摘要 地下矿山生产的一个主要用电设备就是矿井通风机，其节能运行在矿山节电应用中起到了很重要的作用。本文通过对电机节电器和变频器的原理分析、节能效果分析、节能分析，总结出变频器、电机节电器等方式节能的优缺点。
关键词 变频器；节电器；矿井通风机；节能分析
中图分类号td443文献标识码a文章编号 1674-6708（2011）42-0052-02
在矿山生产过程中，矿井通风机一般靠同步电机或异步电机拖动进行匀速运转，因此容量一般比较大。下面以异步电机举例。矿井通风机在设计选型时，通常依据最大开采量时所需的风量，但是一般都会留有很大的余地，因此矿井投产后一段时间，矿井通风机都运行在低负载状态。传统模式下是靠调节挡板开度、风门来调节风量。在生产过程中，控制精度有很大约束，不可避免的带来大量的能源浪费和设备损耗，致使设备使用寿命缩短，生产成本增加，设备开销高居不下。调速控制节能技术非常能够满足节能的要求。为了节能和提高产品质量，变频器驱动代替了风门、挡板、阀门的控制。当前比较流行的电机节电技术是在满足工业生产自动化发展的形式研制而成的，依据电机节电器的成功研发和使用，开创了智能电机的新时代，使节能产品更科学更实用。下面简单介绍设计原理和节能效果。
1 设计原理
1.1 电机节电器的设计原理
电机节电器是把功率因数补偿、变频调速和动态调压组合而成的一种高科技节能技术，基本原理是在变频调速系统前增加功率因数补偿、动态调压等环节。经过内置的特殊节电控制程序，采用微处理器数字控制技术，根据当前负载动态地调整运行状态过程中电机的功率，即电机转速基本无变化情况下，精确匹配电机输出转矩与实际负载，从而减少电能浪费。
1.2 变频调速技术的基本原理
电机转速与工作电源输入频率的关系： n= 60f（1 - s） / p，（式中f、n、p、s、分别表示输入频率、转速、电机磁极对数、电机转差率）；改变电压和电机频率来改变电机转速。利用变频器内置p id调节软件，得到满足系统要求的压力，其原理是直接调节电动机的转速保持恒定的风压。变频器是采用交-直-交电源变换技术，将工频电源变换为另一频率，能对电能进行相应的控制装置。
2 变频器节能分析
实现节能的途径是轻负载降压，拖动转矩负载不会对转速造成多大影响，即便是降低电压，也不会影响转速，所以节能效果很不明显。实际上，变频调速器能够节电的主要原因是它可以调节电动机的转速。变频调速器的负载调速特性决定了能否实现节电。当通风机需要很少风量的时候，电机主动减慢速度，由于转速的3次方和风机的轴功率成反比，于是电机的转矩大幅降低，带来明显的节能效果。假如恒功率负载，功率与转速的大小则没有任何关系。料层厚度减小，皮带速度增加。变频调速器应用于这类负载是，没有节电的作用。矿井里面使用时，返程过程中使用制动电阻造成更多电能的浪费。不调速的情况下变频器只能改善功率因数而不会起到省电的作用。采用调速方法节能的原理是基于压力、风量、转矩、转速之间的关系，这些关系是q∝ n； h∝ n2； p∝n3 ；（q-风量， n-转速， p-轴功率、t-转矩)当风机的转速从n1变为n2 时，h、 q、p 大致变化关系为：p2=p1 （n2/n1） 3，h2 =h1（n2/n1）2，q2=q1（n2/n1）由上式可知轴功率与转速的3次方成正比，压力与转速的2次方成正比，而风机的风量与转速的1次方成正比。轴功率的实际值（kw）如下： p=qh/ηcηb×10-3（h-风压q-风量ηc-传动装置效率ηb -风扇鼓风机的效率）。通常变频器主要有：主电路gto或igbt等功率开关器件构成逆变器，能够提供调压调频的电源给异步电机，这种电源输出的电流和电压以及频率由特殊指令控制，该指令由外部的运转指令运算获得，能够控制回路。对于需要快速响应或精密控制速度的场合它的运行过程还应进行闭环控制，这靠传动系统和变频器主电路检测出来的信号实现。保护电路的系统包括保护异步电动机及传动系统，以及保护过电流保护，过电压保护，主电路过热保护引起的故障，因此直接影响u、w 、v输出主电路的逆变器故障作用很关键。
3 节能效果分析
以1 150 m水平新gaf34-7-2型风机为例进行计算分析比较。这个风机配用电机的功率为160 kw，电动机负载率为89% ，实际运行过程四班三倒，这样以每天18小时全速的风量，另外6小时以30%的速度运转。设电机全速供风量为qn，风量在30%~100%之间变化，空载损耗为0.1。每天总供风量为71.5%qn ，则全速pp=89%×160×（1-0.1）kw=127 856 w。
