摘要：本文介紹了風(fēng)光牌高壓變頻在山東崔莊煤礦主扇風(fēng)機上的應用情況，對節能效果進(jìn)行了計算。

　　關(guān)鍵詞：高壓變頻器 主扇 應用

　　1 引言

　　隨著(zhù)我國經(jīng)濟的發(fā)展,各行各業(yè)煤炭的需求量也越來(lái)越大,各大型煤炭企業(yè)紛紛開(kāi)辟新的礦井來(lái)擴大規模,并且利用各種技術(shù)降低生產(chǎn)成本，因此變頻器在煤炭行業(yè)的需求也就越來(lái)越大。

　　主扇風(fēng)機是煤礦通風(fēng)系統中最重要的一部分，它可以說(shuō)是每一個(gè)井下工作人員的呼吸要道，因此它也是煤礦安全生產(chǎn)中最重要的一個(gè)環(huán)節。長(cháng)期以來(lái)，礦井主扇風(fēng)機的功率都比較大，而且一天24小時(shí)不間斷運行，礦井所需的風(fēng)量都是通過(guò)調節風(fēng)門(mén)擋板或葉片角度來(lái)實(shí)現，根據反風(fēng)及開(kāi)采后期運行工況要求，所設計的通風(fēng)機及拖動(dòng)的電動(dòng)機的功率，通常遠大于煤礦正常生產(chǎn)所需的運行功率。風(fēng)機設計上余量特別大，在相當長(cháng)的時(shí)間風(fēng)機一直處在較輕負載下運行，因此，煤礦通風(fēng)系統中存在著(zhù)極為嚴重的大馬拉小車(chē)現象，能源浪費非常突出。

　　2 現場(chǎng)簡(jiǎn)介

　　崔莊煤礦位于山東省濟寧市微山縣，其主扇風(fēng)機擔負著(zhù)整個(gè)礦井的通風(fēng)任務(wù)，要求安全穩定性極高，因為風(fēng)機一旦停機，短時(shí)間內就將造成全礦無(wú)法正常生產(chǎn)，控制方式采用調節風(fēng)門(mén)開(kāi)度的大小來(lái)調整風(fēng)量，這樣，不論生產(chǎn)的需求大小，風(fēng)機都要全速運轉，而運行工況的變化則使得能量以風(fēng)門(mén)節流損失消耗掉了。不僅控制精度受到限制，而且還造成大量的能源浪費和設備損耗，從而導致生產(chǎn)成本增加，設備使用壽命縮短，設備維護、維修費用高居不下，針對這種情況，礦領(lǐng)導經(jīng)過(guò)論證，最后決定選用山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP37系列的高壓變頻調速器，現場(chǎng)設備如圖1所示：

圖1 現場(chǎng)設備圖

　　3 風(fēng)光高壓變頻器的突出特點(diǎn)

　?。?）采用高速DSP（TMS320F2812）作為中央處理器，運算速度更快，讓控制更精準。系統升級更方便。

　?。?）飛車(chē)啟動(dòng)功能：能夠識別電機的速度并在電機不停轉的情況下直接起動(dòng)。

　?。?）瞬間掉電再啟動(dòng)功能：運行過(guò)程中高壓瞬時(shí)掉電三秒鐘內恢復，高壓變頻器不停機，高壓恢復后變頻自動(dòng)運行到掉電前的頻率。

　?。?）線(xiàn)電壓自動(dòng)均衡技術(shù)（采用中性點(diǎn)漂移技術(shù)）：變頻器某相有單元故障后，為了使線(xiàn)電壓平衡，傳統的處理方法是將另外兩相的電壓也降至與故障相相同的電壓，而線(xiàn)電壓自動(dòng)均衡技術(shù)通過(guò)調整相與相之間的夾角，在相電壓輸出最大且不相等的前提下保證最大的線(xiàn)電壓均衡輸出。

　?。?）單元內電解電容因采取了公司專(zhuān)利技術(shù)（專(zhuān)利號ZL 2003 2 0107356.2 ），可以將其使用壽命提高一倍；高壓提升機產(chǎn)品采用了更長(cháng)壽命的電力電容。

　?。?）運行過(guò)程中外部頻率給定信號出現故障（短路或開(kāi)路），整機維持故障前的運行頻率不變，并能給出報警信號。

　?。?）單元串聯(lián)多重化結構，模塊化設計。這樣IGBT承受電壓較低，可以有較寬的過(guò)壓范圍（≥1.15Ue），設備可靠性更高。

　?。?）具有雙路AC控制電源，一路為干式變壓器變壓以后的AC電源，一路為外部控制電源，這樣在調試過(guò)程中，無(wú)需加入高壓主電，就可以檢測輸出波形的正常與否。對于在現場(chǎng)安裝調試以及人員培訓很方便，同時(shí)也大大提高了培訓和運行的安全性。

