摘要：長(zhǎng)期以來(lái)，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)備選型上都采用功率比較大的型號(hào)，電機(jī)全速運(yùn)行，大馬拉小車現(xiàn)象非常普遍，耗能十分嚴(yán)重。如何以技術(shù)進(jìn)步和技術(shù)創(chuàng)新為先導(dǎo)，降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率是煤炭生產(chǎn)企業(yè)需要解決的迫切課題。
關(guān)鍵詞：高壓變頻器 礦用對(duì)旋軸流通風(fēng)機(jī) 調(diào)速 節(jié)能
一、礦用對(duì)旋軸流通風(fēng)機(jī)的變頻改造的必要性
長(zhǎng)期以來(lái)，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)備選型上都采用功率比較大的型號(hào)，電機(jī)全速運(yùn)行，大馬拉小車現(xiàn)象非常普遍，耗能十分嚴(yán)重。如何以技術(shù)進(jìn)步和技術(shù)創(chuàng)新為先導(dǎo)，降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率是煤炭生產(chǎn)企業(yè)需要解決的迫切課題。
煤礦主通風(fēng)機(jī)是煤礦的四大主要設(shè)備之一，作為礦井主通風(fēng)，它每天24小時(shí)不停地運(yùn)轉(zhuǎn)，是整個(gè)礦井的“呼吸”系統(tǒng)。然而隨著開采及掘進(jìn)的不斷延伸，巷道延長(zhǎng)，所需的風(fēng)量也將不斷增加，風(fēng)機(jī)所用功率也將加大。四季的交替，冷熱的變化，所需的風(fēng)量也需不斷調(diào)節(jié)。但煤礦原根據(jù)反風(fēng)及開采后期運(yùn)行工況所設(shè)計(jì)的通風(fēng)機(jī)及拖動(dòng)的電動(dòng)機(jī)的功率，通常遠(yuǎn)大于煤礦正常生產(chǎn)所需的運(yùn)行功率。
礦井一般按開采各階段中通風(fēng)最困難時(shí)期選擇風(fēng)機(jī)型號(hào)。一般礦山選型時(shí)，按實(shí)際通風(fēng)參數(shù)配備電機(jī)功率，計(jì)算方法如下：
N-所需電機(jī)功率，系指I，II級(jí)電機(jī)的總功率（kW）；
Pst－礦井最困難時(shí)期總阻力（Pa） ；
Q－礦井最困難時(shí)期總風(fēng)量（m3/s）；
ηst－按Pst、Q參數(shù)查本樣本的實(shí)際運(yùn)行工況效率；
K－功率貯備系數(shù)，一般取K＝1.1～1.15。
傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，是根據(jù)風(fēng)量所需的多少，靠調(diào)節(jié)風(fēng)門、葉片角度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。從通風(fēng)機(jī)選型的過(guò)程和煤炭生產(chǎn)的實(shí)際情況，通風(fēng)機(jī)恒速運(yùn)行存在以下幾個(gè)問題:
1．電能的嚴(yán)重浪費(fèi)
大型煤礦的服務(wù)年限大多在幾十年以上，投產(chǎn)初期到井田穩(wěn)定開采一般在十年以上，但是一般主扇風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)上余量特別大，在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間主扇風(fēng)機(jī)一直處在較輕負(fù)載下運(yùn)行。由于煤礦主扇風(fēng)機(jī)一般采用檔板調(diào)節(jié)，因此造成能源浪費(fèi)，增加了生產(chǎn)成本。
2、啟動(dòng)困難，機(jī)械損傷嚴(yán)重
主扇風(fēng)機(jī)采用直接啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，啟動(dòng)電流大，對(duì)電動(dòng)機(jī)的絕緣有著較大的威脅，嚴(yán)重時(shí)甚至燒毀電動(dòng)機(jī)。而高壓電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的單軸轉(zhuǎn)矩現(xiàn)象使風(fēng)機(jī)產(chǎn)生較大的機(jī)械振動(dòng)應(yīng)力，嚴(yán)重影響到電動(dòng)機(jī)、風(fēng)機(jī)及其它機(jī)械的使用壽命。
