矿井通风机变频调速及节能.pdf

第1 4 卷 第1 期 山 东矿业学院学报 Vo 1 ． 1 4 N o ． 1 1 9 9 5 年 3 月 J OURNAL OF S HAND ONG MI NI NG I NS TI TUTE Ma r ． 1 9 9 5 矿井通风机 变频调速及 节能 ’ 霹 锸 ， 钿 。 。 摘 要 根 据矿 井通 风机 特性 ，使 用 变频器 进 转 速调 整 以达 到调 节且 的 目的 ，且 有讯 好 的 大 功率 晶体管变额 器 是八 十年代 科学 飞速 发展 的 今天 涌现 出来 的一种新 的 交流调 速装 置 ， 它是在原有 的可控硅交 流调 速装置基 础上发展起来 的。 由于 普通 晶闸管 GT O、 GTR或新 型场控器 件及微处 理机等现代 电子技术的应 用 ， 使异步 电动机变额传 动系统获得 了迅速发 展 ， 且大有在 调速 领域 内大批取代直流调速 系统 的趋 势 1 变频调 速的原理 根据 电机 学可知 ， 交 流电动机 的同步转速为 6 0 f l 】 一 ] 由异步机转差率的定义 一 二 一1一 “ 1 H ， 可 知 ， 异步机 的转速 一 l 1 一 6 U Yt 1 』 式 中 同步转速 r p m } ， l 电 源频率 Hz ； P 极 对数 } s 转差 率 ； n 异 步转速 r p m 从上式可 看出， 异步电动机的调速方法可以有改变转差率， 改变极对数， 改变定子供电 频 率三种 。 而 同步 电动机的调速 可以用改变 电源额 率 ， 从而改变 同步转速的方法来实 现 。 交流电动机的调 速形 式见下表 收 稿 日 期 ； 1 9 9 4 0 2 一 l 0 2 卜 维普资讯 山 东 矿业 学院学报 第l 4 卷 变级对 数 对 鼠 笼 式 调 速 交 异 调压 定子 电压 步 变转 差率 调阻 转子 电阻 一 对 绕线 式 流 电 调 速 电磁 离 台器 转 差率 动 串级调 速 转差 电压 一 对 绕线式 电 机 变 供 电频 交 一 直 一 交变 频 动 率 调速 交 一 交 变颇 机 同步 电动 他 控式 机 变供 电 频率 调速 自控式 无 换向 器 电机 在上述各 类调速形式 中 ， 由于变极对数和变转 差率的这二种方式只能在额定转速下进行 ， 使其 在调速领域的应用范围变得 比较狭小。 而变频调速方式在调速过程中， 从高速到低速都可以保 持有 限的 转差率 ． 并且有高频 率、 宽范 围和高 精度的调速性 能 ， 因此可 以说变频 调速是交 流 电 动机 的一 种 比较 合理的调速方法 。 若对 变频 器按其控制方式和变频形式来分类的话 ， 可分为 rV／ F控制 开环 按 控 制 方 式 可 分 为 l [ 登 差 篓 耋 控 制 闭 环 矢量控制 ⋯ 格 亦 牖 形 式 可 讣 为 『 交 一 直 一 交 变 频 [ 耄 按 变 频 形 式 可 分 为 l 吧 M L 交 一 直变频 2 矿井通风系统的应用 矿井通风机属 风量控制 过去很少采用转速控 制方 式 ， 多是 由 鼠笼式 异步 电动 机拖动 ， 进 行恒速运转 ， 当需要 调节 风量时 ， 多采用调节档板 离心式风机 及轮 叶角度 轴 流式风机 。 这 种控制方式虽 简单 ， 但不经济 。 通 风机 采用 变频 凋速 以达 到调 节风量 ， 对节约 电能 ， 提 高经济效 益 具有 重要 的 意 义 。 2 ． 1 通风机的基本参数及特征 2 ． 1 ． 1 通风机的基本参数 。 通风机 的风量 Q按 下式 确定 Q K， Q m ／ s 式中 。 通风设 备的漏风系数 ， 一般 为 1 ． 1～ 1 ． 1 5 ； Q 矿井需要的风量 ， m ／ s 通风机的全压 H 按下式确定 H h △ h h Pa 式中 矿井通风阻力 ， P a △ 通 风设 备的阻 力损失 包括引风道 、 排 风道 及反风装置 的阻 力损失 ， 一般 为 9 8 维普资讯 第1 期 刘 闰生 矿井通 风机变频调速 及 节能 1 9 ～ 1 9 6Pa 动 压损失 一般可按下式求得 T r Vt Pa 式 中 r 排风 口处的 空气容重 ， k g ／ m。 ； g 9 ． 8 m／ s 排风 口处 对抽出式通风时 ， 即 为通 风机扩散器 出 口的风速 ， m／ s ； 矿井 自然通风 引起的压差 ； r r 。 △H P a ； r n 入风井与排风 口处 的高度差 ， m 根据 不同机型的无因次特性 曲线确定通风机的工况 点及 Q、 H 及 ， 即可按下式 计算 电动 机 功率 选 择电动机 Ⅳ K k w 式 中 Q 通风机动 转点 的风量 ， m。 ／ s ； H 通 风机 运转点的 负 正 压 ， P a 通 风机运转点的效率 机械传 动效率 ， 用 联轴节 传动 一般采用 0 ． 9 8 ， 用 三角 皮带 传动一般 采用 0 ． 9 2～ 0 ． 9 5 K 电动机 能力备用系数 ， 一般采用 l _ 1 5 2 ． 1 ． 2 通风机 的特性 曲线 。 表示风机性 能的特性 曲线 常用的 有 H Q 曲线 ， 当转速 恒定 时 ， 表示 风压 与 风量 问的关 系特 性 。 对于 同类 型风机 根据 风机参数 的比例 定律 ， 在不同的转速 囝 1 控制时 的 H Q曲线 如图 1 所示 当风机转速从 变 到 时 ， 风量 Q、 风压 H 及轴功率 Ⅳ 的 变化关系如下式 Ql ／ Q2一 H I 2 H l ／ H2一 ， l ／ 7 J z Nl ／ N一 ， z 】 2 。 当雷 诺数 R。 改变不超过 2 ～ 3 倍时 效率基本 不变 。 从上式可 知 ， 改变风机转速 ， 可以调节 风量 ， 且效率基本不变， 但风压及功率分别与转速的平方及立方成正 比变化 所以在风机中特 别是离心式通 风机 中 广泛采用调整通风 机转速 的方式来调 整风 量。 2 ． 1 ． 3 网络特性 曲线。 当网路 风阻 R保 持不变时 ， 风量 与通 风阻 力之问的关 系是不变 的 ， 即 风量 Q与通风阻 力 按阻 力定律变化 ， 即 K R Q 式 中 K 通 风阻 力， 用风压表示 P a ； Q 风量 ， m ／ s ； R 风阻 ， k g s ／ m。 KQ问的抛物 线关 系 曲线称为 网路 特性 曲线 如 图 2 显然 风阻 R越 大 ， 曲线 越陡 。 风 机的 HQ 曲线与 一Q曲线相 交的工作 点称为工况点 M。 2 ． 2 通 风机变频调 速及节能 矿井通风机风 量 凋节采 用变 频调速与传统的 调节 风 门的方法相 比 有十 分 明显的节能效 果 。 图 l中曲线 ． 为风机恒 速下的 0 特性 曲线 ， 曲线 R． 为 网路 风阻特性 风 门全开 。 假设风机在设计时工作在工 况点 M 处效 率最 高 ， 输 出风 量 Q 为 1 O O ％， 此 时轴 功率 Ⅳ． 与 维普资讯 2 0 山 东矿业学院学报 第1 4 卷 Q H 的乘积 之面积 M H O Q。 成正 比。 当矿井通风 网路发 生变化 ， 风量从 Q- 减少到Qz 时 ， 如采 用调节风门方法相当于增加网路阻力， 使网路特性变化成曲线 R z ， 在新的工况点 下运行 。 从 图中可 看 出 ， 风压增大 ， 轴 功率 Ⅳ 与 Q H。 乘积之面积 日。 O Qz 成正 比， 显然减少不多 。 若 采用变频器进行 转速 控制 ， 风机转速 由 降 到 ， 根据 比例 定律作 出在 转速 下的 一Q 特 性 曲线 ， 可 以看到 在满足同样 风量 Q。 时 ， 风压 H 大幅度降低 ， 功率 Na 相 当于 旭 日 O Qz 明显变小 ， 节 省的功率 损耗 △N 一 △HQz ． 由通风机 比例定律 ， 当风量减少 ， 风机转速 下降时其功率降 低很 多 。 例 如风量下 降到 8 0 ％ 时 ． 转速也 下降 8 0 ％ ． 轴功率 N。 一 N 0 ． 8 n 。 ／ n 。 一 0 ． 5 1 2 N， ， 即轴功率将下降 到额 定功率的 5 1 ％ 左右。 当然还需要考虑其他因素的影响， 即使这样， 这个节能效果也是很可观的。 例在某矿采 区通风设计 中 ， 选取 4 7 2 1 1型 N 9 2 0离心式通风机 ， 配有 J 一 1 2 7 8型电 动机 ， 直接传动 ， 功率为 1 3 0 k W ， 转速为 5 8 0 r p m。 原设计 Q。 一 4 6 m ／ s ， H 一 1 7 6 4 P a ， 轴功率 Ⅳ 9 2 k w 。 因投产初期 网路 阻力较 低 ， 实 际 H 一 1 2 3 5 P a， Q2 5 5 ． 2 3 m ／ s ， 轴 功率 N 一 8 5 ． 5 6 k W ， 风量大于实际需要 ， 消耗 电能 ， 故 需调 整通风机转速 ， 以保持原设计风量 。 使 Q Q 一 4 6 m ／ s ， 令 l 一 一 5 8 0 r p m。 按照 比例定律 一 Q ／ Q ‘ t H 一 4 6 ／ 5 5 2 3 5 8 0 4 8 3 r p m 改用变频器调速使 一 4 9 0 r p m 风量 Q。 一 5 5 ． 2 3 4 6 ． 6 7 m ／ s 风 压 H 一 薏 H 2 一 4 9 0 1 2 3 5 8 8 1 ． 