摘要：長期以來，煤礦由于受復雜的生產條件和環境影響，在礦用設備選型上都采用功率比較大的型號，電機全速運行，大馬拉小車現象非常普遍，耗能十分嚴重。如何以技術進步和技術創新為先導，降低企業的生產成本，提高勞動生產率是煤炭生產企業需要解決的迫切課題。
關鍵詞：高壓變頻器 礦用對旋軸流通風機 調速 節能

一、礦用對旋軸流通風機的變頻改造的必要性
長期以來，煤礦由于受復雜的生產條件和環境影響，在礦用設備選型上都采用功率比較大的型號，電機全速運行，大馬拉小車現象非常普遍，耗能十分嚴重。如何以技術進步和技術創新為先導，降低企業的生產成本，提高勞動生產率是煤炭生產企業需要解決的迫切課題。
煤礦主通風機是煤礦的四大主要設備之一，作為礦井主通風，它每天24小時不停地運轉，是整個礦井的“呼吸”系統。然而隨著開采及掘進的不斷延伸，巷道延長，所需的風量也將不斷增加，風機所用功率也將加大。四季的交替，冷熱的變化，所需的風量也需不斷調節。但煤礦原根據反風及開采后期運行工況所設計的通風機及拖動的電動機的功率，通常遠大于煤礦正常生產所需的運行功率。
礦井一般按開采各階段中通風最困難時期選擇風機型號。一般礦山選型時，按實際通風參數配備電機功率，計算方法如下：

