关键词：变频器；局部通风系统；节能；智能；瓦斯排放

Abstract: This paper, based on the practical operation characteristics under the mine local ventilation system, put forward the use of mine local fan inverter to improve system performance.Article, from the perspective of the mine, the basic principle of the frequency converter with unique advantages, and combining the actual use of mine local fan inverter, this paper expounds the mine local fan inverter for local ventilation system for high efficiency, energy saving, stable, intelligent and coal mine safety control, to improve and improve the overall performance of local ventilation system and the safety of mine.

Key words: Inverter; Local ventilation system; Energy conversation; Smart; Gas emissions

【中图分类号】TN77 【文献标识码】B  【文章编号】1561-0330（2018）09-0000-00

 

1 引言

在煤矿生产过程中，瓦斯事故占很大比例，其所造成的损失之重大、伤亡之严重为煤矿六大灾害（瓦斯、煤尘、火、水、顶板、机电事故）之最。而掘进工作面是瓦斯煤尘事故多发地点，如何有效地进行掘进工作面的瓦斯排放，对于煤矿的安全生产、减少瓦斯煤尘事故有着举足轻重的意义。同时作为我国第一能源工业，煤炭行业既是产能大户，又是耗能大户，煤炭工业所用的排水泵和通风机的耗电量约占生产电耗的44%左右，如何在保障安全生产的同时更有效地节能减排对提高煤矿经济效益也有着非常重要的作用。

而现阶段煤矿通风系统存在的问题具体为：

(1)“一风吹”现象

具体是指，在排放瓦斯时，不考虑瓦斯回风流中瓦斯浓度，一次性集中地排放所有集聚的瓦斯，容易造成回风流中瓦斯超限而发生瓦斯事故。

(2)风筒损坏

由于通风机工作是全压启动，对风筒损害很大;经常将风筒吹破导致不必要的更换风筒，更重要的是在更换风筒时候存在通风机停运的情况。

(3)环境污染

大功率通风机在掘进的初期工频运行时会使煤矿井下产生大量的灰尘，严重影响井下工作环境。

(4)电量损耗

主、备通风机都是恒定转速运转，而通风机工作是连续、不间断的，因此能源消耗十分庞大。

本文结合卧龙电气集团辽宁荣信高科电气有限公司的矿用局扇变频器(下文中简称为矿用局扇变频器)，首先简要说明变频器的基本原理，之后介绍矿用局扇变频器的优势。本文第四部分将通过某矿的应用实例阐述矿用局扇变频器在实际生产中所具有的必要性。

2 矿用局扇变频器的基本原理

变频器的发展很大程度上取决于电力电子器件的发展，随着高性能功率器件的面世，变频器的性能得到了一次又一次的提升。矿用变频器使用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为逆变的核心器件，采用交-直-交的方式实现变频功能[1]。IGBT具有驱动功率小、饱和压降低、响应速度快、器件容量大等特点，因此变频器的整体性能十分优越。图1为矿用变频器的简要原理框图。

图1  矿用局扇变频器原理框图

如图1所示，矿用局扇变频器由两个主要环节构成，分别为整流环节与逆变环节。

整流环节由二极管构成，其作用为将交流电源提供的电能整流为直流电，该直流电作为后续逆变环节的母线电压。在整流环节与逆变环节之间采用电容器来抑制电压的波动，以此得到平稳的母线电压。

逆变环节由IGBT构成，其工作方式由数字控制器来操控。在数字控制器的控制下，IGBT将母线提供的直流电逆变为不同频率的交流电，并将逆变出的交流电供给电机使用，以此实现对电机进行变频控制的目的。矿用局扇变频器采用空间电压矢量（SVPWM）的控制方式，这种控制方式具有很高的母线电压利用率，同时可以减小电机的转矩脉动，在整体性能上优于正弦波脉宽调制（SPWM）的控制方式[2]。

3 矿用局扇变频器的优势

矿用局扇变频器以IGBT为逆变核心，采用性能优越的数字信号处理器(DSP)作为控制器。将矿用局扇变频器用于煤矿皮带运输系统上，除了具有显著的节能效果外，还具有诸多优势。这部分将对矿用局扇变频器的一些主要优点进行简要介绍。

3.1 避免“一风吹”，安全、高效排放瓦斯

矿用局扇变频器以确保掘进工作面有充足的新鲜风流和瓦斯浓度不超过煤矿安全规程规定的安全值为条件,控制局部通风机调速运转,依需供风。消除了因“一风吹”造成的瓦斯事故隐患，同时也可以抑制掘进工作面因通风机恒速运转风速过大而导致的煤尘飞扬，改善工作环境，优化局部通风系统。

在掘进工作面瓦斯异常涌出、意外停电或者计划停风等种种原因造成工作面瓦斯积聚超限时，矿用局扇变频器又以确保合风流处瓦斯浓度不超规定安全值进行自动控制, 安全、高效的排放超限瓦斯，避免了因为人为因素排放瓦斯带来的效率低、易造成瓦斯事故的问题。例如千米单独巷道采用传统方法排放瓦斯，一般需要2-3小时甚至更长时间，若采用通风机矿用局扇变频器排放，可以缩短排放时间。

