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摘要：在煤矿中，煤矿的安全生产直接受煤矿通风系统的影响，而主通风机是通风系统的重要保障设备。作为煤矿的能耗大户，主通风机以其功率大、长期运行特点，消耗大量电能。主通风机的运行效率、选型合理性等对矿井能源指标造成直接影响。因此，利用变频技术改造煤矿主通风机具有十分重要的意义。本文主要对煤矿主通风机中变频调速技术的应用进行研究，为主通风机的改造提供参考。
关键词：主通风机；变频调速；节能
目前，在我国煤矿运行中，通风机数量众多，但具有较低的运行效率。根据一些数据统计可知，数万台通风机在全国煤矿运行中使用，其功率在几千瓦与几百千瓦范围内，且最大功率的有数千千瓦[1]。然而，在通风机的实际使用中，一般而言，其运行效率为50%左右，少数效率为70%左右。同时，在全矿总能耗中，通风机耗电为35%左右，其中主扇耗电最多。在我国经济增长的环境下，各行业生产的用电需求增加，用电矛盾逐渐突出。因此，对于煤矿行业而言，需要采取有效措施，利用有效技术节能降耗，节约煤矿经济效益，促进经济、环境的可持续发展。
一、煤矿运行中主通风机的使用状况
在目前的煤矿主通风机使用中，存在工作效率低、能源消耗高等问题，以传统的降压启动、直接启动等传统驱动方式将产生较大负载，对系统电网造成明显冲击，进而影响系统电网内的终端电器设备、供电质量等。根据相关要求，需要定期倒换运行主扇风机，这样，频繁的停止、启动设备将造成单轴轴转现象，进而产生较大的振动应力，对电动机的使用寿命造成严重影响。同时，由于我国主扇风机主要通过人工调节风叶角度调节风量、风压，还未实现风量、风压的自动调节功能，费工费时影响正常安全生产。而在矿井基建设计中，对于通风设备的选取，主要以矿井最大生产能力所需风量为标准，根据系数进行选型。这样，在选型、设计、设备购置过程中，层层加码，矿井管网特性与通风机的匹配性较低，具有较低的负载率[2]。
此外，在矿井开采中，通风网络处于不断变化状态，在投产初期，网络较为简单、通风距离短，具有较少的风量需求。而在投产中期，需要较长的通风距离，网络相对复杂，对风量的需求增加。在矿井末期，具有更加复杂的网络，而产量却减少，减少了风量需求。并且，在矿井老采区关闭、新采区投产中，通风管网特性的时刻变化，需要根据需求随时调节通风设备。
二、变频调速原理
在煤矿主通风机中利用变频调速技术，在变频调速控制系统中，主要利用低压变频调速智能化调节风量，一改传统的控制手段，对系统运行性能进行有效改善，节约电能。在调节风机工况的过程中，主要利用以下两种方法：对管网的热性曲线进行改变、对风机本性性能曲线进行改变[3]。相比于传统的只能通过改变挡风板的方法，利用转速调节控制风量可有效提高能源利用率，降低能源消耗。具体原理如图1所示。
图1 风机调速原理图
在图1中，曲线1表示的风压-风量特性曲线，即在恒速n1下H-Q的关系。曲线5表示恒速n2下风机的H-Q特性曲线。在风门全开的状态下，管网的风阻特性由曲线3表示。这样，在风机设计中，当A点为给你工作效果最高状态时，输出风量（Q）则为100%，则此时轴功率P1正比于H1、Q1乘积。在这种情况下，可通过两种方式将风机流量调节为Q2，其一，关小风门，保持风机转速不变，此时曲线4为管网的风阻特性曲线，工作点也随之移至B点，风量为Q2，风压为H2，轴功率P2则正比于H2 、Q2乘积。其二，降低转速，曲线5表示H-Q特性曲线，C为工作点，风量Q2不变，风压变为H?3，轴功率P2则正比于H3 、Q2乘积。由此可知，降低风量可有效降低风机功率，节约电能，具有良好的经济效益。
三、变频调速技术的具体应用
在煤矿主通风机中，可根据变频机的工作原理及特点，利用现场总线、组态监控、可编程控制器等技术，建立完善的控制系统，如图2所示。
