一、系统概述

煤矿矿井通风系统是煤矿矿井安全生产的重要组成部分,煤矿矿井通风系统能否正常工作与矿井内工作环境条件、生产效率、安全生产密切相关。主扇风机是通风系统的主要组成部分，是矿山主要动力设备之一，要求24小时连续运行，并且必须安装两台同型号风机，一台工作，一台备用。备用风机必须能在10min内正常启动。作为机械化程度不高的煤矿，主扇风机的耗电量约占全矿总电耗的20-40%。

本方案主风机是按照矿井最大需风量选择的，随着矿井生产的发展，矿井需风量将逐步减少，并且一年四季的变化，也需要矿井风量灵敏调节。这一切都是确保矿井通风符合矿井风量要求。

设计采用可靠的数字化仪表、变频器对系统进行技术改造，提高风机运行的稳定性和安全性、节能性。本系统设计改造分两步实施：先期采用可靠的数字化仪表、传感器及变频器对系统进行变频节能改造，系统形成简单易操作的手动调节环节，预留PLC监测及闭环自动控制端口和数字化网络接口。

二、系统原理

为了降低煤矿生产成本，满足生产需要，又适应扩大再生产的要求，必须对风机进行调节控制，现有的风机调节措施有以下几种：

1、节流调节

就是利用调整闸板的开度而改变流量的调节法。这种方法最简单，但对轴流风机的运行稳定性影响很大，并有可能出现“喘振”现象，更谈不上节能要求。

2、更换、削短叶片及改变叶片角度调节

削短叶片或频繁更换叶片对小型矿山来说是不现实的，而改变叶片角度调节风量的范围受到一定限制，满足不了煤矿风机能大范围调节的要求。

3、改变转速调节

变速调节，风量的减少是靠降低风机转速而使风机压力特性降低来达到的，调节范围可达20%-100％，流量与转速的关系为：

n2 /n1 = Q2 / Q1

这种调节方法没有附加阻力而引起的能量消耗，所以效率较高，转速调节又分为几种：

(1)选用变速电机，FBDCZ-6-NO17风机选用2*7５ＫＷ电机，额定电流达150Ａ左右，用变速电机是不可能的。

(2)采用大范围减速装置传动，这种方法虽可变速，但电机并不节能，并且整机效率降低，更满足不了灵活、调速之要求。

(3)固定电阻调速，FBDCZ-6-NO17风机选用的是鼠笼式异步电机，更换绕线式电机需更大投资，外加固定电阻器，虽然满足调速要求，但电能过多的消耗在固定电阻上，不能节能，更谈不上节约投资，并且整套设备庞大，技术落后。

(4)变频调速，交流变频调速是上世纪末迅速发展起来的一种新型电力传动调速技术，由于它是通过改变电源频率而调速，所以无需改造风机的机械部分，是鼠笼式电机调速效率最高的一种方式。变频调速作为一种新型的电力调速装置，已成熟地应用于工业生产的各个方面。它不但技术先进，调速平稳，启动容易，节能效果显著，而且容易操作，维护简单，而且保护功能齐全，与原控制系统互为备用，可方便的实现变频/工频切换。另外，利用我们山东科技大学雄厚的技术力量，将两台风机、四台电机用一套变频装置集中控制，既保证了矿山生产的安全，降低了生产成本，也大大提高了矿山的自动化水平。

风机变频调速装置的工作原理：对于交流电动机，转速n与频率f成正比[n=60f(1-S)/p  S为转差率，Ｐ为电机磁极对数]，连续调节电源的频率，便能方便地改变电机转速，并实现无级调速（平滑调速）整个变频调速装置由电源控制柜、半导体电子元器件构成的电力变换器和三相交流电流机组成。由于转速n与频率f成正比，而电机功率Ｐ与转速n的立方成正比，即n ∝ f 、Ｐ∝n3，所以能实现f-n-P的动态匹配，自动调节能耗，达到节约用电的目的，而整个电子调频装置的耗能可以忽略不计。

