隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電力通信技術(shù)等的進(jìn)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(shí)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(shí)踐工作可知，交流電機(jī)采用變頻調(diào)速技術(shù)升級(jí)改造后其通?？梢垣@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(jìn)的不斷延伸，礦井巷道也變得越來越長，為了滿足井下通風(fēng)需求，需要增加通風(fēng)風(fēng)機(jī)的功率容量，這樣大功率的電機(jī)直接起動(dòng)對(duì)煤礦配電網(wǎng)沖擊非常大，加上井下作業(yè)面需求風(fēng)量波動(dòng)較大，采用常規(guī)繼電器直接控制方式會(huì)導(dǎo)致大量電能資源浪費(fèi)。目前，大功率交流電機(jī)采用變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行升級(jí)改造，已成為當(dāng)代電機(jī)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(xué)技術(shù)的進(jìn)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(dòng)性能和調(diào)速平穩(wěn)性能得到大大提高，減少了電機(jī)起動(dòng)對(duì)煤礦配電網(wǎng)的沖擊。因此，結(jié)合煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)際情況，采取變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)原電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)升級(jí)改造，就顯得非常有意義。

　　1　電機(jī)變頻調(diào)速控制原理

　　煤礦井下通信系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)，由于受當(dāng)時(shí)建設(shè)技術(shù)水平和綜合投資資金的制約，存在電源浪費(fèi)嚴(yán)重等問題。采取基于PLC與變頻器的變頻調(diào)速技術(shù)升級(jí)改造，可以達(dá)到節(jié)能降耗的目的。電機(jī)拖動(dòng)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(jī)，如永磁同步電機(jī)；另一種是采用變頻調(diào)速等控制系統(tǒng)來動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電機(jī)輸入電源頻率，達(dá)到風(fēng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)輸入與輸出間的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)平衡，進(jìn)而達(dá)到電機(jī)調(diào)節(jié)運(yùn)行節(jié)能降耗的目的。基于PLC與變頻器的電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)具有體積小、重量輕、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、控制精度高、功能強(qiáng)、可靠性高、操作維護(hù)簡單便捷、兼容性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，要明顯優(yōu)于以往常規(guī)電機(jī)調(diào)控模式，使用它除了具備調(diào)速穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)外，還可以節(jié)約大量電能資源。

　　風(fēng)機(jī)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)矩）同電機(jī)輸入電源頻率、轉(zhuǎn)差率以及電機(jī)磁極對(duì)數(shù)三個(gè)因素有直接關(guān)系。電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速可以表示為：

　?。?）

　　式（1）中：為電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)；為電機(jī)運(yùn)行實(shí)時(shí)電源頻率；為滑差。

　　從式（1）可知，對(duì)于交流電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)而言，要實(shí)現(xiàn)電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)在實(shí)際調(diào)節(jié)運(yùn)行過程中，具有較高調(diào)控穩(wěn)定精確性和節(jié)能經(jīng)濟(jì)性，可以采取三種方法，即改變電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)p、通過內(nèi)部轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻等改變電機(jī)的滑差率s、改變電機(jī)實(shí)時(shí)電源頻率f。改變電機(jī)磁極對(duì)數(shù)p和滑差率s，均需要改變電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這在很大程度上受到電機(jī)制造工藝、生產(chǎn)技術(shù)等因素的制約。而調(diào)節(jié)電機(jī)輸入電源的頻率f，不僅不需要改變電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而且只需要外加變頻器作為電機(jī)輸入電源的調(diào)控單元，就能完成對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。同時(shí)采用變頻調(diào)速后，能夠經(jīng)過變頻器和PLC的動(dòng)態(tài)調(diào)控，使整個(gè)電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)長期處于最優(yōu)工況，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。從技術(shù)性、調(diào)節(jié)運(yùn)行節(jié)能經(jīng)濟(jì)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(jī)節(jié)能降耗工程中常采用的技術(shù)措施。

　　2　電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)變頻調(diào)速節(jié)能改造的技術(shù)要點(diǎn)和功能效果

　　煤礦通風(fēng)系統(tǒng)中的風(fēng)機(jī)電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)采用基于PLC與變頻器的變頻調(diào)速技術(shù)升級(jí)改造方案中，其節(jié)能改造實(shí)現(xiàn)的基本控制要求包括以下兩個(gè)方面：

