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隨著電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)、電力通信技術(shù)等的進一步發(fā)展，變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)得到迅速發(fā)展且在工程實際應(yīng)用中發(fā)揮了良好的應(yīng)用效果。高性能的變頻調(diào)速節(jié)能裝置設(shè)備已被大量地引入到煤礦、鋼廠、電廠等工業(yè)領(lǐng)域。通過大量研究和實踐工作可知，交流電機采用變頻調(diào)速技術(shù)升級改造后其通常可以獲得30%～65%的節(jié)電效益。在煤礦開采過程中，隨著井下開采和掘進的不斷延伸，礦井巷道也變得越來越長，為了滿足井下通風需求，需要增加通風風機的功率容量，這樣大功率的電機直接起動對煤礦配電網(wǎng)沖擊非常大，加上井下作業(yè)面需求風量波動較大，采用常規(guī)繼電器直接控制方式會導(dǎo)致大量電能資源浪費。目前，大功率交流電機采用變頻調(diào)速技術(shù)進行升級改造，已成為當代電機節(jié)能調(diào)速控制的潮流，其節(jié)能節(jié)電效果十分明顯，加上科學技術(shù)的進一步發(fā)展，大功率、高電壓變頻器的制造成本也在明顯降低，變頻器起動性能和調(diào)速平穩(wěn)性能得到大大提高，減少了電機起動對煤礦配電網(wǎng)的沖擊。因此，結(jié)合煤礦井下通風系統(tǒng)的實際情況，采取變頻調(diào)速技術(shù)對原電機控制系統(tǒng)進行技術(shù)升級改造，就顯得非常有意義。

　　1　電機變頻調(diào)速控制原理

　　煤礦井下通信系統(tǒng)中風機電機拖動系統(tǒng)，由于受當時建設(shè)技術(shù)水平和綜合投資資金的制約，存在電源浪費嚴重等問題。采取基于PLC與變頻器的變頻調(diào)速技術(shù)升級改造，可以達到節(jié)能降耗的目的。電機拖動系統(tǒng)的節(jié)能通常有兩種方法，一種是直接采用節(jié)能電機，如永磁同步電機；另一種是采用變頻調(diào)速等控制系統(tǒng)來動態(tài)調(diào)節(jié)電機輸入電源頻率，達到風機拖動系統(tǒng)輸入與輸出間的實時動態(tài)平衡，進而達到電機調(diào)節(jié)運行節(jié)能降耗的目的。基于PLC與變頻器的電機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)具有體積小、重量輕、起動轉(zhuǎn)矩大、控制精度高、功能強、可靠性高、操作維護簡單便捷、兼容性強等優(yōu)點，要明顯優(yōu)于以往常規(guī)電機調(diào)控模式，使用它除了具備調(diào)速穩(wěn)定可靠的優(yōu)點外，還可以節(jié)約大量電能資源。

　　風機電機的輸出轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)矩）同電機輸入電源頻率、轉(zhuǎn)差率以及電機磁極對數(shù)三個因素有直接關(guān)系。電機輸出轉(zhuǎn)速可以表示為：

　　（1）

　　式（1）中：為電機的磁極對數(shù)；為電機運行實時電源頻率；為滑差。

　　從式（1）可知，對于交流電機拖動系統(tǒng)而言，要實現(xiàn)電機拖動系統(tǒng)在實際調(diào)節(jié)運行過程中，具有較高調(diào)控穩(wěn)定精確性和節(jié)能經(jīng)濟性，可以采取三種方法，即改變電機的磁極對數(shù)p、通過內(nèi)部轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻等改變電機的滑差率s、改變電機實時電源頻率f。改變電機磁極對數(shù)p和滑差率s，均需要改變電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這在很大程度上受到電機制造工藝、生產(chǎn)技術(shù)等因素的制約。而調(diào)節(jié)電機輸入電源的頻率f，不僅不需要改變電機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而且只需要外加變頻器作為電機輸入電源的調(diào)控單元，就能完成對電機控制系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)節(jié)。同時采用變頻調(diào)速后，能夠經(jīng)過變頻器和PLC的動態(tài)調(diào)控，使整個電機拖動系統(tǒng)長期處于最優(yōu)工況，達到節(jié)能降耗的目的。從技術(shù)性、調(diào)節(jié)運行節(jié)能經(jīng)濟性等方面來看，變頻調(diào)速控制較其他節(jié)能方案在可行性、可靠性、精確性等方面更加優(yōu)越，是電機節(jié)能降耗工程中常采用的技術(shù)措施。

　　2　電機拖動系統(tǒng)變頻調(diào)速節(jié)能改造的技術(shù)要點和功能效果

　　煤礦通風系統(tǒng)中的風機電機拖動系統(tǒng)采用基于PLC與變頻器的變頻調(diào)速技術(shù)升級改造方案中，其節(jié)能改造實現(xiàn)的基本控制要求包括以下兩個方面：

