一、現場(chǎng)系統情況

    煤礦因生產(chǎn)的特殊性，礦井通風(fēng)系統關(guān)系到礦山的安全生產(chǎn)，所以通風(fēng)系統在煤炭生產(chǎn)中具有舉足輕重的地位。其中主扇風(fēng)機在煤礦生產(chǎn)中有著(zhù)最重要的地位，隨著(zhù)開(kāi)采和掘進(jìn)的不斷延伸，巷道延長(cháng)，盡管風(fēng)量基本不變，但風(fēng)壓要求卻不斷增加，風(fēng)機需用功率也隨之增加。根據反風(fēng)及開(kāi)采后期運行狀況來(lái)確定的主扇風(fēng)機及拖動(dòng)電動(dòng)機的功率通常遠大于煤礦長(cháng)期開(kāi)采所需的正常運行功率。五溝煤礦主扇風(fēng)機采用500KW/6KV電動(dòng)機傳動(dòng)，電機采用直接啟動(dòng)的方式。

    目前采用高壓電動(dòng)機直接啟動(dòng)，存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

    ●電能的嚴重浪費。煤礦的服務(wù)年限大多在60年以上，投產(chǎn)初期到井田穩定開(kāi)采一般在10年左右，這就意味著(zhù)有這10年的時(shí)間里，主扇風(fēng)機一直處在較輕負載下運行。由于工頻運行的電動(dòng)機轉速不可調節，只能通過(guò)改變風(fēng)機葉片的角度進(jìn)行風(fēng)量調節，因此造成能源浪費，增加了生產(chǎn)成本。

    ●啟動(dòng)困難，機械損傷嚴重。主扇風(fēng)機采用直接啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)間長(cháng)，啟動(dòng)電流大，對電動(dòng)機的絕緣有著(zhù)較大的威脅，嚴重時(shí)甚至燒毀電動(dòng)機。而電動(dòng)機在啟動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的單軸轉矩現象使風(fēng)機產(chǎn)生較大的機械振動(dòng)應力，嚴重影響到電動(dòng)機、風(fēng)機及其它機械的使用壽命。

    ●自動(dòng)化程度低。主扇風(fēng)機依靠人工調節風(fēng)機葉片調節風(fēng)量和風(fēng)壓，更不具備風(fēng)量的自動(dòng)實(shí)時(shí)調節功能，自動(dòng)化程度低。在故障狀態(tài)下，如風(fēng)流短路，將對礦井正常生產(chǎn)造成嚴重影響。
為了礦井的安全生產(chǎn)和降低生產(chǎn)成本，提升該煤礦的自動(dòng)化水平，對主扇風(fēng)機進(jìn)行變頻調速改造具有非常重要的意義。

    二、高壓變頻改造方案

    1、主回路系統方案

    考慮到現場(chǎng)設備實(shí)際運行的情況，煤礦主扇軸流風(fēng)機變頻系統采用一拖二手動(dòng)旁路方式，采用一臺變頻器分別單獨傳動(dòng)二臺風(fēng)機中的一臺風(fēng)機的電動(dòng)機，正常情況下，允許有一負載工作在變頻狀態(tài)，另一負載工作在工頻狀態(tài)，也可以?xún)膳_都在工頻狀態(tài)； 

    該系列變頻采用若干個(gè)低壓PWM變頻功率單元串聯(lián)的方式實(shí)現直接高壓輸出。變頻器具有對電網(wǎng)諧波污染極小，輸入功率因數高，輸出波形質(zhì)量好，不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱、轉矩脈動(dòng)、噪音、dv/dt及共模電壓等問(wèn)題的特性，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機，不需要更換電機。

    一拖二手動(dòng)旁路系統
  
                          

    基本原理：它是由8個(gè)高壓隔離開(kāi)關(guān)QS1～QS8組成（見(jiàn)左圖）。其中QS2和QS3,QS5和QS6安裝機械互鎖裝置；各隔離開(kāi)關(guān)間有電氣互鎖。如果兩路電源同時(shí)供電，M1工作在變頻狀態(tài)，M2工作在工頻狀態(tài)時(shí)，QS3、QS7和QS4、QS5、QS8分閘，QS2、QS1和QS6處于合閘狀態(tài)；M2工作在變頻狀態(tài)，M1工作在工頻狀態(tài)時(shí)，與M1工作在變頻狀態(tài)，M2工作在工頻狀態(tài)時(shí)類(lèi)似；如果檢修變頻器，QS3和QS6可以處于任一狀態(tài)，其它隔離開(kāi)關(guān)都分閘，兩臺負載可以同時(shí)工頻運行；當一路電源檢修時(shí)，可以通過(guò)分合隔離開(kāi)關(guān)使任一電機變頻運行。