3、自動(dòng)化程度低
主扇風(fēng)機(jī)依靠人工調(diào)節(jié)檔板，更不具備風(fēng)量的自動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)功能，自動(dòng)化程度低。在故障狀態(tài)下，如風(fēng)流短路，將對(duì)礦井正常生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響。
變頻調(diào)速器作為一種新型的電力變換裝置，已成熟地應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)方面，不但啟動(dòng)容易，節(jié)能效果顯著，而且對(duì)電機(jī)保護(hù)功能齊全。因此，為保證礦井生產(chǎn)的安全，降低生產(chǎn)成本，提高自動(dòng)化程度，對(duì)礦井通風(fēng)機(jī)的變頻改造就成為勢(shì)在必行的工程了。
二、對(duì)旋軸流通風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)
兩級(jí)的軸流通風(fēng)機(jī)中，有一種很好的設(shè)計(jì)方案。它是將一個(gè)葉輪裝在另一個(gè)葉輪的后面，而葉輪的轉(zhuǎn)向彼此相反，稱為對(duì)旋型軸流通風(fēng)機(jī)，或?qū)χ檬捷S流風(fēng)機(jī)。
煤礦對(duì)旋風(fēng)機(jī)因其主要由該通風(fēng)機(jī)采用兩級(jí)葉輪對(duì)旋式結(jié)構(gòu)，兩級(jí)葉輪分別由容量及相同型號(hào)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，兩個(gè)葉輪旋轉(zhuǎn)方向相反，從進(jìn)風(fēng)口看，第一級(jí)葉輪順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，第二級(jí)葉輪則逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)空氣流入第一級(jí)葉輪獲得能量后并經(jīng)第二級(jí)葉輪排出，第二級(jí)葉輪兼?zhèn)淦胀ㄝS流風(fēng)機(jī)中靜葉的功能，在獲得整直圓周方向速度風(fēng)量同時(shí)，增加氣流的能量，從而達(dá)到普通軸流式通風(fēng)機(jī)不能達(dá)到的高效率，高風(fēng)壓。
它與普通軸流風(fēng)機(jī)相比有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)
1)可以省略導(dǎo)葉，因而具有較短的結(jié)構(gòu)尺寸。
2) 傳動(dòng)效率高。葉輪直接安裝在電機(jī)軸上，改變了傳統(tǒng)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，既避免了傳動(dòng)裝置的頻繁損壞，消除了能量損耗，也提高了風(fēng)機(jī)裝置的傳動(dòng)效率，同時(shí)也提高了使用效率。對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)因?yàn)闆]有靜葉,不存在靜葉損失,因此,其效率比普通通風(fēng)機(jī)要高；
3) 對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)具有較大的逆向送風(fēng)量,其一般可達(dá)70%～80% ,而普通通風(fēng)機(jī)的逆向送風(fēng)量?jī)H為30%～40%；
4)軸流對(duì)旋風(fēng)機(jī)使用靈活。對(duì)旋風(fēng)機(jī)兩級(jí)工作輪分別由兩臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，因而對(duì)旋風(fēng)機(jī)對(duì)應(yīng)不同的使用狀態(tài)，可進(jìn)行各式各樣的組合，使其中一級(jí)空轉(zhuǎn)可組成前導(dǎo)加動(dòng)葉級(jí)或動(dòng)葉加后導(dǎo)葉級(jí)，亦可配備一個(gè)靜葉作為附件，可以調(diào)節(jié)柵距以實(shí)現(xiàn)變風(fēng)量調(diào)節(jié)。對(duì)旋風(fēng)機(jī)可變轉(zhuǎn)速和兩轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速比來(lái)調(diào)節(jié)流量，這是對(duì)旋風(fēng)機(jī)所特有的。