N-所需電機功率，系指I，II級電機的總功率（kW）；
Pst－礦井最困難時期總阻力（Pa） ；
Q－礦井最困難時期總風量（m3/s）；
ηst－按Pst、Q參數查本樣本的實際運行工況效率；
K－功率貯備系數，一般取K＝1.1～1.15。
傳統的調節系統，是根據風量所需的多少，靠調節風門、葉片角度來實現的。從通風機選型的過程和煤炭生產的實際情況，通風機恒速運行存在以下幾個問題:
1．電能的嚴重浪費
大型煤礦的服務年限大多在幾十年以上，投產初期到井田穩定開采一般在十年以上，但是一般主扇風機設計上余量特別大，在相當長的時間主扇風機一直處在較輕負載下運行。由于煤礦主扇風機一般采用檔板調節，因此造成能源浪費，增加了生產成本。
　　2、啟動困難，機械損傷嚴重
　　主扇風機采用直接啟動，啟動時間長，啟動電流大，對電動機的絕緣有著較大的威脅，嚴重時甚至燒毀電動機。而高壓電動機在啟動過程中所產生的單軸轉矩現象使風機產生較大的機械振動應力，嚴重影響到電動機、風機及其它機械的使用壽命。
　　3、自動化程度低
　　主扇風機依靠人工調節檔板，更不具備風量的自動實時調節功能，自動化程度低。在故障狀態下，如風流短路，將對礦井正常生產造成嚴重影響。
　 變頻調速器作為一種新型的電力變換裝置，已成熟地應用到工業生產的各個方面，不但啟動容易，節能效果顯著，而且對電機保護功能齊全。因此，為保證礦井生產的安全，降低生產成本，提高自動化程度，對礦井通風機的變頻改造就成為勢在必行的工程了。
二、對旋軸流通風機的特點
兩級的軸流通風機中，有一種很好的設計方案。它是將一個葉輪裝在另一個葉輪的后面，而葉輪的轉向彼此相反，稱為對旋型軸流通風機，或對置式軸流風機。
煤礦對旋風機因其主要由該通風機采用兩級葉輪對旋式結構，兩級葉輪分別由容量及相同型號電動機驅動，兩個葉輪旋轉方向相反，從進風口看，第一級葉輪順時針方向旋轉，第二級葉輪則逆時針方向旋轉。當空氣流入第一級葉輪獲得能量后并經第二級葉輪排出，第二級葉輪兼備普通軸流風機中靜葉的功能，在獲得整直圓周方向速度風量同時，增加氣流的能量，從而達到普通軸流式通風機不能達到的高效率，高風壓。
它與普通軸流風機相比有以下幾個優點
1)可以省略導葉，因而具有較短的結構尺寸。
2) 傳動效率高。葉輪直接安裝在電機軸上，改變了傳統的傳動結構，既避免了傳動裝置的頻繁損壞，消除了能量損耗，也提高了風機裝置的傳動效率，同時也提高了使用效率。對旋軸流式通風機因為沒有靜葉,不存在靜葉損失,因此,其效率比普通通風機要高；
3) 對旋軸流式通風機具有較大的逆向送風量,其一般可達70%～80% ,而普通通風機的逆向送風量僅為30%～40%；
4)軸流對旋風機使用靈活。對旋風機兩級工作輪分別由兩臺電機驅動，因而對旋風機對應不同的使用狀態，可進行各式各樣的組合，使其中一級空轉可組成前導加動葉級或動葉加后導葉級，亦可配備一個靜葉作為附件，可以調節柵距以實現變風量調節。對旋風機可變轉速和兩轉子的轉速比來調節流量，這是對旋風機所特有的。
三、礦用對旋軸流通風機的變頻改造的案例
煤礦主通風機在煤礦的安全生產中起著至關重要的作用。礦井的瓦斯爆炸，與巷道的通風是否順暢，風量的充足與否都有著直接關系，一旦通風不暢，瓦斯濃度升高到一定程度，即會造成爆炸塌井，造成重大事故，危及礦工的生命安全。如此重要的安全生產關鍵設備，如果因某種故障而停機運行，將會給整個礦山的安全生產帶來巨大威脅，因此，要求與之配套的高壓變頻器必須具備非常高的可靠性才能夠滿足安全生產的要求。
神華寧煤集團汝箕溝煤礦在礦井通風系統技術改造中，東風井BD-Ⅱ-10NO24/2×200KW、西風井BD-Ⅱ-10NO30/2×280KW對旋軸流通風機選用了北京利德華福公司生產的HARSVERT-A系列高壓變頻器。2006年11月30日，正式投運，運行穩定，一般都運行在35～40Hz，節能效果良好。
（一）HARSVERT-A系列高壓變頻器具有以下技術特點：
HARSVERT-A系列高壓變頻調速系統采用單元串聯多電平技術，屬高-高電壓源型變頻器，直接6KV輸入，直接6KV高壓輸出。變頻器主要由移相變壓器、功率模塊和控制器組成。
1.功率模塊結構：功率模塊為基本的交-直-交單相逆變電力，整流側為二極管三相全橋，通過對IGBT逆變橋進行正弦PWM控制，可得到單相交流輸出。每個功率模塊結構及電氣性能上完全一致，可以互換。
2.輸入側結構：輸入側由移相變壓器給每個功率模塊供電，移相變壓器的副邊繞組分為三組，根據電壓等級和模塊串聯級數，一般由24脈沖系列、30脈沖系列、42脈沖系列、48脈沖系列等構成多級相疊加的整流方式，可以大大改善網側的電流波形（網側電壓電流諧波指標滿足IEEE519-1992和GB/T14549-93的要求）。使其負載下的網側功率因數接近1，無需任何功率因數補償、諧波抑制裝置。由于變壓器副邊繞組的獨立性，使每個功率單元的主回路相對獨立，類似常規低壓變頻器，便于采用現有的成熟技術。
3.輸出側結構：輸出側由每個功率模塊的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機供電，通過對每個單元的PWM波形進行重組，可得到階梯正弦PWM波形。這種波形正弦度好，dv/dt小，對電纜和電機的絕緣無損壞，無須輸出濾波器，就可以延長輸出電纜長度，可直接用于普通電機。同時，電機的諧波損耗大大減少，消除負載機械軸承和葉片的振動。
　　當某一個功率模塊出現故障時，通過控制使輸出端子短路，可將此單元旁路退出系統，變頻器可降額機械運行；由此可避免很多場合下停機造成的損失。
4.控制器：控制器由高速單片機、嵌入式人機界面和PLC共同構成。單片機實現PWM控制。嵌入式人機界面提供友好的全中文WINDOWS監控和操作界面，同時可以實現遠程監控和網絡化控制。內置PLC則用于柜體內開關信號的邏輯處理，可以和用戶現場靈活接口，滿足用戶的特殊需要。
　　控制器與功率單元之間采用光纖通訊技術，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統具有極高的安全性，同時具有很好的抗電磁干擾性能，可靠性大大提高。另外，交流220V控制電源掉電時，控制器可由配備的UPS繼續供電，（散熱風機電源取自移相變壓器）變頻器可以繼續運行。
（二）概括起來其主要應用效果如下：
1．變頻起動對電網沒有任何沖擊。由于變頻器改造后風機可以實現變頻軟起動，避免了起動電流的沖擊，不僅對電網沒有任何沖擊，而且還可以隨時起動或停止；
　　2．按需調節風量，避免浪費。進行變頻改造后，風機的送風量不再需要由風門來調節，而是由變頻器通過變頻調節風機的轉速來實現，調節范圍可以從0%—100%；因而可以根據生產需要隨意調節風量，減少了不必要的浪費；
　　3．變頻節能運行，節約了大量能源。由于變頻改造后不再使風機一直處于滿負荷工作狀態，節能率高達63%以上；
　　4．降低風機工作強度，延長使用壽命。進行變頻改造后，風機的大部分工作時間都在較低的速度下運行，因而大大降低了風機工作的機械強度和電氣沖擊，將會大大延長風機的使用壽命，降低維修強度；
　　5．可使電動機與風機直接相連接，減少傳動環節的費用；
　　6．電機和風機運轉速度下降，潤滑條件改善，傳動裝置的故障下降；
7．系統壓力降低，對管道的壓力和密封等條件緩解，延長使用壽命；
8．系統完善的監控性能和高可靠性提高了工作效率，減少了檢修和維護的工作量。
9．需要注意的是煤礦對旋風機變頻調速后，一般情況下要求兩臺電機的運行頻率盡量一致，從而保證電機轉速一致。避免一臺轉速高，一臺轉速低，形成風阻，影響風機的正常運行。
四、結束語
總之，礦用通風機采用變頻調速，不但實現了軟起停，節約了電能，而且可根據巷道的風量需求方便的進行調速，應用效果是十分理想的。我國的煤礦企業相當多，高壓變頻器在這一方面的應用應當是十分廣泛的。

參考資料：
1．《高壓變頻調速和斬波內饋調速在煤礦生產中的應用》，焦煤機電——2006省煤炭系統機電運輸經驗交流會論文
2．《HARSVERT-A高壓變頻器技術手冊》，北京利德華福電氣技術有限公司