煤矿企业是中国用电大户，其生产所用的主要机电设备耗电所占其用电比例相当大，像矿井主通风机、压风机、主排水泵、主副井提升机及瓦斯泵站等大型机电设备(俗称“五大件”)用电负荷基本占到煤矿生产用电量的60%以上。
以2012年中国煤炭生产为例，全年产煤38.7×108 t，但全年用电量为376×108 kW˙h，用电量占全国用电量3.49%，吨煤用电成本仍相比国外高许多。从数据分析来看，中国煤炭企业既是产能大户，同时也是耗能大户，但节能空间也潜力巨大。
1、变频器介绍
1.1变频器
随着电子元器件科技水平不断发展，绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)被广泛应用，科技人员通过改变电机工作电源频率的方式来达到控制交流电动机的电力控制，即使得变频器顺利诞生。变频器的组成单元主要有整流单元、滤波单元、逆变单元、制动单元、驱动单元、检测单元、微处理单元7个单元组成。变频器通过控制其内部IGBT开断来调整其输出电源的电压和频率，匹配电机实际需要的电源电压，从而达到节能及调速的目的。
1.2变频器的主要用途
变频器主要用在设备的大功率配套电机上，像大型风机，如煤矿主通风机、军工风动风机等设备，还有一些大型水泵，如煤矿主排水设备等。为能使在这些机械与电气设备中配套的电机满足使用要求，其功率参数一般选择都留有一定裕量。当电机正常运转下，其正常功率在满足机械设备动力驱动外，多余转矩造成了有功功率消耗，使得电能无端浪费。这些设备往往通过机械方式来满足所需功率要求，如风机通过调节机身入口或出口挡板、水泵通过调节入口或出口的阀门开启角度等来调节风、水的流量、压力等参数，这些都是典型大马拉小车的配套方式。这种配套方式，通过人为增加阻力，并以浪费电能为代价来满足使用条件的做法，与中国节能减排及“十二五”规划背道而驰。当电机使用变频调速时，只要通过降低风机或水泵的转速即可满足要求。
2、变频器在煤矿主通风中的应用
2.1风机变频改造方案
煤矿主通风机设备大多依据矿井用风满负荷进行设备选型，实际应用中，风机大部分时间并未处于满负荷状态运行。采用变频器后可通过变频直接控制风机启动，利用变频器PID(比例积分微分控制)对电机进行调速以得到所需恒定风量，满足矿井不同时段的风量需求。
2.2 风机变频调速节能原理
主通风机的转速从nl变为n2时，风量、风压及功率有以下公式：
Q2=Q1(n2/nl)，(1)
H2=H1(n2/nl)2，(2)
P2=P1(n2/nl)3，(3)
式(1)～(3)中，nl、nl分别为变频前后的主通风机转速，r/min;Q1、Q2分别为变频前后的每分钟风量，m3/min;H1、H2分别为变频前后的风机风压，Pa;P1、P2分别为变频前后的风机功率，kW[1]。
由(1)～(3)式可知，风机风量与电机转速比成正比，风机风压与电机转速比的二次方成正比，风机功率与电机转速比的三次方成正比，因此，可推出表1数据。
表1 风机数据关系比因素表 %
流量转速压力功率节约能源
1001001001000
90908172.927.1
80806451.248.8
70704934.365.7
60603621.678.4
50502512.587.5
4040166.493.6
从表1风机数据关系比因素表中可看出：当工况时间风量下调时，通过调节风机电机转速比可节约大量电能。如井下开拓延伸暂时需满负荷80%风量时，通过变频，仅需电机额定功率的51.2%就可满足井下使用，大概可节约近一半电量。如果采用机械调节方式，未采用变频技术，就白白耗费了大量电能。
2.3 主通风机采用变频后的优点
a) 采用变频器控制电机转速，取消机械挡板等调节装置，节能效果明显;
b) 采用变频器控制电机，可低功率启动电机，实现了电机软启，避免对电网冲击;
c) 变频器具有过载、过压、过流、欠压、电源缺相等自动保护功能。
