变频调速技术在矿用对旋轴流式通风机的Word文档格式.docx
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由于轴流式通风机具有高效、高压、低噪音，且土建安装工程费用较低等优点，已逐渐被大中型矿山企业所采用。
但由于传统研发的局限性和设计、选型、调试等综合管理等因素，致使矿山企业风机类设备效率低、能耗高、“大马拉小车”的现象较为普遍存在。
本文通过吸取前人对对旋轴流式通风机的研究成果，结合变频技术的特点，进行了节能性应用分析，仅供同行商榷。
二、对旋轴流式通风机的发展和主要研究成果
矿用对旋轴流式通风机属叶轮机械。
所谓“对旋”的概念，是指两个叶轮以互为相反的旋转方向旋转。
它是依据一元相似理论和相关流体力学原理为基础进行设计和研发的。
对旋轴流式叶轮机械的研究与应用经历了几十年的发展过程，取得了丰硕成果。
早在上个世纪三十年代，对旋轴流式通风机已被人们所悉知。
设置在ONERA（法国国家航空研究局）的大型风洞，利用两台55000马力的水轮机作为动力所进行的风洞试验。
得到了转速在100—240转/分的综合特性曲线。
同时，相继获得了前置叶轮不同转速的特性曲线和相对功率消耗曲线[1]。
二十世纪九十年代，我国对对旋轴流式通风机的研究也十分活跃，其研究的重点主要是新型高效率、低噪音的优化设计及流场计算分析等。
随着理论设计和实际应用的不断深化，使我们找到了对旋轴流式通风机两级动叶的风压特性、风量特性和功率特性的气能特性规律，具体成果如下：
1、对旋轴流式通风机因为没有静叶不存在静叶损失[2]，因此其通风效率比普通风机要高。
2、对旋轴流式通风机有较大的逆向送风能力，其一般可达70％—80％，而普通风机的逆向送风能力仅为30％—40％。
3、根据不同的风压、风量要求，对旋轴流式通风机可采用前置叶轮、后置叶轮同时运转；
前置叶轮运转，后置叶轮停止：
后置叶轮运转，前置叶轮停止。
这三种运行方式（但试验中后两种运行方式效率偏低，噪音也效高，一般不宜采用）大大拓宽了实际应用范围[3]。
4、对旋轴流式通风机的压力一风量特性曲线较陡，因此较小的风压变化，即可得到较大的风量变化，较好的满足实际风量的需求。
5、在实际应用中，由于矿井管网特性的变化，致使对旋轴流式通风机的运行工况逐渐偏离设计工况。
通过对实际运行中有关数据的分析得知：
后置叶轮的气动负荷要比前置叶轮的气动负荷较大，且前置、后置两级叶轮的功率特性也发生了相应变化。
6、在保持前、后两级叶轮工况特性在高效区运行的前提下，因为前置叶轮为后扭型，后置叶轮为预扭型，后置叶轮的风压一风量特性相对于前置叶轮的风压一风量特性较陡。
因此，前置叶轮安装角度的变化主要影响风机的风压特性的变化;
后置叶轮的安装角度的变化主要影响风机风量特性的变化。
同理：
在前置、后置两级叶轮安装角度（预设）不变的情况下，前置叶轮转速的变化主要影响对旋轴流式通风机风压特性的变化；
后置叶轮转速的变化主要影响对旋轴流式通风机风量特性的变化。
其转速比、功率比大致在1.07—1.68之间，也可获得较大范围的高效运行区（约为10％）。
7、采用双电机双端驱动方式，有利于根据矿井实际风压、风量需求和矿井管网特性随机进行调整，使对旋轴流式通风机能够保持较为安全合理的经济运行状态。
综上所述：
对旋轴流式通风机前置叶轮和后置叶轮的结构较为紧凑，但其驱动结构过程特性较为复杂。
前置叶轮和后置叶轮合理的轴向间隙和径向间隙，两级叶轮转速的最佳合理匹配，不仅影响到机器的噪音程度，同时还对对旋轴流式通风机压缩性、失速裕度、运行效率，对旋级压升、风压一风量的综合气动特性有着最关键的影响因素，这就为我们提供了探讨和研究新的调速方式，改善综合性能提供了较为可靠的理论依据。
因此我们试想运用变频调速技术对旋轴流式通风机前置叶轮和后置叶轮进行干涉性运转以求实现高效、合理、节能的运行工况。
三、变频调速节能原理：
1、异步电动机的变频调速性能
60f1
P
根据电机学原理，交流异步电动机的转速公式；
n=（1-s）（3—1）
式中：
n——电机转速
s——转差率
p——定子磁极对数
f—电源频率
由上述公式得知，在保持p、s不变的条件下，若均匀的改变电源频率f，可以平滑的改变电动机的转速。
对风机进行调速控制属于减少空气动力的节电方法。
它同—般常用的调节风门控制风量方法相比，有着明显的节电效益。
其节电原理见图3-1。
曲线
（1）为风机在恒速下风压一风量（H—Q）特性：
曲线
（2）为恒速下功率一风量（N—Q）特性；
曲线（3）为矿井管网风阻特性（风门全开）。
若风机在设计时工作在（A）点效率最高，输出风量QI为100％，此时轴功率N1与Q1、HI的乘积面积AHIOQ1成正比。