　?。?）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(fēng)機(jī)電機(jī)拖動(dòng)控制系統(tǒng)中的電腦主機(jī)、計(jì)時(shí)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(jìn)行技術(shù)升級(jí)改造過程中，不能改變風(fēng)機(jī)電機(jī)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(yùn)行性能參數(shù)。

　?。?）在變頻調(diào)速節(jié)能運(yùn)行過程中，當(dāng)風(fēng)量檢測(cè)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，變頻調(diào)速控制系統(tǒng)將以電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)上限頻率進(jìn)行恒功率運(yùn)行，以確保系統(tǒng)最大的風(fēng)量。當(dāng)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，能夠發(fā)出聲響及指示燈指示，提醒運(yùn)行管理人員進(jìn)行相關(guān)設(shè)備性能檢查，同時(shí)起動(dòng)原控制系統(tǒng)（如軟起動(dòng)、繼電器直接起動(dòng)等）。

　　風(fēng)機(jī)電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)采用變頻調(diào)速控制技術(shù)升級(jí)改造后，能夠取得較好的節(jié)能經(jīng)濟(jì)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?；赑LC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(dòng)態(tài)平滑節(jié)能調(diào)節(jié)控制。

　　（2）實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)誤差較小，精度較高?？梢赃_(dá)到±0.5%的誤差范圍。

　?。?）電能利用效率較高。電機(jī)轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到96%以上，同時(shí)電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)功率因素可以達(dá)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(fù)擔(dān)，提高了供電系統(tǒng)的供電可靠性。

　?。?）具備軟起動(dòng)功能。能夠有效抑制電機(jī)起動(dòng)沖擊電流，確保電機(jī)起動(dòng)具有較高安全可靠性，可以延長電機(jī)拖動(dòng)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(jìn)行技術(shù)升級(jí)改造后，比常規(guī)繼電器直接起動(dòng)控制系統(tǒng)，其節(jié)能節(jié)電效率通常可以達(dá)到30%以上。

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

　　3.1　電機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能改造方案

　　一大型煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)中共采用3臺(tái)通風(fēng)機(jī)（按照兩用一備控制模式設(shè)計(jì)），其進(jìn)口溫度為22℃，進(jìn)口壓力為99.12kPa，升壓為68kPa，軸功率為207kW，配置異步電動(dòng)機(jī)型號(hào)為Y355M1-2-220kW/380V F級(jí) IP55，功率為220kW。為了提高煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性，結(jié)合煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行工況，按照“最小改動(dòng)、最大可靠性、最優(yōu)經(jīng)濟(jì)性”等改造原則，對(duì)煤礦井下通風(fēng)電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)升級(jí)改造。決定采用基于PLC與變頻器的變頻調(diào)速控制對(duì)煤礦井下通風(fēng)電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)升級(jí)改造，為了分析改造經(jīng)濟(jì)效益，決定1#風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速運(yùn)行方式，2#風(fēng)機(jī)采取工頻運(yùn)行方式。

　　3.2　電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)變頻調(diào)速升級(jí)改造節(jié)能效益分析

　　在各項(xiàng)運(yùn)行技術(shù)指標(biāo)和環(huán)境均相同的情況下，1#風(fēng)機(jī)與2#風(fēng)機(jī)相比，1#風(fēng)機(jī)其調(diào)節(jié)運(yùn)行工況性能要更加平滑穩(wěn)定，平均運(yùn)行電流降低到326A，比工頻運(yùn)行額定電流的408A要直接降低82A，理論節(jié)電效率為：，實(shí)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(fēng)空調(diào)系統(tǒng)電機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能控制技術(shù)原理，對(duì)煤礦井下通風(fēng)電機(jī)拖動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)升級(jí)改造，使井下通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行更加安全可靠和節(jié)能經(jīng)濟(jì)，同時(shí)煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)電機(jī)拖動(dòng)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(fēng)系統(tǒng)具體節(jié)能改造工程的節(jié)電經(jīng)濟(jì)效益分析計(jì)算，可以得出煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)變頻調(diào)速升級(jí)改造的節(jié)能優(yōu)越性。對(duì)煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的變頻調(diào)速節(jié)能升級(jí)改造，這個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性得到了進(jìn)一步提高，井下通風(fēng)溫濕度指標(biāo)也能滿足實(shí)際煤炭開采需求。在現(xiàn)代變頻調(diào)速控制技術(shù)的進(jìn)一步完善和成熟下，變頻調(diào)速節(jié)能改造電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)將成為煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能升級(jí)改造的重要方法之一。