图2 风机控制系统
（一）利用变频器的PID闭环调节。在通风机控制中，变频器系统是核心，利用变频器的频率、启停控制，通过PID程序实现系统中的各项功能。同时，通过闭环调节方式，系统利用风量、风速传感器，对风压、风口风速进行检测，并将检测值作为反馈值，在风速、风压不满足通风需求时，通过调整频率给定，利用PID闭环对电机转速进行改变，将风压、风速调整到生产所需值。
（二）主、从站PLC。在整个变频调速控制中，主站PLC是核心，其主要作为从站 PLC 的硬件冗余和信息采集配置。在系统运行中，在从站 PLC 发生故障的情况下，主站 PLC仍会通过现场总线，利用远程组态监控技术远程控制通风系统，使通风机持续运转。同时，通过现场总线，主站 PLC读取变频器的运行参数，并在组态界面上以形象化的图像显示，使运行维护人员全面、及时了解系统运行状况，为系统维护提供方便[4]。在从站PLC中，其主要发挥现场控制作用，利用触摸屏控制风机的停止、启动，并实时显示变频器的输出电流、电压等。
（三）、降低电动机运行噪音。利用变频调速技术，在装置启动时，不仅对系统电网电压没有冲击，确保供电安全，并减少机械振动应力，降低电动机的磨损，延长电动机、机械设备的使用寿命。同时，采用双叶级驱动，在部分负荷、低负荷状态下，可实现约35%的节电率。此外，装置停止平稳、启动柔性，对电压、电网的冲击减少，使运行噪音降低。
四、结束语
随着变频调速技术的逐渐完善，变频调节技术被广泛应用于各种机电设备、工业企业中。在煤矿行业，在主通风机中利用变频调速技术，可有效降低电能消耗，提高经济效益，并为安全管理提供条件，提高安全管理水平，确保煤矿行业的安全、持续发展。
参考文献：
[1]王梅.变频调速技术在矿井主通风机节能改造中的应用[J].煤炭技术，2013，（6）：46-47，48.
[2]李家会.变频调速技术在煤矿通风中的应用[J].华章，2012，（16）：326..
[3]李惠平.矿井主通风机变频调速节能技术的应用[J].煤炭工程，2012，07（7）：56-58.
[4]曹世伟.煤矿风机变频调速技术的应用[J].科技研究，2014，（8）：316-316，283.
关键词：主通风机；变频调速；节能
目前，在我国煤矿运行中，通风机数量众多，但具有较低的运行效率。根据一些数据统计可知，数万台通风机在全国煤矿运行中使用，其功率在几千瓦与几百千瓦范围内，且最大功率的有数千千瓦[1]。然而，在通风机的实际使用中，一般而言，其运行效率为50%左右，少数效率为70%左右。同时，在全矿总能耗中，通风机耗电为35%左右，其中主扇耗电最多。在我国经济增长的环境下，各行业生产的用电需求增加，用电矛盾逐渐突出。因此，对于煤矿行业而言，需要采取有效措施，利用有效技术节能降耗，节约煤矿经济效益，促进经济、环境的可持续发展。
一、煤矿运行中主通风机的使用状况
在目前的煤矿主通风机使用中，存在工作效率低、能源消耗高等问题，以传统的降压启动、直接启动等传统驱动方式将产生较大负载，对系统电网造成明显冲击，进而影响系统电网内的终端电器设备、供电质量等。根据相关要求，需要定期倒换运行主扇风机，这样，频繁的停止、启动设备将造成单轴轴转现象，进而产生较大的振动应力，对电动机的使用寿命造成严重影响。同时，由于我国主扇风机主要通过人工调节风叶角度调节风量、风压，还未实现风量、风压的自动调节功能，费工费时影响正常安全生产。而在矿井基建设计中，对于通风设备的选取，主要以矿井最大生产能力所需风量为标准，根据系数进行选型。这样，在选型、设计、设备购置过程中，层层加码，矿井管网特性与通风机的匹配性较低，具有较低的负载率[2]。
