矿井压风机节能运行研究

高希睿

（山西汾西宜兴煤业有限责任公司， 山西 孝义 032300）

引言

在矿井生产作业中，压风机与通风机的能耗占据矿井能耗总量的三成以上，其中压风机能耗大的原因在于恒转速运行。虽然借助电机节电装置和变频技术能够一定程度上实现节能，但由于压风机所使用交流异步电机存在启动性不佳、调速效率低、能耗大等缺点，节能效果相对有限。因此，有必要进一步针对压风机的节能控制开展分析探究，使其能耗得到降低。

1 传统控制方法节能分析

常规压风机采用交流异步电动机进行驱动，其调控方式主要有间歇启停、阀门调节及溢流调节等形式。假设矿井活塞式空压机选用132 kW异步电机进行驱动,则电机启动的控制方式为先关闭进气阀门，然后开启放气阀门，借助星三角降压启动的方式启动电机，待电机达到额定转速后，闭合放气阀门并开启进气阀门，随后压缩机启动工作。将溢流阀上限设定为0.5 MPa，则即使生产用气量和空气压力持续变化，但只要超过设定的上限值，则溢流阀可始终保持溢流，电动机维持额定压力与转速运行[1]。

运行时按照预定程序依次对各个仪表进行检测，并结合现场压力值，对各阀门和电机运行进行手动调节。通过手动调节的方式，压风机进行卸荷运行时不会生成压缩气体，电机保持空载运行。图1所示即为卸荷空载运行时的监测示意图，三相电流峰值为82 A，有功功率最大值为25 kW，单位时间（1 min）耗电量为 0.34 kW·h。

图1 卸荷空载运行时能耗监测示意图

采用手动方式对电机启动进行控制，则压风机供气量无法实现持续的动态调控。当井下用气量出现频繁变化时，高频操作可能造成失误的发生，从而使设备受损。此外，依靠手动调控的方式启停压风机，容易对电网和空压机造成较大的冲击。图2所示即为星三角降压启动监测示意图，降压启动的三相电流最大值为400 A，是设备运行额定电流的2倍。

图2 星三角降压启动时能耗监测示意图

采用交流异步电机进行驱动的压风机，进气阀门开启程度一般控制在1/3～2/3范围内。下页图3所示进气阀门开启1/3时的能耗监测示意图，有图片可知，三相电流最大值可达170 A，有功功率最大值为98 kW，单位时间（1 min）耗电量为0.16 kW·h。

2 开关磁阻电机节能运行分析

基于压缩机与开关磁阻电机运行原理，可获得下述关系式：

图3 进气阀门开启1/3时能耗监测示意图

式中：V 为排量，m3；qt为单位时间风流流量，m3/min；pt为 t时瞬时压力，Pa；nt为 t时瞬时转速，r/min；Mt为 t时瞬时转矩，N·m；it为 t时瞬时电流，A；Kt为 t时瞬时力矩系数；Pt为t时瞬时输入功率，kW；η为系统运行效率[2]。

分析式（1）（2）（3）（4）可知，压风机风量 qt同转速nt存在正比例关联，通过调控转速便能够实现对风量的调控；压风机风压pt同转矩Mt及电流it的平方之间存在正比例关联，通过调控电流it的斩波值便能实现对风压pt的调控；电机输入功率Pt同转速nt和风压pt的乘积存在正比例关联，若风压保持稳定，则通过调节输入功率便能实现对转速的调节。

对转速nt和风压pt数值进行实时监测，并依照上述公式对压风机电机转速和作业电流进行实时数字化调控，从而实现对压风机运行风压与风量的实时数字化调控，最大化规避多余能量的不必要损失，从而确保节能控制效果的最佳化[3]。

图4所示即为可完成上述控制目标的磁阻开关电机及配套控制系统结构示意图。将压力表同电动机控制端的模拟量输入模块相连，通过光电隔离的方式实现角位移同可编程逻辑器的相连，同时借助软件转化相关数据，控制转速，实现压风机风量和风压的全封闭反馈调控。其中转速的调控是SRD控制装置借由IGBT驱动控制电路的导通，对电流斩波值的开闭进行调控而实现。

3 压风机节能运行监测分析

压风机在开关磁阻电机的驱使下将进气阀门开至最大，使用数字压力表对运行压力值进行监测并实时反馈至控制中心。调高溢流阀压力，当压力值高于设定值时，电机电流数值降低，促使压力保持稳定，不发生溢流现象，从而避免阀门调节的情况下保证压风机持续保持节能作业。

图4 磁阻开关电机及配套控制系统结构示意图

压风机启动时，开关磁阻电机带载启动，开展调速运行。选用数字功率计进行监测，20 s实现带载启动，转速由0增加至1 000 r/min。其中转速为350 r/min时，三相电流峰值为153 A，有功功率最大值为 90 kW，单位时间（1 min）耗电量为 0.54 kW·h，如图5所示；当转速介于500～630 r/min加速运行阶段时，三相电流峰值自100 A迅速提升至116 A，有功功率最大值自45 kW迅速提升至58 kW，单位时间（1 min）耗电量为0.88 kW·h，如图6所示；当转速介于820～930 r/min加速运行阶段时，三相电流峰值自146 A迅速提升至165 A，有功功率最大值自75 kW迅速提升至89 kW，单位时间（1min）耗电量为0.136 kW·h，如下页图7所示，功率消耗同公式（3）相符[4-5]。

通过图5—图7的电能波形分析可知，使用开关磁阻电机调速运转时，低俗运行阶段，电机能耗出现显著下降。对比分析开关磁阻电机使用前后，压风机能耗数据可知相较于异步交流电机，可节能50%以上[6]。

图5 压风机350 r/min时能耗监测示意图

图6 压风机500～630 r/min时能耗监测示意图

图7 压风机820～930 r/min时能耗监测示意图

4 结语

常规压风机电机运行时由于时刻保持恒速运行会造成严重的能量浪费现象。开关磁阻电机及配套控制系统能够基于压风机风量、风压同其转速、电流间的关联性，对压风机的运行进行数字化调控，从而最大化规避能量损失，充分节约能耗。