    特點(diǎn)：正常情況下，允許有一負載工作在變頻狀態(tài)，另一負載工作在工頻狀態(tài)，也可以?xún)膳_都在工頻狀態(tài)。

    同時(shí)工頻運行時(shí)1#電機通過(guò)QS7、QS3 ，2#電機通過(guò)QS8、QS6切換完成反風(fēng)功能，變頻運行時(shí)通過(guò)變頻設備內部設置即可完成電機轉向的正反方向的轉換完成反風(fēng)功能。

    2、控制系統方案

    變頻系統控制方式可以采用下述4種方式，現場(chǎng)用戶(hù)可以根據實(shí)際情況采用相應的一種或幾種控制方式。

    A、閉環(huán)控制方式

    變頻系統可以根據現場(chǎng)要求在變頻操作界面上設定需要的壓力或流量值、或通過(guò)模擬給定形式給定需要的壓力或流量值，變頻設備根據設定值和現場(chǎng)壓力或流量的反饋值自動(dòng)閉環(huán)控制調節設備轉速，使系統壓力或流量值運行在要求的設定值。

    B、本控開(kāi)環(huán)控制方式

    變頻系統可以通過(guò)本控方式在變頻設備控制柜監控界面手動(dòng)設定負載設備需要運行的轉速值，變頻設備自動(dòng)將負載設備傳動(dòng)到要求轉速值。

    C、總線(xiàn)控制方式

    變頻系統也可以通過(guò)RS485、Profibus/Device Net 與工廠(chǎng)控制系統通訊進(jìn)行協(xié)調控制。

    D、遠控開(kāi)環(huán)控制方式

    變頻調速系統可由現場(chǎng)DCS監控操作系統進(jìn)行協(xié)調控制，根據運行工況按設定程序，實(shí)現對負載設備電動(dòng)機轉速控制。

    具體控制接口情況如下：

    變頻系統和現場(chǎng)DCS監控操作系統進(jìn)行通訊連接，從現場(chǎng)DCS監控操作系統上發(fā)出變頻器的啟動(dòng)、停機等信號。變頻器反饋以下信號接入到現場(chǎng)監控操作系統上： (1)報警及故障信息：重故障報警、輕故障報警；(2)調速裝置的狀態(tài)信息：待機狀態(tài)、正常運行狀態(tài)、故障狀態(tài)、系統旁路狀態(tài)；（3）電機電流、轉速、電壓等。
以下為變頻器與現場(chǎng)DCS監控操作系統系統具體接口：

    1）．變頻器需要提供的開(kāi)關(guān)量輸出6：

    (1) 變頻器待機狀態(tài)指示：表示變頻器已待命，具備啟動(dòng)條件。

    (2) 變頻器運行狀態(tài)指示：表示變頻器正在運行。

    (3) 變頻器控制狀態(tài)指示：節點(diǎn)閉合表示變頻器控制權為現場(chǎng)遠程控制；節點(diǎn)斷開(kāi)表示變頻器控制權為本地變頻器控制。

    (4) 變頻器輕故障指示：表示變頻器產(chǎn)生報警信號。

    (5) 變頻器重故障指示：表示變頻器發(fā)生重故障，立即關(guān)斷輸出切斷高壓。

    (6)電機在工頻旁路：表示風(fēng)機電動(dòng)機處于工頻旁路狀態(tài)。

    以上所有數字量采用無(wú)源接點(diǎn)輸出，定義為接點(diǎn)閉合時(shí)有效。除特別注明外，接點(diǎn)容量均為AC220V、3A/DC24V，1A。