3、变频器在阳煤一矿主通风机中的应用
3.1国内变频器发展状况
整个高压变频器市场没有出现持续爆发式增长，但中国变频器品牌已涵盖了几乎所有领域，相对国际品牌有巨大的价格优势。
本文就合康变频在阳煤集团一矿中的应用做简单介绍及分析。
3.2 合康变频器
合康变频公司成立于2003年，2006年成为高压变频器国家标准起草单位之一，其凭借雄厚的技术实力、领先的生产工艺，树立了国内变频节能和控制专家的形象，成为行业领军企业，其变频器主要分为高压及中低压变频器系统。
高压变频系列分为通用高压变频器和高性能高压变频器两大系列。其中，通用高压变频器通过调节电机转速实现节能目的，主要应用于电力、矿山、冶金、水泥、石化、市政等领域的风机、泵类传动控制;高性能髙压变频器运用矢量控制及能量回馈技术，具备恒转矩、动态响应快、调速精度高、调速范围宽、快速制动等特点，可实现负载制动时能量反馈回电网，适用于矿井提升机、轧机、船舶驱动及高速机车主传动等高端领域。本文所述主要就是其通用高压变频器在煤矿主通风机中的应用。
3.3 合康变频器的应用
阳煤集团一矿主通风机选用轴流通风机，电动机启动方式采用变频最佳。电动机启动时端子电压不仅要保证通风机启动转矩要求，还需同时在配电母线上引起的压降不影响同一母线上其它用电设备正常工作，且电动机启动还须满足电动机制造厂的启动要求[2]。
该系统控制单元主要由变频电源柜(K1、K4)、变频器(BP1、BP2)、变频输出柜(K3、K6)、工频应急柜(K2、K5)四部分组成。系统中K1、K4电源柜是变频器单元供给单元，合闸则提供电源，断闸则断开电源;BP1、BP2为变频控制系统核心单元，分别对1号、2号主通风机电机进行调速;K3、K6变频输出柜主要起输出侧隔作用。K2、K3及K5、K6断路器分别相互闭锁，非工况下严禁K2、K5合闸。在BP1、BP2变频器出现故障或检修时，可闭合K2、K5实现同步自动切换功能，保证主通风机在工频状态下运行，不中断矿井通风需求(工频应急系统作为变频调速的后备系统)。该系统两套变频器，1个正常使用1台备用，变频运行时，对应工频应急柜必须处于断开状态。
3.4 投用主通风机变频调速装置使用效果分析
该矿采用合康HIVERT-Y06/600变频对主通风机设计，自投运以来，该变频器的使用收到了良好效果。具体优点如下：
a) 减少了对电网的冲击，并同时具备软启动功能[3]。变频器使用使得电机启动电流不超其额定电流，启动时间相应延长，对电网无冲击，启动平稳，低速运行，风机的振动、噪音和温度明显降低，延长了电机及风机的使用寿命，进一步提高了主扇风机安全性;
b) 备用工况回路增强系统安全性。如果变频系统出现故障，为保障风机不间断运行，可将其切换到工频运行，保证主通风机不停风;
c) 高压变频器采用单元串联多电平方式，谐波成分小，功率因数高。采用计算机进行过程控制，安全可靠，维护量小;
d) 节电效果显著。一般机械调风装置的主要通风机运行效率在55%以下，而采用变频调速装置后，风机效率可提高到78%以上，尤其在矿井基建中前景广阔。
4、结语
阳煤一矿主通风机采用变频技术后，风机启动速率更平稳，运行电流明显减小，具有很明显节电能力;同时实现电机软启动功能，避免了用工频启动时大电流大转矩对电网的冲击，不仅延长了电机等设备的使用寿命，也减轻了轴承磨损，提高了设备可靠性。在矿上通风机设备通过变频改造后，不仅在性能上得到很大提升，且有利于实现自动化及无人值守。虽然变频改造需要很大成本，但改造费用可通过节省电费收回。
参考文献：
[1] 王志甫.矿山固定机械与运输设备[M].徐州:中国矿业大学出版社,2006.
[2] 张建国,梁南丁.矿山固定设备电气控制[M].徐州:中国矿业大学出版社,2008.
[3] 王 超,郑 波.浅谈煤矿主通风机的启动方式[J].煤炭技术,2013(8):363-364.
原标题：高压变频器在煤矿主通风机设备上的应用