三、礦用對(duì)旋軸流通風(fēng)機(jī)的變頻改造的案例
煤礦主通風(fēng)機(jī)在煤礦的安全生產(chǎn)中起著至關(guān)重要的作用。礦井的瓦斯爆炸，與巷道的通風(fēng)是否順暢，風(fēng)量的充足與否都有著直接關(guān)系，一旦通風(fēng)不暢，瓦斯?jié)舛壬叩揭欢ǔ潭?，即?huì)造成爆炸塌井，造成重大事故，危及礦工的生命安全。如此重要的安全生產(chǎn)關(guān)鍵設(shè)備，如果因某種故障而停機(jī)運(yùn)行，將會(huì)給整個(gè)礦山的安全生產(chǎn)帶來(lái)巨大威脅，因此，要求與之配套的高壓變頻器必須具備非常高的可靠性才能夠滿足安全生產(chǎn)的要求。
神華寧煤集團(tuán)汝箕溝煤礦在礦井通風(fēng)系統(tǒng)技術(shù)改造中，東風(fēng)井BD-Ⅱ-10NO24/2×200KW、西風(fēng)井BD-Ⅱ-10NO30/2×280KW對(duì)旋軸流通風(fēng)機(jī)選用了北京利德華福公司生產(chǎn)的HARSVERT-A系列高壓變頻器。2006年11月30日，正式投運(yùn)，運(yùn)行穩(wěn)定，一般都運(yùn)行在35～40Hz，節(jié)能效果良好。
（一）HARSVERT-A系列高壓變頻器具有以下技術(shù)特點(diǎn)：
HARSVERT-A系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用單元串聯(lián)多電平技術(shù)，屬高-高電壓源型變頻器，直接6KV輸入，直接6KV高壓輸出。變頻器主要由移相變壓器、功率模塊和控制器組成。
1.功率模塊結(jié)構(gòu)：功率模塊為基本的交-直-交單相逆變電力，整流側(cè)為二極管三相全橋，通過(guò)對(duì)IGBT逆變橋進(jìn)行正弦PWM控制，可得到單相交流輸出。每個(gè)功率模塊結(jié)構(gòu)及電氣性能上完全一致，可以互換。
2.輸入側(cè)結(jié)構(gòu)：輸入側(cè)由移相變壓器給每個(gè)功率模塊供電，移相變壓器的副邊繞組分為三組，根據(jù)電壓等級(jí)和模塊串聯(lián)級(jí)數(shù)，一般由24脈沖系列、30脈沖系列、42脈沖系列、48脈沖系列等構(gòu)成多級(jí)相疊加的整流方式，可以大大改善網(wǎng)側(cè)的電流波形（網(wǎng)側(cè)電壓電流諧波指標(biāo)滿足IEEE519-1992和GB/T14549-93的要求）。使其負(fù)載下的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1，無(wú)需任何功率因數(shù)補(bǔ)償、諧波抑制裝置。由于變壓器副邊繞組的獨(dú)立性，使每個(gè)功率單元的主回路相對(duì)獨(dú)立，類似常規(guī)低壓變頻器，便于采用現(xiàn)有的成熟技術(shù)。
3.輸出側(cè)結(jié)構(gòu)：輸出側(cè)由每個(gè)功率模塊的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機(jī)供電，通過(guò)對(duì)每個(gè)單元的PWM波形進(jìn)行重組，可得到階梯正弦PWM波形。這種波形正弦度好，dv/dt小，對(duì)電纜和電機(jī)的絕緣無(wú)損壞，無(wú)須輸出濾波器，就可以延長(zhǎng)輸出電纜長(zhǎng)度，可直接用于普通電機(jī)。同時(shí)，電機(jī)的諧波損耗大大減少，消除負(fù)載機(jī)械軸承和葉片的振動(dòng)。
當(dāng)某一個(gè)功率模塊出現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)控制使輸出端子短路，可將此單元旁路退出系統(tǒng)，變頻器可降額機(jī)械運(yùn)行；由此可避免很多場(chǎng)合下停機(jī)造成的損失。