此外，在矿井开采中，通风网络处于不断变化状态，在投产初期，网络较为简单、通风距离短，具有较少的风量需求。而在投产中期，需要较长的通风距离，网络相对复杂，对风量的需求增加。在矿井末期，具有更加复杂的网络，而产量却减少，减少了风量需求。并且，在矿井老采区关闭、新采区投产中，通风管网特性的时刻变化，需要根据需求随时调节通风设备。
二、变频调速原理
在煤矿主通风机中利用变频调速技术，在变频调速控制系统中，主要利用低压变频调速智能化调节风量，一改传统的控制手段，对系统运行性能进行有效改善，节约电能。在调节风机工况的过程中，主要利用以下两种方法：对管网的热性曲线进行改变、对风机本性性能曲线进行改变[3]。相比于传统的只能通过改变挡风板的方法，利用转速调节控制风量可有效提高能源利用率，降低能源消耗。具体原理如图1所示。
图1 风机调速原理图
在图1中，曲线1表示的风压-风量特性曲线，即在恒速n1下H-Q的关系。曲线5表示恒速n2下风机的H-Q特性曲线。在风门全开的状态下，管网的风阻特性由曲线3表示。这样，在风机设计中，当A点为给你工作效果最高状态时，输出风量（Q）则为100%，则此时轴功率P1正比于H1、Q1乘积。在这种情况下，可通过两种方式将风机流量调节为Q2，其一，关小风门，保持风机转速不变，此时曲线4为管网的风阻特性曲线，工作点也随之移至B点，风量为Q2，风压为H2，轴功率P2则正比于H2 、Q2乘积。其二，降低转速，曲线5表示H-Q特性曲线，C为工作点，风量Q2不变，风压变为H?3，轴功率P2则正比于H3 、Q2乘积。由此可知，降低风量可有效降低风机功率，节约电能，具有良好的经济效益。
三、变频调速技术的具体应用
在煤矿主通风机中，可根据变频机的工作原理及特点，利用现场总线、组态监控、可编程控制器等技术，建立完善的控制系统，如图2所示。
图2 风机控制系统
（一）利用变频器的PID闭环调节。在通风机控制中，变频器系统是核心，利用变频器的频率、启停控制，通过PID程序实现系统中的各项功能。同时，通过闭环调节方式，系统利用风量、风速传感器，对风压、风口风速进行检测，并将检测值作为反馈值，在风速、风压不满足通风需求时，通过调整频率给定，利用PID闭环对电机转速进行改变，将风压、风速调整到生产所需值。
（二）主、从站PLC。在整个变频调速控制中，主站PLC是核心，其主要作为从站 PLC 的硬件冗余和信息采集配置。在系统运行中，在从站 PLC 发生故障的情况下，主站 PLC仍会通过现场总线，利用远程组态监控技术远程控制通风系统，使通风机持续运转。同时，通过现场总线，主站 PLC读取变频器的运行参数，并在组态界面上以形象化的图像显示，使运行维护人员全面、及时了解系统运行状况，为系统维护提供方便[4]。在从站PLC中，其主要发挥现场控制作用，利用触摸屏控制风机的停止、启动，并实时显示变频器的输出电流、电压等。
（三）、降低电动机运行噪音。利用变频调速技术，在装置启动时，不仅对系统电网电压没有冲击，确保供电安全，并减少机械振动应力，降低电动机的磨损，延长电动机、机械设备的使用寿命。同时，采用双叶级驱动，在部分负荷、低负荷状态下，可实现约35%的节电率。此外，装置停止平稳、启动柔性，对电压、电网的冲击减少，使运行噪音降低。
四、结束语
随着变频调速技术的逐渐完善，变频调节技术被广泛应用于各种机电设备、工业企业中。在煤矿行业，在主通风机中利用变频调速技术，可有效降低电能消耗，提高经济效益，并为安全管理提供条件，提高安全管理水平，确保煤矿行业的安全、持续发展。
参考文献：
[1]王梅.变频调速技术在矿井主通风机节能改造中的应用[J].煤炭技术，2013，（6）：46-47，48.
[2]李家会.变频调速技术在煤矿通风中的应用[J].华章，2012，（16）：326..
[3]李惠平.矿井主通风机变频调速节能技术的应用[J].煤炭工程，2012，07（7）：56-58.
[4]曹世伟.煤矿风机变频调速技术的应用[J].科技研究，2014，（8）：316-316，283.