　　4 現場(chǎng)技術(shù)參數

　　電動(dòng)機參數如下表1所示：

　　表1：

　　風(fēng)機類(lèi)型：軸流風(fēng)機。

    設備布置采用抽出式通風(fēng)方式，配備反風(fēng)道反風(fēng)，扇風(fēng)機與電動(dòng)機設于主機房?jì)?，主機房為雙層工業(yè)廠(chǎng)房，風(fēng)道為半地下式。吸風(fēng)側設兩個(gè)立閘門(mén)，兩個(gè)水平反風(fēng)門(mén)，擴散器側兩個(gè)水平反風(fēng)門(mén)，每個(gè)風(fēng)門(mén)各用一臺風(fēng)門(mén)絞車(chē)進(jìn)行操縱，風(fēng)門(mén)絞車(chē)采用就地操作。

    傳動(dòng)方式：直接傳動(dòng)。

    調節方式：手動(dòng)操作風(fēng)門(mén)絞車(chē)控制立閘門(mén) （改變管路阻力特性曲線(xiàn)）。

　　5 變頻改造前存在的問(wèn)題

    （1）原工礦使用的為轉子串電阻啟動(dòng)方式，啟動(dòng)不穩定，造成了大的機械沖擊，導致電機壽命大大降低；

    （2）轉子串電阻啟動(dòng)時(shí)，控制系統復雜，故障率高，接觸器、電阻器、繞線(xiàn)電機電刷容易損壞，維護工作量大；

    （3）啟動(dòng)時(shí)電流過(guò)大，對電網(wǎng)沖擊很大，影響電網(wǎng)的穩定性；

    （4）主扇風(fēng)機設計上余量大，主扇風(fēng)機一直處在較輕負載下運行，由于采用檔板調節，因此造成能源浪費，增加了生產(chǎn)成本；

    （5）自動(dòng)化程度低，影響整體系統安全性。

　　6 變頻控制方案

　　為了滿(mǎn)足安全生產(chǎn)，選用一套6KV變頻調速器，通過(guò)切換，可以在變頻器故障狀態(tài)下，切換到工頻狀態(tài)運行，其主回路如下圖2所示：

圖2 主回路圖

　　QS1、QS2、QS3為三臺高壓隔離閘刀，QS1、QS3處于變頻運行回路上，KM1、KM2為變頻上電瞬間實(shí)現限流電阻切換時(shí)所用，K10為用戶(hù)工、變頻轉換改造時(shí)加的一個(gè)轉換開(kāi)關(guān)。變頻運行時(shí)，QS1、QS3閉合， QS2斷開(kāi)，K10打到變頻位置；變頻上電后，通過(guò)內部程序KM2會(huì )自動(dòng)吸合將限流電阻引入主回路以消除大電流沖擊，上電3S后，KM1吸合，KM2斷開(kāi)變頻可以投入運行。工頻運行時(shí)，QS1、QS3斷開(kāi)，QS2閉合，K10打到工頻位置，實(shí)現原來(lái)的串電阻啟動(dòng)方式。

　　這是高壓變頻器工變頻手動(dòng)切換的典型應用，QS1、QS2、QS3不能同時(shí)閉合，這三個(gè)閘刀在機械和電氣上都實(shí)現了互鎖。

　　另外，為了安全，變頻故障信號和上一級的高壓開(kāi)關(guān)柜也實(shí)現互鎖，實(shí)現高壓故障連跳功能。

　　風(fēng)光高壓變頻器采用功率單元串聯(lián)多電平結構，由控制柜、變壓器柜、單元柜和開(kāi)關(guān)柜組成。

　　每個(gè)功率單元結構上完全一致，可以互換，為基本的交-直-交單相逆變電路，整流側為二極管三相全橋，通過(guò)對IGBT逆變橋進(jìn)行正弦PWM控制，其電路結構見(jiàn)下圖3所示，

圖3 功率單元主回路

　　高質(zhì)量電源輸入：輸入側隔離變壓器二次線(xiàn)圈經(jīng)過(guò)移相，為功率單元提供電源對于6KV而言相當于30脈沖不可控整流輸入，消除了大部分由單個(gè)功率單元所引起的諧波電流，大大抑制了網(wǎng)側諧波（尤其是低次諧波）的產(chǎn)生。變頻器引起的電網(wǎng)諧波電壓和諧波電流含量滿(mǎn)足IEEE 519-1992和GB/T14549-93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》對諧波含量最嚴格要求，無(wú)需安裝輸入濾波器并保護周邊設備免受諧波干擾。正常調速范圍內功率因數大于0.96。無(wú)需功率因數補償電容，減少無(wú)功輸入，降低供電容量。