　　（1）節(jié)能控制系統(tǒng)應(yīng)具備抑制電磁干擾的相應(yīng)有效技術(shù)措施，能夠防止非正弦波干擾風機電機拖動控制系統(tǒng)中的電腦主機、計時器、傳感器等精密儀器設(shè)備的高效穩(wěn)定工作，也就是采用變頻調(diào)速控制系統(tǒng)進行技術(shù)升級改造過程中，不能改變風機電機控制系統(tǒng)的其他功能單元和元器件設(shè)備的正常穩(wěn)定運行性能參數(shù)。

　　（2）在變頻調(diào)速節(jié)能運行過程中，當風量檢測系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，變頻調(diào)速控制系統(tǒng)將以電機拖動系統(tǒng)上限頻率進行恒功率運行，以確保系統(tǒng)最大的風量。當變頻調(diào)速控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，能夠發(fā)出聲響及指示燈指示，提醒運行管理人員進行相關(guān)設(shè)備性能檢查，同時起動原控制系統(tǒng)（如軟起動、繼電器直接起動等）。

　　風機電機拖動系統(tǒng)采用變頻調(diào)速控制技術(shù)升級改造后，能夠取得較好的節(jié)能經(jīng)濟效益、延長使用壽命等功能效果，具體表現(xiàn)為：

　　（1）速度調(diào)節(jié)范圍較寬。基于PLC與變頻器的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，其控制可靠性和精確度較高，且其速度控制范圍較寬，理論上能夠?qū)崿F(xiàn)在1%～100%范圍內(nèi)的連續(xù)動態(tài)平滑節(jié)能調(diào)節(jié)控制。

　　（2）實時調(diào)節(jié)誤差較小，精度較高。可以達到±0.5%的誤差范圍。

　　（3）電能利用效率較高。電機轉(zhuǎn)換效率可以達到96%以上，同時電機拖動系統(tǒng)功率因素可以達到95%，節(jié)省了大量無功功率，降低了配電網(wǎng)變壓器的無功調(diào)節(jié)負擔，提高了供電系統(tǒng)的供電可靠性。

　　（4）具備軟起動功能。能夠有效抑制電機起動沖擊電流，確保電機起動具有較高安全可靠性，可以延長電機拖動系統(tǒng)的綜合使用壽命。

　　（5）節(jié)能節(jié)電效果十分明顯。采取變頻調(diào)速控制系統(tǒng)進行技術(shù)升級改造后，比常規(guī)繼電器直接起動控制系統(tǒng)，其節(jié)能節(jié)電效率通常可以達到30%以上。

　　3　電機拖動系統(tǒng)變頻調(diào)速節(jié)能改造效益分析

　　3.1　電機變頻調(diào)速節(jié)能改造方案

　　一大型煤礦井下通風系統(tǒng)中共采用3臺通風機（按照兩用一備控制模式設(shè)計），其進口溫度為22℃，進口壓力為99.12kPa，升壓為68kPa，軸功率為207kW，配置異步電動機型號為Y355M1-2-220kW/380V F級 IP55，功率為220kW。為了提高煤礦井下通風系統(tǒng)運行的可靠性、經(jīng)濟性、節(jié)能性，結(jié)合煤礦井下通風系統(tǒng)的實際運行工況，按照“最小改動、最大可靠性、最優(yōu)經(jīng)濟性”等改造原則，對煤礦井下通風電機拖動系統(tǒng)進行技術(shù)升級改造。決定采用基于PLC與變頻器的變頻調(diào)速控制對煤礦井下通風電機拖動系統(tǒng)進行技術(shù)升級改造，為了分析改造經(jīng)濟效益，決定1#風機采用變頻調(diào)速運行方式，2#風機采取工頻運行方式。

　　3.2　電機拖動系統(tǒng)變頻調(diào)速升級改造節(jié)能效益分析

　　在各項運行技術(shù)指標和環(huán)境均相同的情況下，1#風機與2#風機相比，1#風機其調(diào)節(jié)運行工況性能要更加平滑穩(wěn)定，平均運行電流降低到326A，比工頻運行額定電流的408A要直接降低82A，理論節(jié)電效率為：，實際節(jié)電效率為43%，節(jié)能節(jié)電效果十分明顯。

　　4　結(jié)語

　　根據(jù)通風空調(diào)系統(tǒng)電機變頻調(diào)速節(jié)能控制技術(shù)原理，對煤礦井下通風電機拖動控制系統(tǒng)進行技術(shù)升級改造，使井下通風系統(tǒng)運行更加安全可靠和節(jié)能經(jīng)濟，同時煤礦井下通風系統(tǒng)電機拖動設(shè)備的綜合使用壽命也得到延長。結(jié)合一大型煤礦井下通風系統(tǒng)具體節(jié)能改造工程的節(jié)電經(jīng)濟效益分析計算，可以得出煤礦井下通風系統(tǒng)變頻調(diào)速升級改造的節(jié)能優(yōu)越性。對煤礦井下通風系統(tǒng)風機電機拖動系統(tǒng)的變頻調(diào)速節(jié)能升級改造，這個通風系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性得到了進一步提高，井下通風溫濕度指標也能滿足實際煤炭開采需求。在現(xiàn)代變頻調(diào)速控制技術(shù)的進一步完善和成熟下，變頻調(diào)速節(jié)能改造電機拖動系統(tǒng)將成為煤礦井下通風系統(tǒng)節(jié)能升級改造的重要方法之一。