    2）．變頻器需要提供的模擬量2路：

    (1) 變頻器輸出轉速

    (2) 電機電流

    變頻器提供2路4～20mADC的電流源輸出（變頻器供電），帶負載能力均為250Ω。

    3）．需要提供給變頻器的模擬量1路：

    (1) 變頻器轉速給定值

    現場(chǎng)提供1路4～20mADC二線(xiàn)制電流源輸出，帶載能力必須大于250Ω，4～20mADC對應轉速低高限，須呈線(xiàn)性關(guān)系。

    4）．需要提供給變頻器的開(kāi)關(guān)量有2路：

    (1) 啟動(dòng)指令：干接點(diǎn)，3秒脈沖閉合時(shí)有效，變頻器開(kāi)始運行。

    (2) 停機指令：干接點(diǎn)，3秒脈沖閉合時(shí)有效，變頻器正常停機。

    5、變頻器與其他電氣設備接口

    1）．變頻器給高壓開(kāi)關(guān)柜的有2路：

    (1)高壓緊急分斷：變頻器出現重故障時(shí)，自動(dòng)分斷高壓開(kāi)關(guān)，閉點(diǎn)有效。

    (2)高壓合閘允許：變頻器自檢通過(guò)或系統處于工頻狀態(tài)，具備上高壓條件，閉點(diǎn)有效。

    以上所有數字量采用無(wú)源接點(diǎn)輸出，定義為接點(diǎn)閉合時(shí)有效。除特別注明外，接點(diǎn)容量均為DC220V，3A。

    2）．高壓開(kāi)關(guān)柜給變頻器的狀態(tài)信號1路：

    (1)高壓開(kāi)關(guān)分閘信號：高壓開(kāi)關(guān)處于分斷時(shí)，輔助節點(diǎn)閉合；1個(gè)。

    變頻系統具有如下特點(diǎn)：

    變頻系統，既可以變頻調速運行，也可以投工頻運行；

    為變頻器提供的交流220V控制電源掉電時(shí)，變頻器可以通過(guò)內部配置UPS供電使控制系統繼續運行達30分鐘；現場(chǎng)如果采用交、直流220V雙路供電時(shí)，變頻裝置能按照交流電源優(yōu)先的原則進(jìn)行交、直流無(wú)擾切換供電，保證供電可靠性。

    在現場(chǎng)速度給定信號掉線(xiàn)時(shí)，變頻器提供報警的同時(shí)，可按原轉速繼續運轉，維持機組的工況不變；

    3、有關(guān)變頻改造后風(fēng)機效率情況說(shuō)明

    風(fēng)機設備工頻運行時(shí)，為保證生產(chǎn)工藝要求的壓力及流量值，一般通過(guò)改變風(fēng)門(mén)擋板的開(kāi)度滿(mǎn)足要求，相應的風(fēng)道風(fēng)阻曲線(xiàn)也會(huì )發(fā)生變化；故工頻運行擋板調節方式是一種保持風(fēng)機特性曲線(xiàn)及效率范圍不變，改變風(fēng)道風(fēng)阻曲線(xiàn)來(lái)滿(mǎn)足實(shí)際工藝需求的方式，由于風(fēng)道風(fēng)阻曲線(xiàn)的變化就有可能會(huì )出現風(fēng)機運行在低效率區的情況。

    主扇風(fēng)機變頻改造后，其各轉速點(diǎn)的壓力和流量曲線(xiàn)相對工頻時(shí)的曲線(xiàn)是平行往下移動(dòng)的，相應的各速度點(diǎn)的風(fēng)機高效運行區也是跟著(zhù)各轉速點(diǎn)的壓力和流量曲線(xiàn)移動(dòng)的；變頻改造后，在保持風(fēng)道風(fēng)阻曲線(xiàn)不變的情況下，通過(guò)調節風(fēng)機轉速達到滿(mǎn)足工藝要求壓力和流量的目的；故變頻運行調節方式是一種保持風(fēng)道風(fēng)阻曲線(xiàn)不變，改變壓力和流量曲線(xiàn)來(lái)滿(mǎn)足實(shí)際工藝需求的方式，由于風(fēng)機效率曲線(xiàn)是跟著(zhù)各轉速點(diǎn)的壓力和流量曲線(xiàn)移動(dòng)變化的，故變頻改造后能保證風(fēng)機一直運行在高效率區。

