【摘 要】通過(guò)對(duì)煤礦礦井通風(fēng)機(jī)運(yùn)行特性的分析，介紹了變頻調(diào)速技術(shù)在礦井通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用的技術(shù)可行性、實(shí)施方案和巨大的經(jīng)濟(jì)效益。提出了通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速與瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，防止瓦斯爆炸事故發(fā)生的設(shè)想。

【關(guān)鍵詞】通風(fēng)機(jī)；變頻調(diào)速；節(jié)能

礦井通風(fēng)機(jī)作為保障礦井安全生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，必須連續(xù)運(yùn)行，是煤礦中連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的大用電負(fù)荷設(shè)備。實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，對(duì)于節(jié)約用電、降低成本有著很重要的意義。

一、通風(fēng)量調(diào)節(jié)的方法

礦井通風(fēng)機(jī)及其傳動(dòng)電機(jī)，通常在礦井設(shè)計(jì)階段選定，其通風(fēng)量主要由礦井瓦斯涌出量、井下作業(yè)人員數(shù)量、通風(fēng)巷道阻力等因素決定。通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量調(diào)節(jié)，是通過(guò)改變通風(fēng)機(jī)本身的特性曲線或改變外部管網(wǎng)特性來(lái)進(jìn)行的?？煞譃轱L(fēng)機(jī)恒速時(shí)的風(fēng)量調(diào)節(jié)和風(fēng)機(jī)變速時(shí)的風(fēng)量調(diào)節(jié)。（1）通風(fēng)機(jī)恒速時(shí)的風(fēng)量調(diào)節(jié)。對(duì)于軸流式通風(fēng)機(jī)，通過(guò)增大葉片安裝角度可以增大風(fēng)壓，也可以通過(guò)改變工作輪的級(jí)數(shù)或葉輪片數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)通風(fēng)量。但這些調(diào)節(jié)一般需要在風(fēng)機(jī)停機(jī)時(shí)才能進(jìn)行，只適合較長(zhǎng)階段的風(fēng)量調(diào)節(jié)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)通風(fēng)量的平滑調(diào)節(jié)和與實(shí)際通風(fēng)量要求的隨動(dòng)。對(duì)于離心式風(fēng)機(jī)，目前都是通過(guò)調(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)口及風(fēng)道或送風(fēng)道中閘門的開啟程度，人為地減小風(fēng)道斷面，增加通風(fēng)阻力，改變通風(fēng)管網(wǎng)的特性曲線，最終改變風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)量調(diào)節(jié)。這是一種很不經(jīng)濟(jì)的調(diào)節(jié)方法。（2）通風(fēng)機(jī)變速時(shí)的風(fēng)量調(diào)節(jié)。通過(guò)改變通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)特性曲線的改變，從而改變通風(fēng)量，是離心式通風(fēng)機(jī)節(jié)能運(yùn)行的有效方法。

二、我國(guó)煤礦礦井通風(fēng)機(jī)的現(xiàn)狀

礦井通風(fēng)機(jī)是礦井安全生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，其可靠性要求是第一位的，其次才能考慮經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。由于通風(fēng)機(jī)屬于負(fù)荷平穩(wěn)，起動(dòng)不頻繁，僅需較小起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的設(shè)備，采用母線供電，交流鼠籠電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的不調(diào)速電控系統(tǒng)，調(diào)節(jié)風(fēng)門調(diào)節(jié)風(fēng)量的工作方式是最簡(jiǎn)單、最可靠的。雖然這種工作方式能耗大，但設(shè)備簡(jiǎn)單，投資小，可靠性高，維修容易，能滿足煤礦安全生產(chǎn)的需要。而在過(guò)去，各種交流調(diào)速拖動(dòng)系統(tǒng)存在一定的缺陷和局限性，直流調(diào)速拖動(dòng)系統(tǒng)又過(guò)于復(fù)雜和昂貴的情況下，經(jīng)過(guò)技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上的比較，我國(guó)礦井通風(fēng)機(jī)大多采用交流電動(dòng)機(jī)不調(diào)速拖動(dòng)，調(diào)節(jié)風(fēng)門調(diào)整風(fēng)量的工作方式。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，交流變頻調(diào)速技術(shù)已日臻成熟。新的交流變頻調(diào)速通風(fēng)機(jī)電控系統(tǒng)以其可靠性高，調(diào)節(jié)方便靈活，節(jié)能效果顯著等優(yōu)點(diǎn)，將成為礦井通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展的方向。

