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摘 要:作为矿井生产中必不可少的机电设备,通风系统既担负着输送新鲜空气、改善井下环境的重要作用,也是作业条件下主要的能耗机械之一,近年来,通风系统的节能控制已逐渐成为了矿井技术研究的热点问题之一。本文分析了目前矿井通风系统的几种主要节能方法,并重点详述了变频调速技术的工作原理和实现途径,对提高矿井通风系统的自动化控制水平,确保煤矿生产的低碳节能运行提供了指导。
关键词:矿井设备 通风系统 变频调速技术 节能
中图分类号:TD44 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)07(a)-0080-01
1 矿井通风系统的节能方法及其重要作用
1.1 通风系统的运行特点
目前矿井通风系统均具有服务时间长、能耗高的特点,且其送风量与实际需要常存在出入,这主要是由于通风设计是以井下人员数量、瓦斯情况、巷道阻力等因素为依据的,但预测瓦斯量往往大于实际情况,预计通风网络的阻力特性曲线也与常与实际不同,此外,通风需求还常因井下劳动生产率、采煤方式、产量变化以及掘采工作面的推移等发生变化,风扇若始终以定量形式送风,显然不能适应变化的生产环境。因此应根据实际需要对风量进行调节,并使通风机与电动机的容量规格留有余量,满足经济运行与安全运行的需要。
1.2 设备节能控制的重要性及其主要方法
为保证矿井生产经济可持续发展的目标,通风、水泵等大功率设备的节能降耗就必须得到充分的重视。作为矿井生产中必不可少的机电设备,通风系统既担负着输送新鲜空气、改善井下环境的重要作用,也是作业条件下主要的能耗机械之一,近年来,通风系统的节能控制已逐渐成为了矿井技术研究的热点问题之一,技术改进的原则是在保证通风效果与工作面安全的基础上,对供风量进行调节,提高风机的运行效率。
风机风量调节的主要方式包括:(1)液力耦合。即利用液体传递扭矩,在电机与负载间串入液力耦合装置,装置中的涡轮、泵轮与勺管等相互协调,通过液面的高低调节耦合力以改变风机转速,但具有占地多,效率低、调速范围窄等缺点;(2)串级调速。串级调速利用绕线式异步电动机,将转子绕组的一部分能量通过整流、逆变再送回电网,但此法调速范围仍然不高,且电机更换频繁、维护工作量大,功率因数也不高。(3)变频调速。变频调速技术是通过变频器将电网交流电转化为电压、频率皆可调整的交流电,并以此控制电动机在变速状态下运行。该技术的特点是调速范围宽、结构简单、保护功能齐全、效率高、稳定性好,并能在生产过程中获得理想的速度参数,是目前发展前景最被看好的调速节能方法。
2 变频调速技术的工作原理分析
根据电机学原理,异步电动机的转速应符合:
n1=60fp
式中n1代表同步转速,r/min;f代表电源频率,Hz;而p代表磁极个数。
且异步电动机的转速与转差率关系为:
n2=120f(1－s)p
式中n2表示异步电动机的转速,r/min;s则代表转差率。
可见异步电动机转速是由电源频率f、磁极个数p与转差率s共同决定的,实践中通常以改变电源频率实现对电动机的调速控制,电源频率越高,电动机转速越高,反之,当需风量下降时,调低电源频率电机转速即会降低。作业中还可以通过异步电动机与油泵的一体化调节电源频率,改变电机转速以实现恒压供油和油泵系统的变频调速。
3 变频调速技术的实现
要实现变频调速技术在矿井风机系统中的有效控制,首先应优选电动机与变频器。矿井通风特点要求通风系统具有较大容量,因此应依据实际需要选择3kV～6kV的中压电动机,变频改造中可视情况保留原有电动机,并依据其电压和容量选择相应的中压变频器。由于通风设备低速运行时,通常负载较轻,对过载能力要求不高,且负载对转速精度的要求也较低,因此可采取成本经济的普通功能型通用变频器,即可满足生产要求。
应注意的是,通用变频器大多采用SPWM调制,因此异步电动机的定子电流中不可避免地含有高次谐波成分,高次谐波增加了电动机的损耗,使电动机的效率和功率因素变差。故在选型时,要尽量选取高次谐波小的类型。