    4、系統散熱方案

    高壓變頻器屬于大型電子設備，對環(huán)境要求比較嚴格。統計多臺設備的運行情況，由于現場(chǎng)環(huán)境溫度過(guò)高而引起的設備故障比例較大，因此總結了三種方案為：1、加裝風(fēng)道；2、加裝空調；3、加裝空冷器。三種方案各有其適用的范圍。

   1、加裝風(fēng)道。常規的設計是在機柜上面安裝風(fēng)道，將變頻器產(chǎn)生的熱量直接排放到室外，由變頻器室的進(jìn)風(fēng)口不斷補充冷風(fēng)，對系統進(jìn)行冷卻。在使用中需要注意的是如果變頻器柜頂風(fēng)機距出風(fēng)口較近（小于2米，中間無(wú)轉折），出風(fēng)口可不加裝輔助排風(fēng)機，否則需加裝排風(fēng)機。如果進(jìn)風(fēng)口的現場(chǎng)施工存在不便，風(fēng)道需有轉折，則可以考慮加裝風(fēng)機強迫進(jìn)風(fēng)。

    加裝風(fēng)道的優(yōu)點(diǎn)是成本低，可靠性高，散熱效果良好。適用于現場(chǎng)環(huán)境比較清潔的場(chǎng)合，否則就需要經(jīng)常清洗濾網(wǎng)。

    2、加裝空調就是把高壓變頻調速系統放置于一個(gè)比較封閉且相對狹小的房間內（主要是可以減小空調的容量），但要滿(mǎn)足系統維護的需要，然后在房間內安裝空調，通過(guò)空調內部的循環(huán)將高壓變頻調速系統產(chǎn)生的熱量排到室外?？照{總體的制冷量為變頻器的發(fā)熱量加上空間制冷所需的制冷量。變頻器發(fā)熱需要根據運行工況選擇，考慮一定的裕量，最大發(fā)熱量為變頻器額定功率的4%，如果長(cháng)期運行頻率低于40Hz，則發(fā)熱量可按照變頻器額定功率的2%進(jìn)行估算?？臻g制冷所需的制冷量，一般每平方米可以按照150瓦特計算。

    加裝空調的優(yōu)點(diǎn)是由于沒(méi)有室內外空氣的直接流通，容易保持室內環(huán)境的清潔，但是空調的可靠性會(huì )影響到系統的穩定性，初次投資和運行成本會(huì )相應增加。

    3、加裝空冷器?？绽淦魇且环N利用高效、環(huán)保、節能的冷卻系統，其應用技術(shù)在國內處于領(lǐng)先地位。從變頻器出來(lái)的熱風(fēng)，經(jīng)過(guò)風(fēng)管連接到內有固定水冷管的散熱器中，散熱器中通過(guò)溫度低于33℃的冷水，熱風(fēng)經(jīng)過(guò)散熱片后，將熱量傳遞給冷水，變成冷風(fēng)從散熱片吹出，熱量被循環(huán)冷卻水帶走，保證了變頻器控制室內的溫度恒定。

   三、風(fēng)機變頻調速節能分析及計算
       
     1、現場(chǎng)設備數據：

    五溝煤礦風(fēng)機運行工況調查表
                 
     1、設備基本情況表（銘牌）：
      
           
      2、運行情況表（實(shí)際運行,取10～30天數據，）：
       
        

                     

    2、工頻狀態(tài)下耗電計算

    Pd：電動(dòng)機功率 ； d：電動(dòng)機效率 ； U：電動(dòng)機輸入電壓 ；

   I：電動(dòng)機實(shí)際運行電流 ；cosφ：功率因子。  

   計算公式：Pd = × U × I × cosφ …①

   然后將電機實(shí)際工頻下運行的電流代入上面的公式，得出電機工頻狀態(tài)下的功率Pd

   實(shí)際計算方法：工頻運行下功率：Pd= ×6.3×38.7×0.85=358.9KW

   3、變頻狀態(tài)下年耗電量計算

   1）、風(fēng)機類(lèi)負載的運行特性及管路性能曲線(xiàn)的繪制與計算：

   Pd’：電動(dòng)機軸功率 ； P′：風(fēng)機軸功率 ； ：電動(dòng)機效率 ； ：變頻器實(shí)際效率 ；

   Q：出口流量 ；H：出、入口壓力差，。

   風(fēng)機設備屬平方轉矩負載，其轉速n與流量Q，壓力H以及軸功率P具有如下關(guān)系：Q∝n ，H∝n2，P∝n3；即，流量與轉速成正比，壓力與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比。通過(guò)風(fēng)機數據，依據 公式可依次求得風(fēng)機在采用變頻調速運行時(shí)對應的風(fēng)機總功耗 。