三、變頻調(diào)速在礦井通風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用

（1）變頻器的發(fā)展。通用變頻器自20世紀(jì)80年代初問(wèn)世以來(lái)至今的20多年里，共更新了五代。第一代是20世紀(jì)80年代初的模擬式通用變頻器；第二代是20世紀(jì)80年代中期的數(shù)字式通用變頻器：第三代是20世紀(jì)90年代初的智能型通用變頻器；第四代是20世紀(jì)90年代中期的多功能通用變頻器；第五代是現(xiàn)在的集中型通用變頻器。通用變頻器的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，已遍及工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)行業(yè)，甚至進(jìn)入了家庭。其產(chǎn)品正朝著三個(gè)方向發(fā)展：向著無(wú)需調(diào)整便能得到最佳運(yùn)行的多功能和高性能型發(fā)展；向通過(guò)簡(jiǎn)單控制就能運(yùn)行的小型化和操作方便方向發(fā)展；向大容量、高電壓、高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩及具有環(huán)保功能方向發(fā)展。隨著大功率高耐壓半導(dǎo)體器件GTO、IGBT、IGCT技術(shù)的成熟，大功率中壓（l～l0kV）變頻器已成為系列產(chǎn)品。俄羅斯電力研究院采用GTO元件生產(chǎn)的變頻器電壓可達(dá)4.5～6kV，電流可達(dá)4000～6000A，輸出容量可達(dá)10MVA。美國(guó)Robicon公司生產(chǎn)的分離直流電源多重電源逆變器串聯(lián)變頻器，直接以6kV或3kV輸出，輸入輸出波形都接近正弦波。目前我國(guó)自制的中壓變頻器也已經(jīng)通過(guò)鑒定，正式投入使用。（2）變頻調(diào)速在礦井通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中的使用。方案風(fēng)機(jī)類負(fù)載在過(guò)載能力方面的要求較低。由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，所以低速運(yùn)行時(shí)負(fù)載較輕。又因?yàn)檫@類負(fù)載對(duì)轉(zhuǎn)速的精度沒什么要求，固選用最廉價(jià)的普通功能型通用變頻器即可滿足要求。煤礦礦井通風(fēng)機(jī)容量一般較大，電動(dòng)機(jī)一般為中壓電動(dòng)機(jī)（3～6kV）。在技術(shù)改造時(shí)一般保留原電動(dòng)機(jī)，根據(jù)電動(dòng)機(jī)的電壓和容量選用相應(yīng)的中壓變頻器即可。但鼠籠異步電動(dòng)機(jī)由通用變頻器控制時(shí)，由于高次諧波的影響和電動(dòng)機(jī)運(yùn)行范圍的擴(kuò)大，將出現(xiàn)一些新問(wèn)題。在舊設(shè)備改造留用原電動(dòng)機(jī)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（1）額定頻率運(yùn)行時(shí)有溫升提高問(wèn)題。由于變頻器的三相輸出電壓波形都是SPWM波，因此不可避免地在異步電動(dòng)機(jī)的定子電流中含有高次諧波成分，高次諧波增加了電動(dòng)機(jī)的損耗，使電動(dòng)機(jī)的效率和功率因數(shù)變差，所以電動(dòng)機(jī)的溫升將會(huì)比變頻調(diào)速改造前有所提高。高次諧波損耗基本與負(fù)載無(wú)關(guān)。通用變頻器高次諧波分量越小，電動(dòng)機(jī)的溫升也越小。所以在選用變頻器時(shí)，要注意選擇高次諧波分量小的產(chǎn)品。（2）電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)噪聲增大問(wèn)題。這是SPWM變頻器的載波頻率與電動(dòng)機(jī)鐵芯的固有諧振頻率發(fā)生諧振，引起電動(dòng)機(jī)鐵芯震動(dòng)而發(fā)出的噪聲。如果噪聲過(guò)大或?qū)ν豢刂乒駜?nèi)的其他控制設(shè)備有干擾時(shí)，可在一定范圍內(nèi)調(diào)整載波頻率，降低噪聲干擾。但應(yīng)注意，調(diào)整載波頻率會(huì)對(duì)變頻器自身的特性產(chǎn)生影響，要慎重對(duì)待。變頻器中逆變部分的SPWM控制信號(hào)是具有陡變沿的脈沖信號(hào)，會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾，干擾其他設(shè)備。電源濾波器和無(wú)線電噪聲濾波器的作用就是抑制變頻器的電磁干擾。變頻器輸出端串聯(lián)安裝的濾波器還能解決電動(dòng)機(jī)過(guò)熱和噪聲問(wèn)題。交流電抗器和直流電抗器的作用是改善變頻器的功率因數(shù)和抑制輸入電路中的浪涌電流，并削弱電源電壓不平衡的問(wèn)題。直流電抗器一般常配；交流電抗器在供電變壓器容量>500kVA或變壓器容量超過(guò)變頻器容量的10倍時(shí)考慮配置。（3）低速時(shí)的散熱能力問(wèn)題。通用標(biāo)準(zhǔn)鼠籠異步電動(dòng)機(jī)的散熱能力是按額定轉(zhuǎn)速且冷卻風(fēng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)同軸條件下考慮冷卻風(fēng)量的。當(dāng)使用變頻器調(diào)速后，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低，冷卻風(fēng)量自動(dòng)減小，散熱能力變差。由于電動(dòng)機(jī)的溫升與冷卻風(fēng)量成反比，所以在額定轉(zhuǎn)速以下連續(xù)運(yùn)行時(shí)，應(yīng)設(shè)置單獨(dú)的恒速冷卻風(fēng)扇，以改善電動(dòng)機(jī)的低速運(yùn)行散熱能力。

