摘要：為了實(shí)現節能降耗，山西煤炭運銷(xiāo)集團針對高壓主通風(fēng)機進(jìn)行技術(shù)改造。根據設備的具體工 藝情況，并且分析比較各種可能的技術(shù)方案，確定了采用高壓變頻技術(shù)的最佳解決方案。通過(guò)對改造前后主通風(fēng)機運行情況的對比分析，得出改造后電能大幅度降 低、提高了主通風(fēng)機的控制水平的結論。

關(guān)鍵詞：煤礦主通風(fēng)機；節能；高壓變頻器；功率單元串聯(lián)多電平

引言

節 能降耗已成為我國的基本國策。煤礦企業(yè)既是產(chǎn)能大戶(hù)，又是耗能大戶(hù)，許多煤礦企業(yè)都非常重視高耗能用電設備的節能技改工作。特別是主通風(fēng)機，設備功率大、 24 h不停運轉。由于煤礦特殊的工藝要求，該設備存在很大的節能空問(wèn)。在滿(mǎn)足礦井的通風(fēng)需要的同時(shí)，又實(shí)現最大程度的節能，本文通過(guò)闡述對山西煤炭運銷(xiāo) 集團礦井主通風(fēng)機采用高壓變頻改造，選用功率單元串聯(lián)多電平高壓變頻器，實(shí)現了主通風(fēng)機的電能節約和風(fēng)量無(wú)級自動(dòng)調節。

1、設備的工況和節能要求

1.1、設備參數

煤礦企業(yè)主通風(fēng)機為南陽(yáng)防爆集團生產(chǎn)的2臺防爆對旋式軸流通風(fēng)機。風(fēng)機主要參數如下：

型號：BDK65—10一N026

電動(dòng)機額定功率／kW：2 x 800

負壓／Pa：3077～120

風(fēng)量／m •s：60～150

額定轉速／r-min：990

額定電壓／V：10000

額定電流／A：2x 56.3

絕緣等級：F級

1.2、運行情況

2臺對旋風(fēng)機互為備用，單臺電機運行電流在43 A左右，該風(fēng)機月用電量在63萬(wàn)kWh以上。

1.3、對設備節能的具體要求

根據礦井具體情況，確定了采用變頻方式進(jìn)行技術(shù)改造。

 (1)在不影響通風(fēng)量的前提下，變頻設備應大幅度降低原用電設備(指的是煤礦主通風(fēng)機)的電能，節電量要在20％ 以上。

(2)在不降低的基礎上，能夠提高原用電設備的安全性和穩定性。

(3)變頻設備自身的使用壽命長(cháng)，損耗低，日常維護量少。同時(shí)能夠降低原用電設備的維護量。

(4)變頻設備操作方便、不改變原用電設備操作工的操作習慣。操作工在簡(jiǎn)單培訓后就可以熟練操作變頻設備。

(5)為了滿(mǎn)足未來(lái)煤礦的發(fā)展需要，變頻設備容量留有一定的富裕。

2、改造方案的確定

經(jīng)過(guò)論證分析，確定了采用功率單元串聯(lián)多電平型高壓變頻器根據井下負壓值連續控制主通風(fēng)機的風(fēng)量的節能方案，利用1臺變頻器同時(shí)拖動(dòng)1臺對旋風(fēng)機的2臺電機，2臺對旋風(fēng)機可以分時(shí)使用變頻。

2.1、風(fēng)量調節方式的選擇

礦井生產(chǎn)過(guò)程中，井下對風(fēng)量的需求和通風(fēng)網(wǎng)絡(luò )特性經(jīng)常發(fā)生變化，需要經(jīng)常調節風(fēng)機的工況點(diǎn)以適應生產(chǎn)要求?！睹旱V安全規程》對煤礦井下的通風(fēng)量有具體規定，小了不能滿(mǎn)足要求，大了會(huì )使采煤工作面粉塵加劇而且浪費能源，操作工人通過(guò)觀(guān)察井下的負壓值高低來(lái)判斷風(fēng)量是否適合。

原 系統主通風(fēng)機的風(fēng)量調節主要是改變葉片安裝角度和節流調節，但是節流調節會(huì )造成能源浪費；改變葉輪葉片安裝角度一方面需停機操作，另一方面也會(huì )使風(fēng)機效率 發(fā)生變化，通常需調節的幅度較大時(shí)才采用。只有根據負壓值變化自動(dòng)調節轉速的方式不改變風(fēng)機的效率，在各個(gè)工況點(diǎn)實(shí)現不停機調節風(fēng)機高效狀態(tài)下運轉。