    另有，電動(dòng)機效率 與電動(dòng)機負荷率β之間的關(guān)系如圖一所示。
        
                    

    變頻器的效率 與電動(dòng)機負荷率β之間的關(guān)系如圖二所示。
         
                       

    綜合考慮到電動(dòng)機效率 和變頻器的效率 ，

   則網(wǎng)測功率損耗…②

    節電率 = …③

   風(fēng)機風(fēng)葉角度42°時(shí)，風(fēng)機效率最大，在此工況下，電機轉速757r/min，

   風(fēng)機實(shí)際軸功率P′= = =223.5 kW

   變頻網(wǎng)側功耗 = = 292.1 kW

  考慮變頻冷卻的消耗功率在12kw，

    則節電率 = = =18.6%

   我礦扇風(fēng)機房年用電量298萬(wàn)度，如按節電18.6%計算，則年節電55.4萬(wàn)度，綜合電價(jià)0.61元，年節約資金33.79萬(wàn)元。

    計算說(shuō)明：

    現場(chǎng)設備變頻改造后實(shí)際節電效果僅僅與現有設備工頻運行時(shí)的工況及電流有關(guān)，與節電計算是沒(méi)有關(guān)系的；好的節電計算僅僅能達到能為設備變頻改造提供比較準確的節電率估算的作用；變頻改造后，不管采用什么品牌的變頻器，在設備能夠穩定運行的情況下其節電效果是基本相同的；品質(zhì)優(yōu)良的變頻設備能夠很好的保障用戶(hù)的節能效果和在各種生產(chǎn)過(guò)程正常高效地運行。

    四、應用高壓變頻調速系統產(chǎn)生的其他效果

    1、維護量減少。采用變頻調速后，無(wú)論哪種工藝條件，隨時(shí)可以通過(guò)調整轉速使系統運行在工藝要求的狀態(tài)下工作。

    2、提高設備的使用壽命，大大降低維修費用以及時(shí)間。

    3、工作強度降低。變頻調速系統可由主控系統進(jìn)行協(xié)調控制，根據運行工況按設定程序，實(shí)現對負載電動(dòng)機轉速自動(dòng)控制。大大降低了勞動(dòng)強度，提高了生產(chǎn)效率，為優(yōu)化運營(yíng)提供了可靠保證。

    4、減少了對電網(wǎng)的沖擊。采用變頻調節后，系統實(shí)現軟啟動(dòng)，電機啟動(dòng)電流遠遠小于額定電流，啟動(dòng)時(shí)間相應延長(cháng)，對電網(wǎng)無(wú)大的沖擊，減輕了起動(dòng)機械轉矩對電機機械損傷，有效的延長(cháng)了電機的使用壽命。

   5、提高功率因數

    電壓源型變頻器功率因數可達0.96,采用變頻調速系統后，無(wú)需無(wú)功補償裝置就能滿(mǎn)足電網(wǎng)要求。不但提高了廠(chǎng)變及其它相關(guān)電氣設備的利用率、而且節約了線(xiàn)路能量損失，節約了經(jīng)費，可謂一舉多得。

    6、完善的故障診斷和保護功能

    變頻器具備對電機和變頻器本身完善的保護功能，如過(guò)熱、過(guò)載、過(guò)流、過(guò)壓、缺相、接地等，從而避免設備在不正常狀態(tài)下長(cháng)時(shí)間運行，保證設備不至于損壞。并且，故障信息可以準確地指示故障點(diǎn)，變頻器使用說(shuō)明書(shū)中還有引起故障的原因及排除故障的措施，極大地方便了維護人員排查故障。

    曹啟申，男，1977年6月出生，籍貫：安徽淮北，畢業(yè)于淮南工業(yè)學(xué)院電氣自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，現任機運事業(yè)部電氣主管，工程師，從事四大件電氣技術(shù)維護、管理工作。