四、變頻調(diào)速礦井通風(fēng)機(jī)與瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的設(shè)想

瓦斯一直是困擾煤礦安全生產(chǎn)的大問(wèn)題，因瓦斯爆炸造成人員傷亡的惡性事故時(shí)有發(fā)生。根據(jù)瓦斯涌出量及時(shí)調(diào)整通風(fēng)量沖淡或吸走瓦斯是解決瓦斯?jié)舛冗^(guò)高、易造成事故的基本方法之一。以前由于通風(fēng)機(jī)風(fēng)量的調(diào)節(jié)是通過(guò)調(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)葉片的安裝角度或通過(guò)控制變頻器很方便地進(jìn)行調(diào)整。把變頻器的控制系統(tǒng)與瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，當(dāng)瓦斯涌出量增大時(shí)，瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)控制變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)道風(fēng)門進(jìn)行，只能進(jìn)行人工調(diào)節(jié)，不可能按瓦斯涌出量對(duì)通風(fēng)量進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。對(duì)通風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速改造后，風(fēng)機(jī)的通風(fēng)量可以自動(dòng)增大通風(fēng)量，沖淡或吸走瓦斯，防止事故的發(fā)生。從上述分析可以看出，變頻調(diào)速用于礦井通風(fēng)機(jī)風(fēng)量調(diào)節(jié)，不僅技術(shù)上可行，而且有很好的經(jīng)濟(jì)效益。在變頻調(diào)速技術(shù)已相當(dāng)成熟的今天，變頻器是作為單獨(dú)的整體設(shè)備在市場(chǎng)上出售的。通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速改造，原設(shè)備、供電系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)等都不需要變動(dòng)，只是把變頻器買來(lái)，接入電路，在進(jìn)行相應(yīng)的軟件設(shè)置即可。所需時(shí)間短，可靠性強(qiáng)，使用維修方便。改造后不但節(jié)能效果顯著，若把變頻器的控制系統(tǒng)與瓦斯探測(cè)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，還可以在瓦斯涌出量增大時(shí)自動(dòng)增大通風(fēng)量，沖淡瓦斯，防止事故的發(fā)生。

總之，通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)改造，技術(shù)成熟，可靠性高，工作量小，在正常生產(chǎn)維修的間隙即可完成，而且可以產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)在礦業(yè)系統(tǒng)中大力推廣。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]朱宏，李中華，李繼平．淺析煤礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造技術(shù)的應(yīng)用．煤炭工程．2008（8）

[2]杜均新．高壓變頻器在煤礦主通風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用．煤礦機(jī)械．2008（4）：157～160