矿井主通风机作为井下通风系统的重要设备之一，担负着向井下输送新鲜风流、降低瓦斯浓度的任务。由于井下生产通风需求，通风机一般都是24h全天工作，因此其能耗很大，据统计，矿井主通风机的用电量占整体矿山耗电量的1/3左右，其经济成本占全矿的1/4左右。目前我国多数矿井主通风机的运行工况与矿井管网通风特性曲线图匹配度不高，使得通风机大多情况下处于空载或负载过大的状态下，使得通风机工作效率低，造成能耗较大，经济成本较高。所以，急需找寻出一种高精度、便于操作的方法来调节通风机转速，合理的降低通风机能耗。
1变频调速基本原理
1.1变频调速技术的提出
矿井一般都配备两台主通风机，一台运行一台备用。由于矿井通风机供风量一般都是按照井下最大需风量进行设计的，因此主通风机大多情况下处于欠载运行状态。而且，对于未安装变频调速装置的通风机，若想改变其供风量，还需对部分风门进行调整或者停机改变风机对旋叶片的安装角度，这种方式不仅耗费人力、物力，而且风速调节的误差较大。通风机叶片角度只要稍作变化，就会引起较大的风量改变，难以保证风机一直处于最佳工况点，且改变风机叶片角度或调节风门都需停机进行操作，降低了风机效率。而通风机变频调速技术的提出，一方面无需停机操作，另一方面对风机转速的调节精度较高，使通风机能够随着井下需风量的变化自动调整电机转速，节能效果显著。
1.2主通风机能耗分析
矿井主通风机能量消耗主要分为3个过程：电动机将电源的电能转化为电机机械能的过程，转化过程中部分电能转换成热能耗散，表现为电机工作效率ηd；电动机带动主通风机转轴旋转，此过程中部分机械能耗散，可用电机传动效率ηt表示；通风机转轴带动风机叶片旋转，将大部分机械能转化为风压能，此过程可用通风机出口全压效率ηm表示。根据伯努利方程，不考虑自然风压的影响，在理想状态下，矿井主通风机的能耗即输出功率，等于通风机出口每秒的出风量Q以及风机出口压强H的乘积再分别除以3个能耗过程的效率。通过对矿井主通风机的能耗计算得知，降低通风机总风量Q和全压H，或者提高电机效率ηd、电机传动效率ηt、通风机全压效率ηm，可以有效的减小通风机的能耗，达到节能的目的。
1.3通风机变频调速技术原理
按照通风机流体力学比例定律可知，通风机总通风量正比于电动机转速，而通风机出口压强则与电动机转速的平方成正比，通风机的总能耗则与电机转速存在三次方正比关系。根据计算可知，当井下需风量减少时，若降低电动机转速，通风机的出口风压二次方下降，而通风机的能耗将随着电机转速的下降三次方的降低。意味着，通过变频调速技术，可以有效的根据风量来降低电机转速，从而显著的降低通风机的能耗。通过对通风机电机的转速大小计算可知，改变电机转速的方法主要为调整电源的频率大小或者改变电机内部的磁极对数。但由于电机的磁极位于电机内部，要想改变磁极对数需拆开电机进行调换，因此该方法局限性较大。而通过变频调速技术，改变电动机电源频率，带动电机内部磁场旋转速度变化，从而改变电机的转速，突破了电机转速调节的局限。变频调速的主要优点是可同时调节多台风机转速、调节精度较高、能量利用率高且便于控制，实现了对电机转速的无级调节。所以，通过对通风机安置变频调速装置，可以极大的降低通风机的能量消耗。
2通风机变频技术应用效果
2.1工程背景
