一、引言
煤礦通風(fēng)機(jī)俗稱“電老虎”，其耗電量較大。該設(shè)備全年不停地運(yùn)行，而且不同時(shí)期對(duì)風(fēng)量的要求又不相同，如節(jié)假日用風(fēng)量較小，礦井建設(shè)初期用風(fēng)量也較少，因此，選擇一種好的調(diào)節(jié)風(fēng)量的方法，完全可以降低噸煤電耗，而且可以提高風(fēng)機(jī)的使用壽命，這樣就可以給企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
二、工作原理及有效途徑
1、工作原理
礦用通風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)方法有多種形式，目前國內(nèi)煤炭企業(yè)主要采用調(diào)節(jié)管網(wǎng)阻力法、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速法、調(diào)節(jié)進(jìn)口導(dǎo)流器葉片法、調(diào)節(jié)葉輪葉片法等形式。根據(jù)風(fēng)機(jī)的軸功率變化特性曲線顯示，當(dāng)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速改變時(shí)，軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比變化，可見，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速是風(fēng)機(jī)節(jié)能改造效果最明顯的技術(shù)途徑。
2、調(diào)節(jié)方法
通風(fēng)機(jī)常見的調(diào)速方法主要有：可控硅串級(jí)調(diào)速、直流機(jī)組調(diào)速，交-交變頻調(diào)速、液力調(diào)速等幾種方式。
2.1 液力偶合器調(diào)速
1）調(diào)節(jié)原理
電機(jī)輸出軸高速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)液力偶合器泵輪旋轉(zhuǎn)，將液體介質(zhì)以高速高壓流沖向液力偶合器渦輪葉片，使渦輪跟隨泵輪作同向旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)風(fēng)機(jī)；而傳動(dòng)介質(zhì)由渦輪外緣流向內(nèi)側(cè)并減速減壓流向泵輪形成渦流循環(huán)，在這種循環(huán)中，通過導(dǎo)管系統(tǒng)直接改變傳動(dòng)介質(zhì)質(zhì)量，可無級(jí)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速并將電動(dòng)機(jī)的機(jī)械能柔性傳遞至風(fēng)機(jī)。
2）技術(shù)特點(diǎn)
①由于調(diào)速型液力偶合器本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)空載起動(dòng)，可放棄原有的已老化的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，采用液力偶合器自身的簡單控制系統(tǒng)，并利用電動(dòng)機(jī)可空載起動(dòng)，提高其起動(dòng)能力，減小對(duì)電網(wǎng)的沖擊；
②由于傳動(dòng)介質(zhì)為油液，可隔離扭振，減緩沖擊；
?、劢Y(jié)構(gòu)簡單可靠，控制操作方便；
?、艹S承之外，無機(jī)械磨損，效率高，節(jié)能效果顯著。
2.2.2 可控硅串級(jí)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速
1）調(diào)節(jié)原理
電網(wǎng)電能經(jīng)異步電動(dòng)機(jī)氣隙傳遞到轉(zhuǎn)子的電磁功率P2，一部分為機(jī)械輸出功率Pm，另一部分為轉(zhuǎn)差功率Ps。它們之間的關(guān)系如下
P2＝Pm+ps
P2＝Mω1
Pm＝（1－s）P2
Ps＝sP2＝3I22R
式中 M-電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩；
ω1-同步角速度；
I2-轉(zhuǎn)子每相電流；
R-轉(zhuǎn)子電阻；
s-轉(zhuǎn)差率。
原機(jī)組采用轉(zhuǎn)子電路串接附加電阻實(shí)現(xiàn)調(diào)速。顯然在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，s升高，轉(zhuǎn)差功率Ps升高，此時(shí)，轉(zhuǎn)差功率Ps無法加以利用，只能白白消耗在外部附加電阻上，所以這是一種低效率的能耗調(diào)速方法。如在轉(zhuǎn)子回路代替附加電阻接入一套電器裝置，同樣能實(shí)現(xiàn)調(diào)速，并具有節(jié)能的顯著優(yōu)點(diǎn)。