3.1 变频器节能
1）变频时需要功率pm2 = [89%×160×0.1 （71.5%）3×128.16]kw=86.2kw，节约的功率： pj=（127.86-86.2）kw=41.66kw；
2）风机每年运行12个月，每月平均27天， 每天24小时，年节电量w=12×24×41.66×27=326 175. 96 kw·h /年，如果按集体消费电费单价0. 4287元/kw·h计算，每年节约的电费：0. 4287元/kw ·h× 326 175. 96kw·h /年=139 789. 6元≈14万元，若一台与之配套的功率160kw，电压380v的变频器花费815万元，则8个月的时间就可收回投资。
3.2 节电器节能
1）风机运行输入有功功率在节电器投入前为p=（120 118） ÷2=119kw。根据在1 150m水平新gaf34-7-2型风机电机进行试验检测，在未启用变频调速功能，不改变现场其它工况，根据节电器投入始末各参数包括风量、风压、电流、电压、功率因数的对比，还包括有功电度表相同转盘数所用的不同的时间，还需要将风机装置有效功率转换到电机输入端用下式进行计算，过程如下：{ [（120- 87.8） （118-89.2）]÷2-2.3}÷[（120 118）÷2]×100%=23.7%，即节省了23.7%的电。其节省输入有功功率p=23.7%×119=28.2kw；
2）风机运行总时间每年12月，每月27天，每天24小时，年节电量w=24×27×12×28.2=219 283kw·h /年，按照集体消费的电价0.428 7元/kw·h计算，每年能够省下219 283×0.4287=94 218.7元/年≈9. 4万元；
3）如果应用再启用变频调速环节进行计算，改变现场风量、风压的条件，其它条件同3.1时候，提高功率因数，则又能节省119-119×（ 82.5%）3=52.2kw的电量，此处即使仅按30%计取，即52.2×30%=15.66kw。相应的也会减小节电器的输入有功功率， 为119×82.5%= 981 175kw，这样提高了节电率和节省的输入有功功率，据此计算，9.4÷82.5%=11.4万元，w′=15.66×27×12×24=12 772.16kw·h/年， 121 772 ×0.4287= 52 203元/年≈512万元。每年节约的电费总计大约为：512 1 114=1 626万元。一台电压功率160kw，380v国产节电器目前市场售价192 000元左右，则14个月就可以收回投资。以上是从节电费用方面考虑了收回投资的时间，但另一个不可忽视的重要因素是使用寿命，根据调查的情况看，国产变频器的平均使用寿命大约为8年，节电器平均使用寿命大约为12年，从使用环境看，节电器更适用于恶劣的环境条件。
4 结论
根据以计算的节能效果计算，可得出初步的结论，电机节电器和变频器所用的控制元件都是利用晶闸管的特性来控制的，可以说基本上相同。使用电机节电器和变频器都能达到节约电能的目的，但节电方式各有特点。简单的说来变频器是保证供电电源随频率成正比的变化，通过改变供给电机电源的频率，从而改变电机的输出扭矩实现节能。产生大量的谐波，污染电网；同时存在功率因数低，还有节电剩余空间。但是电机节电器使用固定的供电电源频率，它是通过芯片中设定好的的检测程序对输给电机的电压和电流之间的相位角的变化进行监控，电机的功率因数在不断变化，因为相位角是随电机的负载变化在不断变化的。从而节省了浪费的励磁电流，减小电机因负载，最终实现节能。还可以根据工况需要，实施变频调速节约电能。更重要的是节电器可以利用它的谐波治理功能，对电网进行净化，从而改善设备用电质量。
综上所述，异步电机节能方法非常多，要根据其不同的工作原理以及工作环境，在相应的范围内对其进行应用。在实际操作中，需同时兼顾经济性、可靠性，经过综合比较，不断优化，能够收到投资少、效益高、见效快的效果。
参考文献
[1]陈满儒，惠晓妮.矢量变频器在凹版印刷机上的张力控制[j].包装工程，2007(11).
[2]郑俊英.baldor 15h-410e变频器的研究与应用[j].广播电视信息(下半月刊)，2007(7).
[3]周华忠.实用多电平高压变频器的设计研究与仿真[d].武汉科技大学，2007.
[4]赵兴，徐文松.露天境界内地下复杂采空区的探测与治理技术探讨[d].重庆：中西部第二届有色金属工业发展论坛论文集，2009.