4.控制器：控制器由高速單片機(jī)、嵌入式人機(jī)界面和PLC共同構(gòu)成。單片機(jī)實(shí)現(xiàn)PWM控制。嵌入式人機(jī)界面提供友好的全中文WINDOWS監(jiān)控和操作界面，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制。內(nèi)置PLC則用于柜體內(nèi)開關(guān)信號(hào)的邏輯處理，可以和用戶現(xiàn)場(chǎng)靈活接口，滿足用戶的特殊需要。
控制器與功率單元之間采用光纖通訊技術(shù)，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統(tǒng)具有極高的安全性，同時(shí)具有很好的抗電磁干擾性能，可靠性大大提高。另外，交流220V控制電源掉電時(shí)，控制器可由配備的UPS繼續(xù)供電，（散熱風(fēng)機(jī)電源取自移相變壓器）變頻器可以繼續(xù)運(yùn)行。
（二）概括起來(lái)其主要應(yīng)用效果如下：
1．變頻起動(dòng)對(duì)電網(wǎng)沒有任何沖擊。由于變頻器改造后風(fēng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)變頻軟起動(dòng)，避免了起動(dòng)電流的沖擊，不僅對(duì)電網(wǎng)沒有任何沖擊，而且還可以隨時(shí)起動(dòng)或停止；
2．按需調(diào)節(jié)風(fēng)量，避免浪費(fèi)。進(jìn)行變頻改造后，風(fēng)機(jī)的送風(fēng)量不再需要由風(fēng)門來(lái)調(diào)節(jié)，而是由變頻器通過(guò)變頻調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)，調(diào)節(jié)范圍可以從0%—100%；因而可以根據(jù)生產(chǎn)需要隨意調(diào)節(jié)風(fēng)量，減少了不必要的浪費(fèi)；
3．變頻節(jié)能運(yùn)行，節(jié)約了大量能源。由于變頻改造后不再使風(fēng)機(jī)一直處于滿負(fù)荷工作狀態(tài)，節(jié)能率高達(dá)63%以上；
4．降低風(fēng)機(jī)工作強(qiáng)度，延長(zhǎng)使用壽命。進(jìn)行變頻改造后，風(fēng)機(jī)的大部分工作時(shí)間都在較低的速度下運(yùn)行，因而大大降低了風(fēng)機(jī)工作的機(jī)械強(qiáng)度和電氣沖擊，將會(huì)大大延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)的使用壽命，降低維修強(qiáng)度；
5．可使電動(dòng)機(jī)與風(fēng)機(jī)直接相連接，減少傳動(dòng)環(huán)節(jié)的費(fèi)用；
6．電機(jī)和風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度下降，潤(rùn)滑條件改善，傳動(dòng)裝置的故障下降；
7．系統(tǒng)壓力降低，對(duì)管道的壓力和密封等條件緩解，延長(zhǎng)使用壽命；
8．系統(tǒng)完善的監(jiān)控性能和高可靠性提高了工作效率，減少了檢修和維護(hù)的工作量。
9．需要注意的是煤礦對(duì)旋風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速后，一般情況下要求兩臺(tái)電機(jī)的運(yùn)行頻率盡量一致，從而保證電機(jī)轉(zhuǎn)速一致。避免一臺(tái)轉(zhuǎn)速高，一臺(tái)轉(zhuǎn)速低，形成風(fēng)阻，影響風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行。
四、結(jié)束語(yǔ)
總之，礦用通風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速，不但實(shí)現(xiàn)了軟起停，節(jié)約了電能，而且可根據(jù)巷道的風(fēng)量需求方便的進(jìn)行調(diào)速，應(yīng)用效果是十分理想的。我國(guó)的煤礦企業(yè)相當(dāng)多，高壓變頻器在這一方面的應(yīng)用應(yīng)當(dāng)是十分廣泛的。
參考資料：
1．《高壓變頻調(diào)速和斬波內(nèi)饋調(diào)速在煤礦生產(chǎn)中的應(yīng)用》，焦煤機(jī)電——2006省煤炭系統(tǒng)機(jī)電運(yùn)輸經(jīng)驗(yàn)交流會(huì)論文
2．《HARSVERT-A高壓變頻器技術(shù)手冊(cè)》，北京利德華福電氣技術(shù)有限公司