某矿矿井属高瓦斯双突矿井，矿井建设规模650万t/a。矿井采用的通风方式为中央对角式，主、副井进风，中央回风立井回风。为满足井下生产的通风需求，应对主通风机所需产生的风量及风压进行验算，从而选取合适的通风机型号。经计算，井下主通风机应产生的风量为：94.5m3/s，通风容易时期风机应产生负压：824Pa，通风困难时期的风机负压应为：2033Pa。经方案比较，最终选择两台FBCDZ-8-24B型对旋轴流风机，工作时一台备用，电机配备为YBF451S3-8型防爆电动机，电机额定电压10kV，额定功率220kW，正常工作转速742r/min。由出矿井通风特性管网曲线变化可知在通风困难时期，通风机运行效率即工况点位于高效区，风机能耗利用率较高；而在通风容易时期，由于此时井下所需风量及负压较小，风机转速与所需不协调，风机运转工况点在高效区外，工况点效率仅为56%，不仅运行效率低且及不经济。因此，需要采用变频调速技术控制风机转速，使风机工况点一直位于高效区内，降低通风机能耗。
2.2变频调速方案
根据所选通风机型号，变频器在能达到拖动风机负载的同时，还需采用多脉波整流输入，以此抵消变频器工作时产生的不利于转速调节的谐波。因此变频器的型号选择为RHVC-A10/7400-F。为满足井下正常通风，给两台井下对旋轴流风机各配置一台变频器，通过联络柜将两个变频器线路相接，从而形成双变频器一用一备系统。通风机双变频器的特点：一台通风机工作时，其变频器开始运行，另一台变频器暂时断路已作备用；若一台通风机的变频系统出现故障，系统会自动将线路通过旁路系统切换至备用变频系统上，使得风机能正常调速作业；整个系统都为自动化操作，系统安全性高。避免了人为的操作失误引起的设备异常；运用高压变频启动装置及多脉波整流输入，可随时根据井下通风参数的变动，配合叶片角度的调整来控制通风机的最佳转速，使得通风机工况点一直处于高效区内，大大提高其工作效率。安装好变频调速系统后，在通风容易时期，系统根据井下所需风量、负压等参数及通风机风压比例定律得出风机的最佳工况点。由矿井通风特性管网曲线变化可看出当变频器将通风机电机的转速调整至530r/min时，通风容易时期通风机的工况点位于高效区内，其工况运行效率可达到82%，相比于未变频调速前的风机工况运行效率提高了26%。
2.3节能效果分析
（1）节电量计算。通风机未调速前，其电机电源频率为56HZ，转速n=742r/min，风机提供风量Q=94.5m3/s，平均风压1976.45Pa，效率η=0.56，按每年365d，每天风机全天工作，既24h计算通风机未变频调速前的年耗电量为3.09×106kW•h。经过变频系统调速后，通风机电机的转速n降低为530r/min，所需风量及平均风压不变，风机效率提高，η=0.82，计算出采用变频调速后的年耗电量为2.32×106kW•h。得出矿井通风机的年节电率达24.92%。（2）经济效益分析。①直接经济效益。按每度（kW•h）电的价格为0.5元，变频调速后的主通风机每年可节约生产成本38.5万元。两台RHVC-A10/7400-F型变频器的成本约为100万元，则最多两年半便可收回变频器的成本。②间接经济效益。使用了变频调节技术后，实现了通风设备的软启动和软停止，使得通风机整个运转过程平稳，降低了设备磨损，有效延长了设备的使用寿命，间接降低了设备的维修及更换成本。
3结语
（1）矿井通风机由于井下风量及风压的变化，其工况点常处于高效区外，工作效率低，且能耗较大，经济成本高，一般调节通风机转速的方法无法有效达到节能的目的，因此需采用易操作、成本低、精度高的变频调速技术来控制风机转速。（2）在某矿主通风机安置了变频调速装置后，实现了对通风机转速的灵活控制，提高了通风机的工作效率，每年直接节约经济成本38.5万元。不仅直接降低了企业的能耗成本，而且间接延长了设备的使用寿命，提高企业经济效益的同时，保障了井下的正常通风需求。
作者:萧宇 单位:山西省大同市云冈区永定庄煤业公司
