矿山风机调频变速节能技术的应用

摘要: 本文介绍了调频变速节能技术的基本原理和变频调速技术的在矿山风机中的应用。对其技术经济效益做了分析,为调频变速节能技术更好地应用做了借鉴。

关键词: 矿山风机 调频变速 节能

中图分类号：TE08 文献标识码：A 文章编号：

1 变频系统

1. 1 系统构成

( 1) 电力控制设备。包括变频器、开关屏和联络屏。

( 2) 智能检测设备。包括压力变送器、风流量变送器、PID、PID 隔离模块、隔离变压器、直流供电源及信号电缆。

( 3) 自动控制设备。包括触摸屏、PLC 可编程控制器和控制软件。

1. 2 系统功能

( 1) 现场信号在线采集: 采集矿井的风量、风压等信号,并由PID 进行信号处理和计算。

( 2) 控制变频器运行: 根据PID 设置参数, 适时控制变频器运行, 变频器根据负荷变化自动调节输出频率, 控制电动机的转速。根据PLC 编定的程序, 控制风机的切换。

( 3) 可视化操作界面: 风量、压力的设定值和运行值全数字显示, 界面丰富、友好, 人机对话方便。

( 4) 操作简单可靠: 矿井正常通风或反风, 只需分别按下起动或反风按钮即可自动完成。

( 5) 故障信息自动记录: 变频器自动记录故障信息与发生的时间、故障内容, 并可调出故障维修指南, 方便检修。

1. 3 系统的安全保护与可靠性

( 1) 系统设计

在电控设备设计上, 采用变频起动为主控、开关屏直接起动为备用的设计思想, 每一台风机既可以用变频起动、停机, 也可以用开关屏起动、停机, 互为备用。同时停止故障风机的运转。当变频系统发生故障时, PLC 会自动( 也可用手动) 切换至低压开关屏, 直接起动风机, 保证工作风机不间断的运行。

( 2) 设备先进

变频调速的核心部件) ) ) 变频器, 选用国外CIMR -F7A4160 型变频器, 该变频器平均无故障运行时间达250 000h 以上, 几乎免维护。低压开关屏全部选用国内一流产品, 配自耦降压启动和反转切换启动装置。

( 3) 保护功能

电机保护: 电子热动电释保护。瞬时过电流: 额定电流200%时停止输出。保险丝熔断保护: 电机在保险丝熔断时自动停止。过负载保护: CT 模式: 150%, 1 min; VT模式: 120% , 1 min。过电压保护: 主回路直流电压820 V 以上时停止输出。欠电压保护: 主回路直流电压380 V 以下时停止输出。失速防止: 加速中P匀速中P减速中, 失速防止设定。接地保护: 电子回路保护。

1. 4 反风操作的可靠性

变频操作面板、开关屏上均设有反风操作按钮, 当需要进行反风时, 只需按下反风按钮即可实现反风, 其操作与正常通风操作一样简单可靠。整个反风操作可在5 min 之内完成。

1. 5 系统技术指标

风量调节范围: 额定风量的60%~ 100%。风量调节方式: 按负荷情况无级调节风量。风压调节范围: 按通风工艺要求, 任意设定、自动调节。平均节电率≥25%。电机起动、停机方式: 无冲击电流软起动, 无震动软停机。使用环境温度: - 10e~ + 40 e 。使用环境湿度: 20%~ 90%( 无结露) 。海拔: 1000m 以下。设备电压范围: AC380V±10%。

2 变频调速节能的基本原理

电动机的同步转速，即旋转磁场的转速为: n= 60f/n式中n―同步转速，单位为r/min;f：―定子频率，单位为Hz;n：―磁极对数。而电动机的轴转速为 n=n一(1一S)=60f(1一S)/n式中S―异步电动机的转差率S=(n一n)n可见，在其他条件不变时，改变定子频率f，就可以改变电动机的转速n。 由风机相似定律知: p/p，=(n:一n ）³=(Q一Q）³

即同一台风机的功率与转速和流量的3次方成正比，改变风机的转速即可有效地改变风机的特性参数。如图1所示，当转速为n1,n2,n3,且n2 < n1 < n3时，相对的特性曲线分别为HZ-Q2、 H1-Q1、H3-Q3。转速为n时，为H1-Q1曲线与管网特性曲线交点为A1，即工况点是A1，其对应的风量为Q1。若需要减少风量，可将风机转速降至为n，此时工况点沿着管网特性曲线移至A，风量减少至Q;相反，若需要增加风量，可将风机的转速提高至n3，则工况点也随之移至A3，风量增加至Q3。其功率曲线与风量Q 2 、 Q 1 、 Q3的交点即是转速改变后工况A2, A1, A3下风机的耗功率。图1中虚线即是风机转速改变后风机耗功率特性曲线。

