風(fēng)機位于提升機房的底層，調(diào)節(jié)起來不是很方便;通風(fēng)機效率非常低，通風(fēng)機負載轉(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)門控制風(fēng)量系統(tǒng)的通風(fēng)機轉(zhuǎn)速不變，電效率非常低，根據(jù)通風(fēng)機實際運行情況來看，60%～70%電能都消耗在調(diào)節(jié)風(fēng)門及管網(wǎng)壓降上，造成電能資源的浪費;風(fēng)量不能自動調(diào)節(jié)，根據(jù)季節(jié)的不同，主電動機需要的冷卻風(fēng)量不同，如果一直把風(fēng)門開得很大，其噪音很大，對提升機司機的健康不利，因此需要根據(jù)溫度的變化，由人工來調(diào)節(jié)風(fēng)門的開度，不能實現(xiàn)自動化調(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)過論證，決定去掉調(diào)節(jié)風(fēng)門，由變頻器驅(qū)動主通風(fēng)機電動機，通過調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)量。并將通風(fēng)機變頻器的控制信號引入提升機的控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)通風(fēng)機狀態(tài)的實時監(jiān)控以及風(fēng)量的自動調(diào)節(jié)。結(jié)合提升系統(tǒng)的實際情況，選用西門子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

　　①風(fēng)機的啟動不再是全壓啟動，而是在變頻器中設(shè)定電動機啟動曲線，電動機將按照設(shè)定曲線啟動，啟動電流由600A以上降到200A以下，大幅度減少啟動電流對電動機的沖擊。

　?、谧冾l器正常時的啟動順序。變頻器正常時，斷開刀閘開關(guān)，閉合空氣開關(guān)合上手動開關(guān)，變頻器上電。絞車根據(jù)司機的命令發(fā)出“變頻器啟動”命令，繼電器吸合，變頻器開始啟動。啟動完畢后，變頻器“啟動完畢”反饋信號接點閉合，風(fēng)機正常啟動完畢。在PLC程序中，對反饋命令設(shè)置6s延時，即如果PLC發(fā)出“變頻器啟動”命令6s以后，未得到變頻器“啟動完畢”反饋信號，則會發(fā)通出風(fēng)機故障的信號，并閉鎖絞車，這時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)機啟動。當(dāng)變頻器發(fā)生故障不能正常運行時，通風(fēng)機的控制方式恢復(fù)到原來方式，啟動順序如下：首先要把風(fēng)門的開度調(diào)節(jié)到15%以下，合刀閘開關(guān)，然后合帶有過流保護功能的空氣開關(guān)，最后合普通開關(guān)，這時電動機全壓啟動。普通開關(guān)的設(shè)置就是為了在變頻器損壞時，能夠使通風(fēng)機正常啟動。同時刀閘Q2所帶的輔助點信號輸入PLC，PLC檢測到這個信號，就會屏蔽檢測變頻器“啟動完畢”信號，僅僅檢測接觸器的輔助接點。

　　④頻率的自動調(diào)節(jié)。廠家在主電動機的定子和轉(zhuǎn)子中預(yù)埋了N00測溫電阻。利用S7400PLC的模擬量輸入模塊，可以很容易檢測到電動機實際溫度，利用變頻器的外部頻率跟定功能，就可以實現(xiàn)頻率隨檢測到的電動機實際溫度自動調(diào)節(jié)，實現(xiàn)方法如下：把PLC中1個模擬量輸出接點與變頻器的外部頻率給定接點連接，并把變頻器的頻率給定信號設(shè)置為4流信號，同時把連接的PLC模擬量輸出接點輸出信號也設(shè)置為4～20mA信號。根據(jù)鮑店煤礦主電動機的絕緣為B級絕緣在PLC程序中設(shè)置當(dāng)溫度高于100℃時，PLC模擬量輸出接點輸出18mA信號，即通風(fēng)機以88%的速度運行;當(dāng)主電機溫度低于20℃時，PLC模擬量輸出接點輸出6mA信號，即通風(fēng)機以12%速度運行，在20～100℃通風(fēng)機電動機速度(以%表示)分成5個段。速度沒有設(shè)置成隨主電機溫度成比例的變化，主要原因是主電動機溫度隨時在變化，如果不分段，則通風(fēng)機電動機的轉(zhuǎn)速時刻在變化，對電動機的安全運行不利，所以把通風(fēng)機運行速度按照溫度范圍分成幾段。

　?、荼Ｗo功能。①通風(fēng)機的狀態(tài)監(jiān)控。首先接觸器的吸合狀態(tài)要傳入到PLC，同時變頻器的啟動反饋信號也要傳入到PLC，這2個信號正常，系統(tǒng)才認為通風(fēng)系統(tǒng)正常。在變頻器損壞的情況下，系統(tǒng)就只是檢測R的狀態(tài)。絞車如果在提升過程中檢測到風(fēng)機故障，在溫度不超過115℃時，允許本次提升完成，然后閉鎖絞車直到故障處理完畢。②提升機主電動機溫度保護設(shè)置。當(dāng)主電動機溫度超過115℃時，控制系統(tǒng)就會產(chǎn)生電氣制動，防止提升機主電動機超溫產(chǎn)生其它的事故。

　　6.4運行效果

　　從投入運行以來，效果十分明顯，主要有以下特點：徹底解決通風(fēng)機啟動電流大的問題，解除啟動電流對電動機的沖擊;增強系統(tǒng)的安全性，有效控制提升機主電動機溫度的變化;基本是免維護運行，降低工人的勞動強度;降低主通風(fēng)機運行時產(chǎn)生的噪音，減少噪音對工人的危害。

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

　　7 結(jié)束語

　　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，國內(nèi)的煤礦對礦井主通風(fēng)機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生產(chǎn)期實際運行的主通風(fēng)機葉片安裝角遠小于選型安裝角，電動機長期大馬拉小車。根據(jù)科研人員對煤礦主通風(fēng)機性能的現(xiàn)場測定，新礦井主通風(fēng)機實際運行效率極少超過50%，有的甚至低于30%，這是對能源的極大浪費，也嚴重影響煤礦的效益，提高主通風(fēng)機效率成為用戶的迫切需要。如今，煤礦主通風(fēng)機實施變頻技術(shù)有了可靠的設(shè)備性能保證，對原有主通風(fēng)機的節(jié)能改造已經(jīng)成為可能。