　　完美的輸出性能：?jiǎn)卧}寬調制疊波輸出， 6KV系列每相5個(gè)單元，大大削弱了輸出諧波含量，輸出波形幾近完美的正弦波，其輸出波形如下圖4所示：

圖4 變頻器輸出波形

　　7 現場(chǎng)應用情況

　　崔莊礦選用型號JD-BP37-400F風(fēng)光變頻器，于2008年10月20日開(kāi)始安裝調試，2008年10月25日一次性投運成功。變頻運行后，風(fēng)門(mén)全部打開(kāi)，運行頻率43Hz，運行電流24A，負壓1700Pa,不僅完全滿(mǎn)足煤礦生產(chǎn)工藝要求,而且用戶(hù)操作非常方便。變頻器運行非常穩定。

　　8 節能計算

　　按工頻和變頻運行實(shí)際電流計算，計算數據取2008年技術(shù)測定：

    工頻運行時(shí)，風(fēng)門(mén)開(kāi)度為2m左右，運行電流在43A。

    工頻運行時(shí)功率和一天耗電量：

    P1= 1.732×6×43×0.77=344.08KW   

    N1=344.08×24=8257.90KW?h。

    變頻器運行時(shí)，風(fēng)門(mén)全開(kāi)，運行電流在24A，由變頻器調節風(fēng)機速度來(lái)滿(mǎn)足風(fēng)量要求。

    變頻運行時(shí)功率和一天耗電量：

    P2=1.732×6×24×0.958=238.93KW   

    N2=238.93×24=5734.32KW?h。

    節電率：

    （N1-N2）/N1=（8257.90-5734.32）/8257.90=30%。

    節約電費計算：

    以該礦電價(jià)0.6元/ KW?h計算，工頻24小時(shí)耗電費： 

    8257.90×0.6=4954.74元。

    變頻24小時(shí)耗電費：

    5734.32×0.6=3440.59元。

    變頻改造后，日節約電費：

　　4954.74-3440.59=1514.15元。

    一年以300天為標準計算，年節約電費：

    1514.15×300=454244.4元。

　　9 其他效益

　?。?）實(shí)現電機軟啟動(dòng)，減小啟動(dòng)沖擊，降低維護費用，延長(cháng)設備使用壽命；

　?。?）系統安全、可靠，具有變頻故障轉工頻功能，確保風(fēng)機連續運行；

　?。?）控制方便、靈活，自動(dòng)化水平高；

　?。?）輸入諧波含量小，不對電網(wǎng)造成污染；輸出諧波含量低，適合所有改造項目的普通異步電動(dòng)機；

　?。?）界面全為純中文操作，非常符合國人特點(diǎn)；

　?。?） 安全保護功能齊全，除了過(guò)壓、過(guò)熱、過(guò)載、短路等自身保護功能外，還設有外圍連鎖保護系統，提高了系統的安全穩定性；  

　?。?）采集各臺扇風(fēng)機運行的工藝參數、電器參數、電氣設備運行的狀況。

　　主扇風(fēng)機可由PLC進(jìn)行控制，嚴格按控制程序進(jìn)行控制，并對扇風(fēng)機正常切換和故障切換進(jìn)行控制和操作指導，且在控制柜實(shí)現硬件閉鎖控制。

　　在控制站顯示扇風(fēng)系統工藝參數表、電氣參數、設備運行狀態(tài)（工作、停止、故障）以及報警參數表等。

　　自動(dòng)建立數據庫，對于重要的工藝參數、電氣參數自動(dòng)生成趨勢曲線(xiàn)。

　　當運行風(fēng)機發(fā)生故障時(shí)，利用運行記錄的曲線(xiàn)對故障進(jìn)行分析和處理。

　　在條件具備時(shí)，可實(shí)現遠控，達到“無(wú)人值守”。

　　10 結束語(yǔ)

    崔莊煤礦主扇風(fēng)機經(jīng)過(guò)變頻改造之后,不僅達到了良好的節能效果,并且使整套通風(fēng)系統的穩定性提高了一個(gè)大臺階。隨著(zhù)國家對節能減排工作的越來(lái)越重視，煤礦企業(yè)通過(guò)各種措施降低生產(chǎn)成本，其中變頻技術(shù)起到了關(guān)鍵作用，取得了明顯的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益，適應了國家建設資源節約型社會(huì )的潮流。