此外,变频调速技术的应用还应重视对频率信号的控制以及通风系统低速运行时的散热问题。以矿用通风机为例,变频调速处于额定转速的75%～100%为宜,其最小转速可根据实际通风管道的管路特性曲线进行确定;而井下环境的信号干扰较大,频率信号控制器宜选用PLC设备,通过远程通信实现可靠的转速控制。而采用通用变频器控制鼠笼式异步电动机时,通用标准鼠笼式异步电动机的散热能力是由额定转速决定的,且冷却风机与电动机同轴条件下须考虑冷却风量。变频器调速中电动机转速降低,冷却风量自动减小,散热能力变差。因此,应设置单独的恒速冷却风扇,保障电动机低速运行的散热能力。
4 运行效果分析
通过一段时间的实际运行可以发现,变频调速技术的节电效果显著。采用高压变频调速装置后,风机效率通常可提高到78%以上,节电则可达15%～45%。变频器根据调节频率来实现电机的调速,可实现动态自动控制,无需停机调整,对矿井精确配风,确保矿井通风安全。变频调速减小了对电网的冲击,采用高压变频调速装置后,通风系统实现了软起动,电机起动电流不超过额定电流,起动时间延长,对电网无冲击,并延长电机及风机的寿命。变频调速也使起动平稳、低速运行,风机的振动、噪声和温度明显降低,有效地延长了检修同期,减少了维修维护量,节约了费用。此外,在变频技术相当成熟的今天,变频设备是作为单独设备在市场上出售的,通风机变频调速改造,原设备、供电系统、电动机等都不需要变动,只需直接购买并接入电路,再进行相应的软件设置即可,所需时间短,可靠性强,安装方便,甚至可在正常生产维修的间隙完成。
5 结语
綜上所述,由于变频调速技术可改变矿井通风系统的性能曲线,使其在负载运行状态下始终保持着高效、平滑、稳定的工作状态,提高了系统的通风效率,节能效果大大优于其他传统节能方法。目前我国大量矿井的风机运行与设计目标存在偏差,能耗量巨大,因此应通过对变频调速技术的推广加快旧风机的节能改造,以响应国家的降耗减排政策,更好地实现企业的经济利益与社会效益。
参考文献
[1] 孔国财.矿井主通风机控制系统变频节能技术应用探讨[J].科技资讯,2010(32).
[2] 马继星.变频调速技术基本理论及实用性[J].内蒙古石油化工,2011(3).
[3] 徐磊,赵强,庞静.矿井主扇风机变频控制方案设计与研究[J].煤矿机械,2010(7).
关键词:矿井设备 通风系统 变频调速技术 节能
中图分类号:TD44 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)07(a)-0080-01
1 矿井通风系统的节能方法及其重要作用
1.1 通风系统的运行特点
目前矿井通风系统均具有服务时间长、能耗高的特点,且其送风量与实际需要常存在出入,这主要是由于通风设计是以井下人员数量、瓦斯情况、巷道阻力等因素为依据的,但预测瓦斯量往往大于实际情况,预计通风网络的阻力特性曲线也与常与实际不同,此外,通风需求还常因井下劳动生产率、采煤方式、产量变化以及掘采工作面的推移等发生变化,风扇若始终以定量形式送风,显然不能适应变化的生产环境。因此应根据实际需要对风量进行调节,并使通风机与电动机的容量规格留有余量,满足经济运行与安全运行的需要。
1.2 设备节能控制的重要性及其主要方法
为保证矿井生产经济可持续发展的目标,通风、水泵等大功率设备的节能降耗就必须得到充分的重视。作为矿井生产中必不可少的机电设备,通风系统既担负着输送新鲜空气、改善井下环境的重要作用,也是作业条件下主要的能耗机械之一,近年来,通风系统的节能控制已逐渐成为了矿井技术研究的热点问题之一,技术改进的原则是在保证通风效果与工作面安全的基础上,对供风量进行调节,提高风机的运行效率。
风机风量调节的主要方式包括:(1)液力耦合。即利用液体传递扭矩,在电机与负载间串入液力耦合装置,装置中的涡轮、泵轮与勺管等相互协调,通过液面的高低调节耦合力以改变风机转速,但具有占地多,效率低、调速范围窄等缺点;(2)串级调速。串级调速利用绕线式异步电动机,将转子绕组的一部分能量通过整流、逆变再送回电网,但此法调速范围仍然不高,且电机更换频繁、维护工作量大,功率因数也不高。(3)变频调速。变频调速技术是通过变频器将电网交流电转化为电压、频率皆可调整的交流电,并以此控制电动机在变速状态下运行。该技术的特点是调速范围宽、结构简单、保护功能齐全、效率高、稳定性好,并能在生产过程中获得理想的速度参数,是目前发展前景最被看好的调速节能方法。
