翟伟涛

（晋能控股装备制造集团智能制造事业部， 山西 晋城 048000）

引言

山西煤矿煤层赋存条件复杂多变且瓦斯含量高，随着开采深度的增大煤层瓦斯压力增高，煤层透气性降低，地质构造复杂，煤层瓦斯不易在开采前抽放，在采掘过程中瓦斯排放量大、速度快，瓦斯突然涌出和不均匀涌出事件频率增加。因此，在我国煤矿生产条件下要防治瓦斯事故的发生，必须对瓦斯的不均匀涌出状况进行及时监测、正确分析并实施调控，提高通风系统可靠性和应变能力。

1 煤矿局部通风系统

在新建、扩建或者生产矿井中，都需要开掘大量的井巷工程，以便准备开拓系统、新的采区及新的工作面。在掘进巷道时，为了稀释并排出掘进工作面涌出的有害气体及综掘时产生的矿尘，创造良好的条件，保证作业人员的健康与安全，就必须不断地对掘进工作面进行通风，应用局部风机将新鲜空气送入掘进工作面，同时将工作面中的污浊空气排出，这种通风称为局部通风。

以晋能控股煤业集团寺河矿煤业为例，因寺河矿是煤与瓦斯突出矿井，为了保证局部通风机的安全性，一般采用压入式通风，利用局部通风机将新鲜风流吸入，经风筒送至掘进工作面，污风由巷道直接排出，不通过局部通风机，这样由风筒吹出的射流清洗工作面的能力强，通风效果好，缺点是排放时间长，所需风量多[1-2]。压入式通风如图1 所示。

图1 压入式通风

2 煤矿局部通风机的节能现状

据统计，我国煤炭工业综合电力消耗56.18 kW·h/年，年耗电325 亿kW·h/年。主要电力消耗为矿井提升机、各类风机、水泵系统，仅通风机和排水泵两项耗电占生产耗电的44%，通风耗电占15%～25%，排水泵耗电占10%～30%.

目前，大多数的风机变速机构比较落后，多数采用调节门调节风量，随着技术的进步，尽管有的风机内效率较高（达86%以上），但是其综合效率却不足30%，造成了大量的电力损耗，随着变频器在风机中的应用，大大提高了风机的运行效率，但是应用的数量极其有限。

利用变频器可以根据电机负载的变化实现自动、平滑的增速和减速，与其他调速技术相比，主要有以下特点：节能效果显著；控制精确，调速平滑性好，调速范围宽，工作效率高；气动电流小，对电网干扰较小；保护功能强，有欠压、过压、过流、过载、短路等多种保护。

随着电力电子技术的不断发展，变频调节技术日益成熟，变频器技术迅速发展，变频器在自控领域都得到了广泛的应用。但是由于煤矿生产的特殊环境和安全上的特殊要求，变频器在煤矿的应用起步比较晚。目前晋能控股装备制造集团旗下已有多个专业变频器生产企业，但井下的变频器应用案例多为井下中重型装备，在风机、水泵及空压系统上应用较少，煤矿的节能潜力仍然巨大。

3 煤矿智能局部通风机控制系统的实现

智能控制系统的基本工作流程为：安装在掘进工作面附近的瓦斯传感器根据工作面瓦斯浓度，将瓦斯浓度信号转变成电信号，经采集与放大电路模块放大后输入到PLC 的输入口，经PLC 分析处理与相应的运算处理后，与设定的瓦斯浓度进行比较，PLC 按照程序设置计算出所需供应风量，经通讯将控制命令发给变频器控制单元，控制变频器工作给局部通风机供电，从而实现智能通风。控制系统结构如图2 所示。

图2 控制系统结构图

4 变频调速系统控制方式的选用

在实际的生产中，因变频器的选型和电动机的种类，会出现多种的变频器调速方案。综合考虑设备的稳定性与经济性的情况，只论述使用交—直—交变频器和三相异步电动机的情况。

1）开环控制的通用变频器三相异步电动机变频调速系统控制图如图3 所示。

图3 开环异步机变频调速

2）无转速反馈机制的矢量控制变频器三相异步电动机开环变频调速系统控制图如图4 所示。

图4 矢量变频器变频调速

3）带转速反馈机制的矢量控制变频器三相异步电动机闭环变频调速系统控制图如图5 所示。

图5 异步电动机闭环控制变频调速

在对比三种常用控制方案的基础上可知，生产局部通风机、水泵这类一般要求不高的机械时，采用开环控制系统，具有控制电路结构简单、方便井下现场处理等优点，在综合考虑调速精度和响应速度的方面，由于矢量控制技术日趋成熟，使用无转速反馈机制的矢量控制变频器可以分别对异步电动机的磁通和转矩电流进行检测、控制，自行改变电压和频率，具有控制结构简单、可靠性高的突出优势[3-4]。

5 结语

井下局部通风机在煤矿普遍应用，并且耗能较高，每年需求量在数千台以上，但在性能调节上，一直停滞不前。电机系统节能是国家发改委启动的十大重点节能工程之一。在新能源改革的背景下，成本控制成为了大型煤矿集团间竞争的核心要素之一，必须要解决煤矿机电设备高耗能的现状，煤矿智能局部通风机控制系统可大大降低能耗，同时提升局部通风机使用寿命，具有较好的发展前景。