井下采矿通风自动控制节能实现

井下采矿通风的自动控制与节能实现【摘要】通风机是井下铁矿生产中的重要设备之一，是矿井消耗能量的主要设备。目前，建立低碳运行生态矿山成为了铁矿发展的必然趋势，因此，铁矿节能问题也成为矿井研究的热点问题之一。变频就是改变电源频率，即通过对电流的转换实现电动机运转频率的调节，把固定电网频率改为可变化的频率。该技术具有节能、高速驱动、高精度控制等优点。

【关键词】通风机节能变频技术

1 风机常用节能方法

对于风机的节能，目前主要有以下3种途径：（1）从选型上应选择与实际工况匹配的风机；（2）从风机管路设计上尽量减少管网阻力；（3）对风机进行变工况运行控制。通常，风机选型和管路设计在前期设计时已固定，如要进行改动是不切实际的，因此，风机变工况运行成为风机运行节能的重点。

改变风机的工况一般有以下几种方法。（1）节流调节。（2）液力耦合器调速节能。（3）变频调速节能。

2 变频调速技术

变频调速是将电网交流电经过变频器变为电压和频率均可调的交流电，然后供给电动机，使其在变速的情况下运行。通常情况下，异步电动机驱动油泵旋转供油，并将异步电动机与油泵做成一体，通过调节异步电动机的转速来实现恒压供油，因此说供油系统的变频调速实质上就是异步电动机的变频调速。异步电动机的变频调速

是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。异步电动机的同步转速由电动机的磁极个数（极数）和电源的频率所决定。

根据电机学原理，当由n1表示同步转速时，则有：

（1）

式中：p—为磁极个数；f—为电源频率。

若以n2表示异步电动机的转速，并以n1同步转速为基准，将异步电动机的转差率定义为：

（2）

式中：n2—为电动机转速，r/min；n1—为同步转速，r/min；f —为电源频率，hz；p—为电动机磁极个数；s—为转差率。

由上式可以看出，改变参数f、p和s中的任何一个，都可以改变电动机转速，达到对异步电动机调速控制的目的，其中改变电源频率f来实现对异步电动机的调速控制是广泛使用的方式。

3 变频调速的实现

（1）变频器的选择。风机类负载在过载能力方面的要求较低，因负载转矩与转速的平方成正比，所以低速时负载较轻。又因为这类负载对转速的精度要求不高，故可选择比较廉价的普通功能型通用变频器。因通用变频器大多采用spwm调制，变频器的使用会给电网带来高次谐波分量，故在选型时，要尽量选取高次谐波小的变频器。

（2）频率信号控制。以矿用通风机为例，对风机变频调速的频率给定问题进行阐述。一般认为，变频调速不宜低于额定转速的

50%，最好处于75%～100%，并应根据实际工矿确定。最小转速可根据实际通风管道的管路特性曲线进行确定；受矿井环境较差，信号干扰较大，频率信号控制器的选择宜采用plc控制，可通过plc与变频器远程通信实现转速控制，工作可靠。

4 节能分析

以通风机为例，对于同一台通风机，当以不同转速运行时，通风机的风量q，风压h，轴功率p与转速n有如下关系：（3）

（4）

（5）

采用变频调速器后，将通风机和风量开关阀门全开，用改变电机电源频率的方法来改变电机转速，进而改变风量。

图1中：曲线1为通风机在转速为n1时的q-h性能曲线；曲线2为管路阻力特性曲线；曲线3为关小阀门，流量为q2时的管路阻力特性曲线；曲线4为通风机在转速为n2时的q-h性能曲线；a，b，c为通风机的工况点。

通风机消耗的轴功率为

（6）

式中：λ—为流体容重；η—为通风机的效率。

由式（6）可知，轴功率与q，h的乘积成正比，因此在工况点a，轴功率与q1，h2的乘积面积ah1oq1成正比。根据工艺要求，当风量从q1减少到q2时，如采用阀门调节方法相当于增加管路阻力，

使管路阻力特性变到曲线3，系统由原来的工况点a变到新的工况点b运行。风压增加为h2，轴功率与面积bh2oq2成正比，显然减少不多。如果采用转速调节，转速由n1降到n2，通风机在转速为n2时的q-h性能曲线如曲线4所示，可见在同样流量q2时，风压h3大幅度降低，功率明显减少，节省的功率与面积bh2h3c成正比，很显然节能效益显著。即便考虑到因转速的降低而引起效率的降低及附加控制装置的效率的影响等，但节电效果仍十分明显。因此变频器的输入功率在任何速度下都近似等于通风机的轴功率。流量或风量是与转速成正比的，而轴功率是与转速的立方成正比的，因此：（7）

式中：ne，qe，pe分别为通风机的额定转速、额定风量和额定轴功率。

由式（5）可知，采用变频调速时，变频器消耗功率为

p变频=p=（q/qe）3pe （8）

如果采用阀门调节，电动机消耗功率近似为

p电=（0.4+0.6q/qe）pe （9）

从式（8）和式（9）可见，当流量q变为额定流量的50%时，采用变频调速时消耗功率为0.125pe。采用阀门调节流量时，电动机消耗功率0.7pe，节电率为82.1%，节电效果是很可观的。

参考文献：

[1]王宝华，杨占惠.浅谈变频器原理及在铁矿提升系统中的选用[j].科技信息，2010，（30）.

[2]商坤.变频调速在铁矿矿井通风机上的应用[j].铁矿安全，2011，（7）.