2 变频调速技术的工作原理分析
根据电机学原理,异步电动机的转速应符合:
n1=60fp
式中n1代表同步转速,r/min;f代表电源频率,Hz;而p代表磁极个数。
且异步电动机的转速与转差率关系为:
n2=120f(1－s)p
式中n2表示异步电动机的转速,r/min;s则代表转差率。
可见异步电动机转速是由电源频率f、磁极个数p与转差率s共同决定的,实践中通常以改变电源频率实现对电动机的调速控制,电源频率越高,电动机转速越高,反之,当需风量下降时,调低电源频率电机转速即会降低。作业中还可以通过异步电动机与油泵的一体化调节电源频率,改变电机转速以实现恒压供油和油泵系统的变频调速。
3 变频调速技术的实现
要实现变频调速技术在矿井风机系统中的有效控制,首先应优选电动机与变频器。矿井通风特点要求通风系统具有较大容量,因此应依据实际需要选择3kV～6kV的中压电动机,变频改造中可视情况保留原有电动机,并依据其电压和容量选择相应的中压变频器。由于通风设备低速运行时,通常负载较轻,对过载能力要求不高,且负载对转速精度的要求也较低,因此可采取成本经济的普通功能型通用变频器,即可满足生产要求。
应注意的是,通用变频器大多采用SPWM调制,因此异步电动机的定子电流中不可避免地含有高次谐波成分,高次谐波增加了电动机的损耗,使电动机的效率和功率因素变差。故在选型时,要尽量选取高次谐波小的类型。
此外,变频调速技术的应用还应重视对频率信号的控制以及通风系统低速运行时的散热问题。以矿用通风机为例,变频调速处于额定转速的75%～100%为宜,其最小转速可根据实际通风管道的管路特性曲线进行确定;而井下环境的信号干扰较大,频率信号控制器宜选用PLC设备,通过远程通信实现可靠的转速控制。而采用通用变频器控制鼠笼式异步电动机时,通用标准鼠笼式异步电动机的散热能力是由额定转速决定的,且冷却风机与电动机同轴条件下须考虑冷却风量。变频器调速中电动机转速降低,冷却风量自动减小,散热能力变差。因此,应设置单独的恒速冷却风扇,保障电动机低速运行的散热能力。
4 运行效果分析
通过一段时间的实际运行可以发现,变频调速技术的节电效果显著。采用高压变频调速装置后,风机效率通常可提高到78%以上,节电则可达15%～45%。变频器根据调节频率来实现电机的调速,可实现动态自动控制,无需停机调整,对矿井精确配风,确保矿井通风安全。变频调速减小了对电网的冲击,采用高压变频调速装置后,通风系统实现了软起动,电机起动电流不超过额定电流,起动时间延长,对电网无冲击,并延长电机及风机的寿命。变频调速也使起动平稳、低速运行,风机的振动、噪声和温度明显降低,有效地延长了检修同期,减少了维修维护量,节约了费用。此外,在变频技术相当成熟的今天,变频设备是作为单独设备在市场上出售的,通风机变频调速改造,原设备、供电系统、电动机等都不需要变动,只需直接购买并接入电路,再进行相应的软件设置即可,所需时间短,可靠性强,安装方便,甚至可在正常生产维修的间隙完成。
5 结语
綜上所述,由于变频调速技术可改变矿井通风系统的性能曲线,使其在负载运行状态下始终保持着高效、平滑、稳定的工作状态,提高了系统的通风效率,节能效果大大优于其他传统节能方法。目前我国大量矿井的风机运行与设计目标存在偏差,能耗量巨大,因此应通过对变频调速技术的推广加快旧风机的节能改造,以响应国家的降耗减排政策,更好地实现企业的经济利益与社会效益。
参考文献
[1] 孔国财.矿井主通风机控制系统变频节能技术应用探讨[J].科技资讯,2010(32).
[2] 马继星.变频调速技术基本理论及实用性[J].内蒙古石油化工,2011(3).
[3] 徐磊,赵强,庞静.矿井主扇风机变频控制方案设计与研究[J].煤矿机械,2010(7).