2）技術(shù)特點(diǎn)
調(diào)速系統(tǒng)為全數(shù)字化顯示，電控系統(tǒng)采用PLC技術(shù)取代模擬控制和有觸點(diǎn)電器傳動(dòng)方案，提高系統(tǒng)可靠性。本方案控制的只是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差功率，系統(tǒng)設(shè)備投資少。尤其是采用雙閉環(huán)調(diào)節(jié)技術(shù)，可以做到平滑無級(jí)調(diào)速及較硬的機(jī)械特性。此方案是礦用風(fēng)機(jī)節(jié)能調(diào)速的優(yōu)選技術(shù)方案之一。
2.2.3 直流機(jī)組調(diào)速
1）調(diào)節(jié)原理
直流電機(jī)采用它激勵(lì)磁，定子電路采用固定直流供電，轉(zhuǎn)子電路采用可控硅變流器供電，改變可控硅導(dǎo)通角α，即改變轉(zhuǎn)子供電電壓，改變轉(zhuǎn)子電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)調(diào)速目的。
2）技術(shù)特點(diǎn)
調(diào)速范圍廣，調(diào)速性能好，效率高，技術(shù)穩(wěn)定可靠。但常見的通風(fēng)系統(tǒng)采用交流電機(jī)，需改換成直流電機(jī)，設(shè)備投資及直流電機(jī)維護(hù)量大，不代表電氣傳動(dòng)的發(fā)展方向。因此，在風(fēng)機(jī)節(jié)能項(xiàng)目改造中應(yīng)用較少。
2.2.4 交-交變頻調(diào)速
1）調(diào)節(jié)原理
交-交變頻器其主回路由2組并聯(lián)的變流器P組和N組組成。P組和N組輪流向負(fù)載供電，則在負(fù)載上獲得交流輸出電壓U0。U0的幅值由變流器的控制角α決定。U0的頻率由2組變流器的切換頻率決定。如果變流器采用橋式接法，則三相負(fù)載需要36個(gè)晶閘管元件；如果用零式接法，也需要18個(gè)晶閘管元件，元件數(shù)量較多。另外，礦井供電電壓常見為雙路6kV，目前還沒有能直接在6kV電壓下的晶閘管元件。故系統(tǒng)采用高-低-高供電方案，需增加2套晶閘管用變壓器。
2）技術(shù)特點(diǎn)
調(diào)速范圍廣、高效、優(yōu)質(zhì)調(diào)節(jié)。晶閘管元件數(shù)量多，需增加降壓、升壓變壓器，系統(tǒng)設(shè)備多，投資大。因此，在風(fēng)機(jī)節(jié)能項(xiàng)目改造中應(yīng)用較少。
三、經(jīng)濟(jì)效益分析
煤礦原有工作方式為全年12月，每月30d工作制，目前隨著高產(chǎn)高效工作面的推廣應(yīng)用及國家法定假日制的實(shí)行，粗略計(jì)算每年約有休息時(shí)間T=2,400h。若風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量P1按500-1,000kW考慮，工業(yè)電費(fèi)m按0.3元/kWh計(jì)算，保安風(fēng)量按常規(guī)的85%考慮，風(fēng)機(jī)功率降低為P2＝P1×0.853＝61.4%P1。每年節(jié)約電費(fèi)：M＝（P2－P1）Tm。風(fēng)機(jī)功率越大，每年節(jié)約電費(fèi)也越多。
風(fēng)機(jī)功率與節(jié)電費(fèi)的對(duì)應(yīng)關(guān)系
風(fēng)機(jī)單機(jī)功率/kW 年節(jié)約電費(fèi)/萬元
500 22
600 26.5
700 30.9
800 35.4
900 39.8
1000 44
四、結(jié)束語
經(jīng)分析，選擇可控硅串級(jí)調(diào)速和液力偶合器調(diào)速作為優(yōu)選方案。
調(diào)速系統(tǒng)全數(shù)字化，電控系統(tǒng)采用PLC技術(shù)，尤其是采用雙閉環(huán)調(diào)節(jié)技術(shù)，可以做到平滑無級(jí)調(diào)速，及較硬的機(jī)械特性。
柔性傳遞機(jī)械能，可無級(jí)調(diào)速并空載起動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)沖擊小，結(jié)構(gòu)簡單可靠，控制系統(tǒng)簡單，操作方便，效率高，節(jié)能效果顯著。
通過上述分析，通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)節(jié)能改造項(xiàng)目從技術(shù)途徑上看是完全可行和可靠的，從每年節(jié)約電費(fèi)考慮，可給生產(chǎn)單位帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益；從國家能源政策來看，此項(xiàng)工作具有現(xiàn)實(shí)意義。