3.2 双风机双电源自动切换

矿用局扇变频器真正的实现了“两进四出、双机热备”，一台矿用局扇变频器同时控制两台通风机。两台通风机互为备用，在瓦斯浓度不超限的情况下，可以任意自动切换。并且在通风机供风过程中，无论是通风机、电源还是矿用局扇变频器出现故障，设备都可以自动启动备用通风机，确保供风连续。

因实验或故障而需要切换矿用局扇变频器时，利用通风机矿用局扇变频器可方便、灵活的实现主、备用风机之间的自动切换，防止变频器故障造成停风，从而保证了巷道中不间断通风。

3.3 实现风机软启动

改变风机的全压启动方式软启动，即以一定的加载率、转速在一定的加速时间内由0上升到额定转速，对保护风筒有特别的好处，可避免全压启动吹破风筒，大大减少风筒损坏的几率。

3.4 可实现风、电闭锁及瓦斯、电闭锁

通过调试装置可实现风、电闭锁及瓦斯、电闭锁，从而替代矿原有闭锁设备，简化设备，减少设备投资。

除了上述的全面保护措施外，矿用局扇变频器还具有故障自诊断功能。矿用局扇变频器会根据检测到的异常电气参数，诊断出造成设备运行异常的原因，并将该信息存储于控制系统中，为后续检修人员的维修工作提供极大的便利。

文章这一部分对矿用局扇变频器的一些主要功能进行了介绍，通过上述相关功能的介绍可见，将矿用局扇变频器应用于皮带运输系统将具有许多其他设备无法替代的优势，并可以在很大程度上提高皮带运输系统的性能。

4 节能通风与节能分析

4.1 节能通风

瓦斯传感器位置图如图2所示。在全风压混合口T3处瓦斯浓度不超限时,矿用局扇变频器自动进入自控通风状态。依据工作面瓦斯浓度传感器T1、回风处瓦斯浓度传感器T2所检测的的瓦斯浓度,矿用局扇变频器根据瓦斯浓度的大小自动调节风量(T1、T2浓度变小，则局部通风机减速；T1、T2浓度变大，则局部通风机升速)避免瓦斯超限。

图2  瓦斯传感器位置图

所以，在掘进全过程只需安装一台足够风量的局部通风机，就可实现风量由小到大的需求。不必经常更换局部通风机，可减少倒换风机的时间、费用和劳动；更为重要的是可以全面的解决因为通风机全负荷恒定转速运转而造成的巨大能源浪费的问题。

风机的风压H-风量Q曲线特性如图3所示。

说明：n1——代表风机水泵在额定转速运行时的特性；n2——代表风机水泵降速运行在n2转速时的特性；R1——代表风机水泵管路阻力最小时的阻力特性；R2——代表风机水泵管路阻力增大到某一数组时的阻力特性。

采用双电源矿用局扇变频器后，局扇风量可调，无需通风机常年满额运行，节能效果显著。

由于转速与风量Q、风压H、轴功率P有如下比例关系：

风量Q与转速N的一次方成正比：

4.2 节能分析

某矿实际节能计算（考虑双电源矿用局扇变频器效率情况下）：

 通风机额定功率：2×55kW；

 通风机效率：96.5%；

 矿用局扇变频器效率：＞97%，按97%考虑；

 年运行时间：365天/年；

 运行频率：35-40Hz。

使用矿用局扇变频器之前，以50Hz频率运行1年，消耗电能E1为：

E1=110×365×24÷96.5%×100%≈998549(kWh)

使用矿用局扇变频器之后，降低频率至40Hz，运行1年消耗电能E2为：

E2=110×365×24÷96.5%÷97%×51.2%≈527069(kWh)

降低频率至35Hz，运行1年消耗电能E3为

E3=110×365×24÷96.5%÷97%×34.3%≈353095(kWh)

因此，年节省电量为

E1-E2～E1-E3=571480～645454 (kWh)

按电费单价0.55元/千瓦时来计算，则年节约电费约为31.4～35.5万元（正常运行电费约为54.9万元）。

节电率

(998549-527069)/998549~(998549-353095)/998549≈47.2%~64.6%

5 结语

本文基于卧龙电气集团辽宁荣信高科电气有限公司的矿用局扇变频器，首先简要介绍了矿用局扇变频器的基本原理，之后介绍了其运用于煤矿局扇通风系统所具有的特点以及优势，最后，文章结合矿用局扇变频器在某矿实际应用情况，阐述了其在现实生产中节能方面所带来的显著效果。

采用了矿用局扇变频器的局扇通风系统在运行过程中的性能更加优良、运行效率更高、维护更方便，并在真正意义上实现了节能化与智能化的生产运行。矿用局扇变频器引进的上述优势正是未来煤矿井下设备的发展趋势与方向，因此矿用局扇变频器是一种具有现实使用价值并值得推广的智能化设备。

参考文献：

[1]陈伯时. 电力拖动自动控制系统——运动控制系统(第3版)[M]. 北京:机械工业出版社, 2006.

[2]张纯江,漆汉宏. 空间矢量PWM与正弦PWM的比较研究[J]. 信息技术, 2000, 5: 1-2.

[3]程坤元,贺秋冬. 矿用局部通风机现状与发展[J]. 内蒙古科技与经济, 2015, 10: 1-3.