2．2、調速方式的選擇

(1)液力耦合器在電機和負載之間串人一個(gè)液力耦合裝置，通過(guò)液面的高低調節電機和負載之間耦合力的大小，實(shí)現負載的速度調節。這種調速方法實(shí)質(zhì)上是轉差功率消耗型的做法，其主要缺點(diǎn)是隨著(zhù)轉速下降效率越來(lái)越低，并且維護工作量大。

(2) 串級調速 串級調速必須采用繞線(xiàn)式異步電動(dòng)機，將轉子繞組的一部分能量通過(guò)整流、逆變再送回到電網(wǎng)，而現在工業(yè)現場(chǎng)幾乎都采用鼠籠式異步電動(dòng)機，更換電機 非常麻煩。這種調速方式的調速范圍一般在70％ ～95％，調速范圍窄。容易造成對電網(wǎng)的諧波污染，功率因數低；串級調速電機受轉子滑環(huán)的影響，大功率無(wú) 法實(shí)現；滑環(huán)維護工作量大；屬于落后技術(shù)。

(3)變頻調速方式(根據公式 n=60f(1一s)／P)通過(guò)高壓變頻器改變電源頻率來(lái)調節三相異步電機的轉速。這種調速方式調速范圍寬、設備使用壽命長(cháng)、自身能耗低、日常維護量少。 缺點(diǎn)是設備造價(jià)比較高，但是隨著(zhù)高壓變頻器大規模的推廣，其造價(jià)正在逐步降低。通過(guò)以上分析可見(jiàn)高壓變頻方式最為合適。

2．3、高壓變頻器種類(lèi)的選擇

高壓變頻技術(shù)由于現有的電力電子器件耐壓不足，所以每臺產(chǎn)品均需要使用大量的電力電子器件。這些器件組合的多樣性，使得高壓變頻電路組合也很多，當前常用的高壓變頻器主要有以下幾類(lèi)技術(shù)

方案：

(1) 高低高方式

即 變頻器為低壓變頻器，采用輸入降壓變壓器，先把電網(wǎng)電壓降低，然后采用1臺低壓變頻器實(shí)現變頻；對于電機，則有2種辦法：①改用低壓電機；②仍采用原來(lái)的 高壓電機，需要在變頻器和電機之間再增加1臺升壓變壓器，即高一低一高變頻方式。這種做法由于采用低壓變頻器，容量也比較小，對電網(wǎng)側的諧波較大。

(2) 三電平電壓型高壓變頻調速方式

三 電平電壓源型高壓變頻技術(shù)通過(guò)獨特的二極管鉗位(或者其他的鉗位)方法，可以使系統的輸出電壓增加一個(gè)電平，與兩電平相比較，這種方式的相電壓可以有3個(gè) 電平輸出，故稱(chēng)為三電平。同時(shí)每個(gè)電力電子器件所承受的耐壓只有直流母線(xiàn)電壓的一半，所以采用這種方式，可以使電力電子器件的耐壓要求降低一半，當采用一 些高壓的全控型器件，如高壓IGBrI1、IGCT、ⅢCI1、GTO晶閘管時(shí)，可以直接實(shí)現高壓輸出。由于控制上難度較大，這種方法目前應用比較少，技 術(shù)尚不成熟，所以不采用。

(3) 功率單元串聯(lián)式多電平高壓變頻方式

功 率單元串聯(lián)式多電平高壓變頻產(chǎn)品是在輸入端設置1臺輸入隔離變壓器，將輸入高壓交流電變成多組低壓交流電，每組低壓交流電分別輸入到1個(gè)功率單元，經(jīng)整流 濾波為直流電后，再經(jīng)逆變成為交流電，各功率單元的交流信號在逆變側串聯(lián)成為高壓交流輸出供給高壓電動(dòng)機。為了減少輸入諧波，變壓器的每個(gè)二次繞組的相位 1次錯開(kāi)1個(gè)角度，形成多脈沖、多重化整流方式。其逆變輸出采用多重PWM方式，輸出諧波非常小。這種方式采用低壓器件實(shí)現高壓變頻輸出，器件無(wú)需串聯(lián)， 輸入輸出諧波非常小，是一種成熟穩定的高壓變頻技術(shù)。

本次改造選用的就是功率單元串聯(lián)式多電平高壓變頻器產(chǎn)品。

2．4、控制方式的選擇

由于進(jìn)行的是設備節能改造，所以在保證穩定性的前提下，成本是優(yōu)先考慮的。一拖二方式在性能上基本與一對一方式相同，工程造價(jià)上降低50％以上的費用。以下是2種方式的介紹：

(1) 一對一的方式

一 對一的方式即變頻器與電機一對一方式。由于對旋風(fēng)機為2臺風(fēng)機首尾相對放置，那么1臺對旋風(fēng)機就需要2臺變頻器。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單，系統穩定性 高。由于4OO kW以下的高壓變頻器原材料成本幾乎一樣，所以這樣的工程造價(jià)將非常大。如果把備用的對旋風(fēng)機也全部配齊的話(huà)，整個(gè)工程造價(jià)將又翻一倍。