煤礦通風(fēng)機(jī)俗稱“電老虎”，其耗電量較大。該設(shè)備全年不停地運(yùn)行，而且不同時(shí)期對(duì)風(fēng)量的要求又不相同，如節(jié)假日用風(fēng)量較小，礦井建設(shè)初期用風(fēng)量也較少，因此，選擇一種好的調(diào)節(jié)風(fēng)量的方法，完全可以降低噸煤電耗，而且可以提高風(fēng)機(jī)的使用壽命，這樣就可以給企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
二、工作原理及有效途徑
1、工作原理
礦用通風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)方法有多種形式，目前國內(nèi)煤炭企業(yè)主要采用調(diào)節(jié)管網(wǎng)阻力法、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速法、調(diào)節(jié)進(jìn)口導(dǎo)流器葉片法、調(diào)節(jié)葉輪葉片法等形式。根據(jù)風(fēng)機(jī)的軸功率變化特性曲線顯示，當(dāng)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速改變時(shí)，軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比變化，可見，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速是風(fēng)機(jī)節(jié)能改造效果最明顯的技術(shù)途徑。
2、調(diào)節(jié)方法
通風(fēng)機(jī)常見的調(diào)速方法主要有：可控硅串級(jí)調(diào)速、直流機(jī)組調(diào)速，交-交變頻調(diào)速、液力調(diào)速等幾種方式。
2.1 液力偶合器調(diào)速
1）調(diào)節(jié)原理
電機(jī)輸出軸高速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)液力偶合器泵輪旋轉(zhuǎn)，將液體介質(zhì)以高速高壓流沖向液力偶合器渦輪葉片，使渦輪跟隨泵輪作同向旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)風(fēng)機(jī)；而傳動(dòng)介質(zhì)由渦輪外緣流向內(nèi)側(cè)并減速減壓流向泵輪形成渦流循環(huán)，在這種循環(huán)中，通過導(dǎo)管系統(tǒng)直接改變傳動(dòng)介質(zhì)質(zhì)量，可無級(jí)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速并將電動(dòng)機(jī)的機(jī)械能柔性傳遞至風(fēng)機(jī)。
2）技術(shù)特點(diǎn)
①由于調(diào)速型液力偶合器本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)空載起動(dòng)，可放棄原有的已老化的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，采用液力偶合器自身的簡單控制系統(tǒng)，并利用電動(dòng)機(jī)可空載起動(dòng)，提高其起動(dòng)能力，減小對(duì)電網(wǎng)的沖擊；
②由于傳動(dòng)介質(zhì)為油液，可隔離扭振，減緩沖擊；
?、劢Y(jié)構(gòu)簡單可靠，控制操作方便；
?、艹S承之外，無機(jī)械磨損，效率高，節(jié)能效果顯著。
2.2.2 可控硅串級(jí)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速
1）調(diào)節(jié)原理
電網(wǎng)電能經(jīng)異步電動(dòng)機(jī)氣隙傳遞到轉(zhuǎn)子的電磁功率P2，一部分為機(jī)械輸出功率Pm，另一部分為轉(zhuǎn)差功率Ps。它們之間的關(guān)系如下
P2＝Pm+ps
P2＝Mω1
Pm＝（1－s）P2
Ps＝sP2＝3I22R
式中 M-電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩；
ω1-同步角速度；
I2-轉(zhuǎn)子每相電流；
R-轉(zhuǎn)子電阻；
s-轉(zhuǎn)差率。
原機(jī)組采用轉(zhuǎn)子電路串接附加電阻實(shí)現(xiàn)調(diào)速。顯然在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，s升高，轉(zhuǎn)差功率Ps升高，此時(shí)，轉(zhuǎn)差功率Ps無法加以利用，只能白白消耗在外部附加電阻上，所以這是一種低效率的能耗調(diào)速方法。如在轉(zhuǎn)子回路代替附加電阻接入一套電器裝置，同樣能實(shí)現(xiàn)調(diào)速，并具有節(jié)能的顯著優(yōu)點(diǎn)。
