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变频调速技术在煤矿通风系统中应用研究
变频调速技术在煤矿通风系统中应用研究 【摘 要】通过对煤矿矿井通风机运行特性的分析,介绍了变频调速技术在矿井通风机系统中应用的技术可行性、实施方案和巨大的经济效益。提出了通风机变频调速与瓦斯监测系统联网,防止瓦斯爆炸事故发生的设想。 【关键词】通风机;变频调速;节能 矿井通风机作为保障矿井安全生产的关键设备,必须连续运行,是煤矿中连续运转的大用电负荷设备。实现矿井通风机的经济运行,对于节约用电、降低成本有着很重要的意义。 一、通风量调节的方法 矿井通风机及其传动电机,通常在矿井设计阶段选定,其通风量主要由矿井瓦斯涌出量、井下作业人员数量、通风巷道阻力等因素决定。通风机的风量调节,是通过改变通风机本身的特性曲线或改变外部管网特性来进行的。可分为风机恒速时的风量调节和风机变速时的风量调节。(1)通风机恒速时的风??调节。对于轴流式通风机,通过增大叶片安装角度可以增大风压,也可以通过改变工作轮的级数或叶轮片数来调节通风量。但这些调节一般需要在风机停机时才能进行,只适合较长阶段的风量调节,无法实现通风量的平滑调节和与实际通风量要求的随动。对于离心式风机,目前都是通过调节通风机口及风道或送风道中闸门的开启程度,人为地减小风道断面,增加通风阻力,改变通风管网的特性曲线,最终改变风机运行工况点,实现风量调节。这是一种很不经济的调节方法。(2)通风机变速时的风量调节。通过改变通风机的转速,实现通风机特性曲线的改变,从而改变通风量,是离心式通风机节能运行的有效方法。 二、我国煤矿矿井通风机的现状 矿井通风机是矿井安全生产的关键设备,其可靠性要求是第一位的,其次才能考虑经济运行。由于通风机属于负荷平稳,起动不频繁,仅需较小起动转矩的设备,采用母线供电,交流鼠笼电动机拖动的不调速电控系统,调节风门调节风量的工作方式是最简单、最可靠的。虽然这种工作方式能耗大,但设备简单,投资小,可靠性高,维修容易,能满足煤矿安全生产的需要。而在过去,各种交流调速拖动系统存在一定的缺陷和局限性,直流调速拖动系统又过于复杂和昂贵的情况下,经过技术上和经济上的比较,我国矿井通风机大多采用交流电动机不调速拖动,调节风门调整风量的工作方式。随着半导体技术的进步,交流变频调速技术已日臻成熟。新的交流变频调速通风机电控系统以其可靠性高,调节方便灵活,节能效果显著等优点,将成为矿井通风机控制系统发展的方向。 三、变频调速在矿井通风机上的应用 (1)变频器的发展。通用变频器自20世纪80年代初问世以来至今的20多年里,共更新了五代。第一代是20世纪80年代初的模拟式通用变频器;第二代是20世纪80年代中期的数字式通用变频器:第三代是20世纪90年代初的智能型通用变频器;第四代是20世纪90年代中期的多功能通用变频器;第五代是现在的集中型通用变频器。通用变频器的应用范围不断扩大,已遍及工业生产的各个行业,甚至进入了家庭。其产品正朝着三个方向发展:向着无需调整便能得到最佳运行的多功能和高性能型发展;向通过简单控制就能运行的小型化和操作方便方向发展;向大容量、高电压、高起动转矩及具有环保功能方向发展。随着大功率高耐压半导体器件GTO、IGBT、IGCT技术的成熟,大功率中压(l~l0kV)变频器已成为系列产品。俄罗斯电力研究院采用GTO元件生产的变频器电压可达4.5~6kV,电流可达4000~6000A,输出容量可达10MVA。美国Robicon公司生产的分离直流电源多重电源逆变器串联变频器,直接以6kV或3kV输出,输入输出波形都接近正弦波。目前我国自制的中压变频器也已经通过鉴定,正式投入使用。(2)变频调速在矿井通风机系统中的使用。方案风机类负载在过载能力方面的要求较低。由于负载转矩与转速的平方成正比,所以低速运行时负载较轻。又因为这类负载对转速的精度没什么要求,固选用最廉价的普通功能型通用变频器即可满足要求。煤矿矿井通风机容量一般较大,电动机一般为中压电动机(3~6kV)。在技术改造时一般保留原电动机,根据电动机的电压和容量选用相应的中压变频器即可。但鼠笼异步电动机由通用变频器控制时,由于高次谐波的影响和电动机运行范围的扩大,将出现一些新问题。在旧设备改造留用原电动机时应注意以下几点:(1)额定频率运行时有温升提高问题。由于变频器的三相输出电压波形都是SPWM波,因此不可避免地在异步电动机的定子电流中含有高次谐波成分,高次谐波增加了电动机的损耗,使电动机的效率和功率因数变差,所以电动机的温升将会比变频调速改造前有所提高。高次谐波损耗基本与负载无关。通用变频器高次谐波分量越小,电动机的温升也越小。所以在选用变频器时,要注意选择高次谐波分量小的产品。(2)电动机运行时出现噪声增大问题。这是SPWM变频器的载波频率与电动机铁芯的固有谐振频率发生谐振,
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