根据工艺要求，当风量需由QI下降到Q2（例如50％风量）时，如采用调节风门方法，相当于增加矿井管网阻力，使矿井管网阻力特性变到曲线（4），系统由原来工况点（A）移到新的工况点（B）进行，由图3-1可见，此时风压反而增加，而轴功率N2与面积BH20Q2成正比，减少不多。
而如果采用变频调速控制，风机转速由N1降到N2，根据风机参数的比例定律，画出在转速N2下的风压一风量（H—Q）特性，如曲线（5）所示，可见在满足Q2的情况下，风压H：
大幅度下降到H3，功率N3（相当于面积CH30Q2），随着显著减少，节省的功率损耗△N=△H×
Q2与面积BH2H3C成正比，可见节能效果是十分显著的。
2、调节风机风量的途经。
（1）、通过改变风机的管网阻力特性来实现对风机风量的调节如图3—2所示。
这种办法结构简单，操作方便。
相对节流调节风量能减少节流损耗。
但是，①随机调节性能较差，费工、费时。
②对于对旋轴流式风机而言，风机节风机调整角度有效分格（风叶角度）为三格，平均为30度、35度、40度，调整的适应性较差，不能在满足风量需求的情况下达到应有的节能效果和实现较高的风机效率。
（3）通过改变风机的转速来实现风机风量的调节。
当风机的转速改变时，其性能曲线的变化如图3—4所示。
当风机转速为n1时，风机的风压-风量曲线与管网特性曲线R1相交与M1点，其风量一风压分别为Q1、H1。
若工艺变更，需要的风量为Q1可将风机转速调到n2，风机的性能曲线（H—Q）相应下降并与R1相交与M2点，此时风量为Q2，风压为H2，可将风量风压下降，达到风量调节作用。
相对于节流调节而言当风量为Q2时是靠调节挡风板来实现的。
此时虽然风量下降了，但风压相对于调节电机转速而言，反而上升了。
因而变速调节比节流调节时的风压要减小△H=H1-H2。
因此，在认为效率不变时，相应的主功率要减小△P=Q·
△H／102nTnF（Kw），即变速调节比节流调节时风机从电网吸收的功率要减少。
因此，风机的风量调节，无论是变流调节，或者是风叶角度的调节其节能效果都不如变速调节的方式随机、灵活有效。
所以风机变速调节的方式是最佳有效的节能调节方式。
4、风量、风压、转速、功率的比例定律
由流体力学和风机比例定律得出风机、风量与转速及轴功率的关系为：
Q1、Q2——风量
P1、p2一一轴功率
N1、N2——转速
H1、H2——风压
当降低风机的转速时，流量也同比例下降，但功率却以转速的立方下降，其功率与转速、压力、流量、节电率等关系如下：
见表（3-1）
频率（HZ）
50
45
40
35
转速（%）
100
90
80
70
风压（%）
81
64
49
流量（%）
功率（%）
72.9
51.2
34.3
节电率（%）
27.1
48.8
65.7
当风量减少，风机转速下降时，其功率降低很多。
若风量下降到80％，转速也下降到80％时，则轴功率N约将下降到（0.8）3=51．2％。
如果风量下降到35％，转速也下降70％，则轴功率N约下降到（0.7）3=34.3％，约节电65.7％。
需要说明的是异步电动机调速节能，并不是着眼于电机本身的效率，虽然在很多调速方法中，电机的效率并未提高甚至降低，但由于转速的降低，使电机与负载的机械特性配合适当，能改变运行的工作点，则可得到较好的整体节能效果。
因此，对风机类机械采用调速控制方式来调节风量（流量），并通过对变频器与电动机组合的拖动方式的负载特性、电压、电流、转矩及功率因数等相互关系的分析，所得出的结论是：
变频调速器在风机类设备的推广应用，节约用电是一种有效的办法，而且由于风机转速降低，对电机的和机械部件降低磨损延长设备使用寿命都很有利。
四、变频调速方法及容量的选择
1、变频调速技术是适用于所有风机类的节能控制方法，在对旋轴流式通风机应用则更能发挥其自身的节能优势。
它是在矿井管网特性曲线不变时，采用分别改变或同时改变两级叶轮电动机的干涉性转速来改变通风机的综合特性，从而改变它的工况点，达到改变风量、风压目的，实现节能效果，这也是与其它风机类相比的重要区别。
由于风机的全压、与转速的平方成正比例，因此风机的调速范围不大，一般在2:
1左右（实验中得知，对旋轴流式通风机前置后置两级叶轮的调速比大致为0.64:
1:
1.68）。
风机变速运行在于调节风量、风压，因而对调速装置的性能要求不是很高，只要能满足正常运行就可以了，就是慢几转或快几转都不会影响风机的运行。
因此调速方法适用性较为广泛。
改用变频调速电力传动系统，必然增加投资并在运行过程中增加消耗。
为了取得最大经济效益，在选择风机调速方法时，应根据风机的性能、矿井管网阻力特性状况、容量大小、风量变化幅度、调速装置的效率高低、技术复杂程度、价格高低、维修难易程度，对电网影响等多种因素进行综合经济技术分析比较，才能选择较为适用的的变频调速控制方法。
2、
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