2）技術(shù)特點(diǎn)
調(diào)速系統(tǒng)為全數(shù)字化顯示，電控系統(tǒng)采用PLC技術(shù)取代模擬控制和有觸點(diǎn)電器傳動(dòng)方案，提高系統(tǒng)可靠性。本方案控制的只是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差功率，系統(tǒng)設(shè)備投資少。尤其是采用雙閉環(huán)調(diào)節(jié)技術(shù)，可以做到平滑無級(jí)調(diào)速及較硬的機(jī)械特性。此方案是礦用風(fēng)機(jī)節(jié)能調(diào)速的優(yōu)選技術(shù)方案之一。
2.2.3 直流機(jī)組調(diào)速
1）調(diào)節(jié)原理
直流電機(jī)采用它激勵(lì)磁，定子電路采用固定直流供電，轉(zhuǎn)子電路采用可控硅變流器供電，改變可控硅導(dǎo)通角α，即改變轉(zhuǎn)子供電電壓，改變轉(zhuǎn)子電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)調(diào)速目的。
2）技術(shù)特點(diǎn)
調(diào)速范圍廣，調(diào)速性能好，效率高，技術(shù)穩(wěn)定可靠。但常見的通風(fēng)系統(tǒng)采用交流電機(jī)，需改換成直流電機(jī)，設(shè)備投資及直流電機(jī)維護(hù)量大，不代表電氣傳動(dòng)的發(fā)展方向。因此，在風(fēng)機(jī)節(jié)能項(xiàng)目改造中應(yīng)用較少。
2.2.4 交-交變頻調(diào)速
1）調(diào)節(jié)原理
交-交變頻器其主回路由2組并聯(lián)的變流器P組和N組組成。P組和N組輪流向負(fù)載供電，則在負(fù)載上獲得交流輸出電壓U0。U0的幅值由變流器的控制角α決定。U0的頻率由2組變流器的切換頻率決定。如果變流器采用橋式接法，則三相負(fù)載需要36個(gè)晶閘管元件；如果用零式接法，也需要18個(gè)晶閘管元件，元件數(shù)量較多。另外，礦井供電電壓常見為雙路6kV，目前還沒有能直接在6kV電壓下的晶閘管元件。故系統(tǒng)采用高-低-高供電方案，需增加2套晶閘管用變壓器。
2）技術(shù)特點(diǎn)
調(diào)速范圍廣、高效、優(yōu)質(zhì)調(diào)節(jié)。晶閘管元件數(shù)量多，需增加降壓、升壓變壓器，系統(tǒng)設(shè)備多，投資大。因此，在風(fēng)機(jī)節(jié)能項(xiàng)目改造中應(yīng)用較少。
三、經(jīng)濟(jì)效益分析
煤礦原有工作方式為全年12月，每月30d工作制，目前隨著高產(chǎn)高效工作面的推廣應(yīng)用及國家法定假日制的實(shí)行，粗略計(jì)算每年約有休息時(shí)間T=2,400h。若風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量P1按500-1,000kW考慮，工業(yè)電費(fèi)m按0.3元/kWh計(jì)算，保安風(fēng)量按常規(guī)的85%考慮，風(fēng)機(jī)功率降低為P2＝P1×0.853＝61.4%P1。每年節(jié)約電費(fèi)：M＝（P2－P1）Tm。風(fēng)機(jī)功率越大，每年節(jié)約電費(fèi)也越多。
風(fēng)機(jī)功率與節(jié)電費(fèi)的對(duì)應(yīng)關(guān)系
風(fēng)機(jī)單機(jī)功率/kW 年節(jié)約電費(fèi)/萬元
500 22
600 26.5
700 30.9
800 35.4
900 39.8
1000 44
四、結(jié)束語
經(jīng)分析，選擇可控硅串級(jí)調(diào)速和液力偶合器調(diào)速作為優(yōu)選方案。
調(diào)速系統(tǒng)全數(shù)字化，電控系統(tǒng)采用PLC技術(shù)，尤其是采用雙閉環(huán)調(diào)節(jié)技術(shù)，可以做到平滑無級(jí)調(diào)速，及較硬的機(jī)械特性。
柔性傳遞機(jī)械能，可無級(jí)調(diào)速并空載起動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)沖擊小，結(jié)構(gòu)簡單可靠，控制系統(tǒng)簡單，操作方便，效率高，節(jié)能效果顯著。
通過上述分析，通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)節(jié)能改造項(xiàng)目從技術(shù)途徑上看是完全可行和可靠的，從每年節(jié)約電費(fèi)考慮，可給生產(chǎn)單位帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益；從國家能源政策來看，此項(xiàng)工作具有現(xiàn)實(shí)意義。