风机变频调速节能原理：对风机进行调速控制属于减少空气动力节能方法，比常用的调节风门开度控制风量的方式有着明显的节电效果，主要利用风机的轴功率与转速的三次方成正比原理。在保证矿井通风可靠性基础上，系统节能效果预计可达50%；井下六组局部扇风设备进行智能化工、变频技术改造，采用先进、可靠的监控基站和防爆变频装置实现对局部通风机的智能控制，系统运行节能率可达30%。

风机采用变频调速器的特点：

A.节电效果明显：

据经验数据推算，以４极7５ＫＷ电机现阶段以40HZ、1100r/min转速左右运行，电机实际功率是P2=P1*N23/N13=75*11003/14503=32.7KW，理论节电可达60%！我们按保守计算(节电40%), 变频改造后，日节电可达1440ＫＷh（2*75KW），年节电约为52.56万KWh，（工频运行日用电为3600ＫWh，年耗电量为131.4万ＫＷh）。

B.调速范围广

变频调速可方便的在f=10-50HZ范围内平滑调节，能可靠地运行于煤矿扩大再生产的全过程，操作简单，传动效率可达９０％以上，功率因数不低于0.95，寿命长，故障率低，并可有效减小风机机械磨损。

C.振动小，噪声低，延长设备寿命，改善工作环境

因为是无级调速，设备运行平稳，速度低，电控系统基本上是无噪声运行，风机噪声又随速度成正比降低，所以整套风机系统噪声会大大降低；同时设备平稳启动、停止，风机使用寿命明显延长，系统故障率明显降低。

D.起动性能优良

使用变频运行，司机只要按动按钮就可实现风机软起动。省略了司机繁锁的操作程序，消除了电机起动对电网的强大冲击影响。

E.可进行工频／变频切换，原电控系统与改造后电控系统互为备用，提高了风机运行的可靠性。

F.两台风机可共用一套变频装置（或实现一拖二），灵活切换。

G.系统实现双回路电源、双风机、通风/反风、工频/变频、单机/双机、前级/后级的灵活切换和可靠闭锁。

通过以上分析可知，煤矿风机电控调节方式最优方案是：采用变频调速装置。

在矿用通风机系列中，轴流式通风机系列中的双级对旋通风机，以其通风效率高、调节控制方便、运行噪声低、节能性优越等特点，普遍赢得矿山通风行业的推崇。特别是近年来BDK系列对旋式通风机行列中的新品FBDCZ系列矿用防爆节能通风机，成为矿山通风机选型设计中的首选。

三、系统方案

本系统设计改造分两步实施：先期采用可靠的数字化仪表及变频器对系统进行变频节能改造，系统形成简单易操作的手动调节环节，预留PLC监测及闭环自动控制端口和数字化网络接口。

为确保通风系统安全运行、检修方便，本方案设计矿井主通风系统（两台风机，一用一备）采用І#/П#风机、前级/后级、工频/变频分别设柜、灵活转换，保留系统原双电源柜，原工频柜作为备用。系统采用壹台MICROMASTER（西门子）INVT-CHF55KW变频器（一拖二）；为保障系统可靠运行特采用工频/变频双回路以作备用；系统实现风机转速、电机运行频率、负压、电压、电流的数字化监控及显视；系统预留数字化网络接口，能够符合矿井信息化要求和自动升级要求。

图1风机变频控制系统方案（一拖二）图

图2 矿井风机数字化PLC变频控制系统组态图

本系统的发展前景及经济效益

节能、降耗，是每一个企业永恒的主题，特别在市场经济条件下。在煤矿行业中，可以明显发现某些项目节电比节煤的效益更好，降低用电率给发电厂和社会都带来更大的经济效益，在不多消耗燃煤的条件下，为社会提供更多地电力，风机作为矿山生产的主要设备，消耗大部分的能源，本系统采用PLC和变频器对风机进行节能控制，大大的降低了能源消耗，并且该系统调速范围广，噪声低，改善了工作环境，延长风机的使用寿命，启动性能优良，工、变频转换灵活，因此本系统的发展前景非常广阔。采用本系统以后，矿山生产的效率提高，经济效益也会有很大提高。