變頻調(diào)速在煤礦礦井通風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用
商 坤,王建軍
(黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南開封475004)摘 要:通過對煤礦礦井通風(fēng)機(jī)運(yùn)行特性的分析,闡述了變頻調(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
中圖分類號:TD724+. 3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號:1003-496X(2006)
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,對于節(jié)約用電、降低成本有著很重要的意義。
1 礦井通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)
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)滿速運(yùn)行時(shí)的特性曲線與礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)阻力特性曲線的交點(diǎn),確定通風(fēng)機(jī)的自然運(yùn)行工況點(diǎn)。但是,自然工況點(diǎn)往往不是礦井通風(fēng)機(jī)所要求的工況點(diǎn),其主要原因是:
(1)預(yù)測的礦井瓦斯涌出量往往大于實(shí)際的瓦斯涌出量。
(2)預(yù)計(jì)的礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)阻力特性曲線與實(shí)際阻力特性曲線不盡相同。
(3)礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)阻力特性曲線隨采掘工作面的推移而變化。
(4)隨著產(chǎn)量增減、采煤方法及井下工人勞動(dòng)生產(chǎn)率的變更,通風(fēng)需求量亦可能發(fā)生變化。
(5)在節(jié)假日及檢修期間,井下工人數(shù)量及瓦斯涌出量均減少,因而實(shí)際需要的通風(fēng)量亦少。通風(fēng)機(jī)的服務(wù)年限通常為十幾年甚至幾十年。為安全起見,通風(fēng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的規(guī)格都留有一定的余量,以適應(yīng)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)阻力變化和風(fēng)量變化的要求。因此,通風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行都要求進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)。
2 通風(fēng)量調(diào)節(jié)的方法
通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量調(diào)節(jié),是通過改變通風(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)。
2. 1 通風(fēng)機(jī)恒速時(shí)的風(fēng)量調(diào)節(jié)
對于軸流式通風(fēng)機(jī),通過增大葉片安裝角度可以增大風(fēng)壓,也可以通過改變工作輪的級數(shù)或葉輪片數(shù)來調(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,只適合較長階段的風(fēng)量調(diào)節(jié),無法實(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)。
對于離心式風(fēng)機(jī),目前都是通過調(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. 2 通風(fēng)機(jī)變速時(shí)的風(fēng)量調(diào)節(jié)
通過改變通風(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。
2. 3 調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與調(diào)節(jié)風(fēng)門改變風(fēng)量方法比較調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與調(diào)節(jié)風(fēng)門改變風(fēng)量,風(fēng)機(jī)運(yùn)行的工況點(diǎn)和特性如圖1。
曲線1為通風(fēng)機(jī)在全速下風(fēng)壓———風(fēng)量(H—Q)的特性曲線,曲線2為風(fēng)門全開時(shí)管網(wǎng)的特性曲線。上述兩曲線的交點(diǎn)A代表自然運(yùn)行工況點(diǎn),其風(fēng)壓和風(fēng)量分別為H1和Q1。如果礦井需要的實(shí)際通風(fēng)量為Q2,可以通過調(diào)節(jié)風(fēng)門,改變管網(wǎng)的特性得到曲線3,它與曲線1的交于B點(diǎn),取得要求的風(fēng)量Q2,但風(fēng)壓上升至H2。也可以通過改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速而使風(fēng)機(jī)的特性曲線變?yōu)榍€4,它與管網(wǎng)的特性曲線2交于C點(diǎn),同樣取得要求的風(fēng)量Q2,同時(shí),風(fēng)壓降至H3。假定在上述3個(gè)不同的工礦點(diǎn)運(yùn)行時(shí),通風(fēng)機(jī)、電器和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的效率都相等,則在3個(gè)不同的工礦點(diǎn)運(yùn)行時(shí)從電網(wǎng)吸收的功率PA、PB、PC應(yīng)與相應(yīng)工礦點(diǎn)的風(fēng)量和風(fēng)壓的乘積成正比,即與圖中AH1OQ1、BH2OQ2和CH3OQ33個(gè)矩形的面積成正比。從圖上可以清楚地看出,PB僅比PA略小,而PC遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于PA。也就是說,調(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速改變風(fēng)量的運(yùn)行方式所消耗的電能遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于調(diào)節(jié)風(fēng)門改變風(fēng)量的運(yùn)行方式。
2. 4 我國煤礦礦井通風(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單、最可靠的。雖然這種工作方式能耗大,但設(shè)備簡單,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)又過于復(fù)雜和昂貴的情況下,經(jīng)過技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上的比較,我國礦井通風(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。
3 變頻調(diào)速在礦井通風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用
3. 1 變頻器的發(fā)展
通用變頻器自20世紀(jì)80年代初問世以來至今的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80年代中期的數(shù)字式通用變頻器;第三代是90年代初的智能型通用變頻器;第四代是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3個(gè)方向發(fā)展:①向著無需調(diào)整便能得到最佳運(yùn)行的多功能和高性能型發(fā)展;②向通過簡單控制就能運(yùn)行的小型化和操作方便方向發(fā)展;③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(1 kV~10 kV)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. 5~6 kV,電流可達(dá)4 000 A~
3. 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 kV~6 kV)。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)低速時(shí)的散熱能力問題。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。
(2)額定頻率運(yùn)行時(shí)有溫升提高問題。由于變頻器的三相輸出電壓波形都是SPWM波,因此不可避免的在異步電動(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。
(3)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)噪聲增大問題。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)對變頻器自身的特性產(chǎn)生影響,要慎重對待。
變頻器中逆變部分的SPWM控制信號是具有陡變沿的脈沖信號,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)過熱和噪聲問題。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題。直流電抗器一般常配;交流電抗器在供電變壓器容量>500 kVA或變壓器容量超過變頻器容量的10倍時(shí)考慮配置。
4 變頻調(diào)速礦井通風(fēng)機(jī)與瓦斯監(jiān)測系統(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^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)是通過調(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)葉片的安裝角度或通過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)測系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng),當(dāng)瓦斯涌出量增大時(shí),瓦斯監(jiān)測系統(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通風(fēng)量進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。對通風(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,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。
作者簡介:商 坤(1980-),男,河南開封人,助教,學(xué)士, 2002年7月畢業(yè)于太原重型機(jī)械學(xué)院機(jī)械電子工程專業(yè),現(xiàn)在黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院從事于自動(dòng)控制、電子、通訊等領(lǐng)域的教學(xué)與研究工作。