5 P a 。 轴 功 率 N 一 毫 N z 一 4 9 0 8 5 ． 5 6 5 1 ． 6 k W 围 2 可节 省 电动机功率为 △ N 一 8 5 ． 5 6 5 1 ． 6 3 3 ． 9 6 k w 按矿 井通风机 年运行 8 7 0 0小时 计 ， 全年可 节 电约 2 9 ． 5万 千瓦 时 度 。 3 变频器容量的选择 选 用变频器 敞为矿井通风机 的起动用和 调整风 量 时的转速控制 ， 这就 牵涉到 变频器 容量 的确定。 变频器装置的容量是由电动机的负载决定的， 若以 P 表示电动机的负载， 表示电动 机的效率 ， c o s t , 表示 电动机 的功率 因数 ， 表示变 频器 的效率 ， 取安全 系数 1 ． 0 5时 ， 则变 频器 容 量 P 一 c VA 变 频器 用于通风 机起动 时 ， 风 机的风 门处于全 闭状 态 ， 并 限制变频器在 低速 区范 围内使 用 ， 当加速 到中间速度就切换工频 电源继续进 行加速 ， 这种方法所需 的变额容 量小 ， 较 为经济 在设有多 台相 同风机 的地 方 ， 也 可共用一套变频 器做 为起动装置 。 在通风机 的控制过 程中 ， 可 引入 PL C程序控 制器进 行 自动 化控制 ， 可 以使 通风机 自动投 切 ． 且按设定的风 量进 行 自动跟 踪调速 ， 并 能按矿 井的实际要求 灵活地调整 程序 ， 使之 达到最 优的节 电效 果 。 维普资讯 第1 期 刘 阔生 ； 矿 井通风机 变频调速厦 节能 2 l 4 结 论 1 ． 从矿井通风机 采用变频 调速的节 电效果 ， 可以逐步在矿井四大件的设计 中推广开来 。 根 据 资料统计 ， 煤矿四大件 的设 备用 电量基本上占整个矿井用 电量的三分之二左右 ， 所以能在煤 炭 系统推广使用变{ I羲调速 ， 其经济效 益和节 能效 果是 十分 可观 的 。 2 ． 在 推开 变频 器调 速的同时 ， 控制系统引入 P L C程控 器。 P L C程控 器可 以在恶劣 的环境 下工作， 抗干扰能力强 ， 硬件配置灵活， 组态方便， 尤其是编程容易。 这样可以通过 自动化控制 取得最优节 电效果 。 参 考 文 献 l 周逼荣 ． 严万生主编 矿山固定机械手册． 北京 煤炭工业出版社 ． 1 9 8 6． P 4 2 6～ 5 4 7 2 机械 电子工业部． 天 津电气传动设计研 究所编著 电气传动 自动化技术手 册． 北京 机械工业 出版 社 1 992， P36 3 ～ 98 4 3 三菱电机株式会社编 ． 许振茂 ， 赵昭 ． 王俭岳译， 许振茂校． 变频 谓速器使用手册． 北京 r 兵器 工业出版社 1 99 2． P2 ～ 393 F REQUE NCY GoVERNoR AND ENERGY SAVI NG 0F M I NE FAN Li u M i n s h e n g Co a l l n du i al s gn l ng I n s t i t ut e’F i an ABS T RACT Th e u s e o f f r e q u e n c y c o n v e r t t o r e g u l a t e t h e s p e e d o f r ot a t i o n a c c o r d i n g t o t h e c h a r a c t e r o f mi n e f a n c a n r e a c h t h e g oa l o f t h e mo d u l a t i o n o f a i r f l o w a n d h a v e a v e r y g o o d e f f e c t o f s a v i n g e n e r g y ．The u s e of PLC P r o g r a mma b l e L o g i c C on t r o l l e r c a n u p g r a d e t h e e x t e n t o f a u t o ma t i o n a n d b a s t r e g u l a t e t h e s p e e d o f r o t a t i o n ． KEY W ORDSe q u e n e y g o v e r n o r ；e n e r g y s a v i n g o f m i n e f a n；PLC Pr o g r a mma b l e Lo g i c Con t r o I 1 e r 维普资讯