图1矿山调速风机特性曲线

Q.流量 H.风压 P.功率

n.转速η.效率

从图1中曲线可以看出，随着风机转速的下降，风量成1次方、风压成2次方地下降，正好与管网阻力特性曲线相吻合，而风机耗功率呈3次方下降，可取得较好的经济效益。这就是风机变频调速及节能的基本原理。

3、技术经济效益分析

3.1.节能效果显著

矿山风机选型设计时，用户、设计院及制厂均留有较大的裕度。用户实际需要的风量，经常在设计流量的80%以下。假如实际需要的流量为额定流量的80%，采用变频调速时消耗的能量只有不调速时的51%，节能49 %，比用矿}f _I风机挡板调节可节能37%左右。

例1:北京矿务局煤研石热电厂的锅炉引风机轴功率为200 k W，白天负载高峰期基本运行在上限转速的80%附近，年高峰工作时间3000 h ,其他工作时间5000 h。变频调节较挡板调节每年节电为79.58万kW0h。按电价0.5元/kW01:计算，每年可节约电费39.79万元。

例2:北京矿务局大台煤矿为了检测变频装置的节能情况，选定在机组带50%,75/0,100%负荷的3种工况下，对矿山风机进行了工频和变频两种运行方式下的对比试验。对比结果表明，机组带100 M W负荷时节电750 k W 0 h;机组带150 M W负荷时节电602.Sk}0h;机组带 200MW负荷时节电733.6kW0h。该机组年平均负荷约为140 M W。其中60%时间带100 MW,30%时间带150 M W ,10%时间带200 M W。近几年该机组实际运行时间为6076一7896 h，按平均运行7000 h计算，全年节约电量为428 350 kW 0 h。按上网电价0.32元/kW0h计算，直接经济效益约为137万元。

3.2.功率因数高

目前诵用弯频器普遍采用PWM(脉宽调制)控制，功率因数均在0.9以上。近几年推出的直接转矩控制的变频器，功率因数为0.95一0.970过去为提高功率因数采用同步电动机驱动的方案，现在可以用简单的笼型异步电动机加变频器的方案代替，价格并不比同步电动机及其励磁装置高，还可以收到节能、减少维护费及减少维修时间的效果。

3.3.使用功能完善

生产工艺流程对矿山风机调节提出的任何要求，变频器都可以实现。除可以实现常规的开、闭环控制外，对重要矿山风机的停电自动保护和矿山风机特有的喘振保护，变频器本身都可以轻易地实现。

3.4.保护功能齐全

对电网、变频器本身及电动机的各种故障和异常，都有完善的保护。自动诊断系统可自动报警并给出故障的原因，从而确保机组的安全运行。

3.5.可靠性高

可靠性高不单指笼型异步电动机结构简单、坚固及易维护;变频保护功能齐全，可避免损坏。更重要的是体现在变频技术的进步，确保调速系统的可靠运行上。高速实时检测电网、变频器和电动机的运行状态，对负载或电源干扰引起的状态变化做出迅速反应，使调速系统始终保持正常运行，并自动寻优。

4、结语

目前国内矿山运行中的矿山风机驱动系统，大多是以工频电源供电的电动机驱动系统。只要把变频器当作频率可调的交流电源装置对待，接人工频电源和电动机之间，即可把工频驱动改造为变频驱动，原有的矿山风机、电动机及其基础设施一般不需任何改造。由于变频器有软起动功能、丰富的控制功能和完善的保护、监视及故障诊断等功能，使用变频器后，原有的继电器―接触器控制系统还可以得到简化，而驱动系统的各项功能却得到质的飞跃。

参考文献:

[ 1]刘实现, 朱华. 基于微控制器及变频器的风机节能控制系统[M ] . 煤矿机械, 2008, 29 ( 12) : 128- 130.

[ 2]安连锁. 泵与风机[M ] . 北京: 中国电力出版社, 2003.

[ 3]刘兵. 主通风机的调速与节能应用实例分析[ J] . 煤矿机械,2002, 23( 6 ) : 58- 59.

[ 4]暴剑. 变频调速在矿山风机节能中的应用[ J] . 通用机械, 2003( 11) : 44 - 47.