(2) 一拖二的方式

一拖二方式就是1臺變頻同時(shí)拖動(dòng)1臺對旋風(fēng)機的2臺電機，2臺對旋風(fēng)機可以分時(shí)使用該變頻器。這種方式缺點(diǎn)是控制系統復雜，安裝調試時(shí)間長(cháng)。但是優(yōu)點(diǎn)是整個(gè)工程造價(jià)低(比一對一方式降低一半以上費用)，設備使用率高。

3、高壓變頻設備介紹

通過(guò)對各方面比較，決定采用高壓變頻器對主通風(fēng)機進(jìn)行改造。選用了深圳市英威騰電氣股份有限公司生產(chǎn)CHH100-1600-10的高壓變頻器。

(1) 高壓變頻器的主要性能指標

變頻器容量／kVA: 2500

輸入頻率／Hz:0～50

額定輸入電壓／kV:10．0(±10％)

輸出頻率范圍／Hz:0～120

過(guò)載能力／％:120(1 min)；200立即保護

性能滿(mǎn)足相關(guān)指標：IEEE519—1992((電源系統諧波控制推薦規程和要求》；GB／T14549—1993(電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》。

(2)性能主要特點(diǎn)

① 高壓變頻調速系統采用直接“高一高”變換形式，為單元串聯(lián)多電平拓撲結構，主體結構有多組功率模塊并聯(lián)而成；采用單元串聯(lián)疊波技術(shù)、空問(wèn)矢量控制的正弦波PWM調制方法。

② 變頻裝置控制采用LED鍵盤(pán)控制和人機界面控制2種控制方式，2種方式互為備用，2種方式從就地界面上可以進(jìn)行增、減負荷，開(kāi)停機等操作。裝置保留至少一個(gè)月的故障記錄。

③ 在20％ ～100％ 的調速范圍內，變頻系統在不加任何功率因數補償的情況下，本機輸入端功率因數達到0．97以上，減少無(wú)功輸入，降低了供電容量。

④ 變頻裝置對電網(wǎng)電壓的波動(dòng)有較強的適應能力，在一10％ ～+10％電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)能滿(mǎn)載輸出?？梢猿惺?5％的電網(wǎng)電壓下降而正常繼續運行，能適應煤礦電壓大幅波動(dòng)的電網(wǎng)環(huán)境。

⑤ 變頻裝置設以下保護：過(guò)電壓、過(guò)電流、欠電壓、缺相保護，短路保護，失速保護，變頻器過(guò)載、電機過(guò)載保護，半導體器件的過(guò)熱保護，瞬時(shí)停電保護等，聯(lián)跳至輸入側10 kV開(kāi)關(guān)。保護的性能符合國家有關(guān)標準的規定，并提供故障、斷電、停機等報警。

(3) 具體控制方案

如 下方圖1所示，此系統由QF、QF1 ～QF4，高壓變頻器、自動(dòng)切換柜(QS1 ～QS4，KM1 ～KM4組成)、電動(dòng)機M1 ～M4組成。高壓開(kāi)關(guān) 柜為變頻器饋電，并為其提供保護，保護主要有速斷保護、過(guò)載保護、過(guò)電壓保護，其整定值根據變頻器額定值計算。變頻器與高壓柜之間的聯(lián)鎖關(guān)系有：

① 合閘閉鎖將變頻器“合閘允許”信號串聯(lián)于高壓開(kāi)關(guān)合閘回路。變頻器故障或不能就緒時(shí)，高壓開(kāi)關(guān)(斷路器QF)合閘不允許。

② 故障分閘將變頻器“高壓分斷”信號并聯(lián)于高壓開(kāi)關(guān)分閘回路。當變頻器出現故障時(shí)，分斷變頻器高壓輸入。

③ 隔 離開(kāi)關(guān)、真空接觸器以及高壓斷路器之間的閉鎖關(guān)系KM1 與KM 4電氣互鎖；KM1 與KM3,電氣互鎖；KM2 與KM3 電氣互鎖；KM2與 KM4,電氣互鎖；控制同一臺電機的高壓斷路器和真空接觸器同時(shí)只允許一個(gè)閉合，如QF閉合，則KM1 不允許合閘，KM 1合閘，則QF 不允許合閘。

④ 當 M1 正轉M2 同時(shí)反轉時(shí)，即拖動(dòng)一臺對旋通風(fēng)機變頻運行時(shí)，斷開(kāi)QF1、QF2，分別合上QS1 、Q S2、KM1 、KM2：、QF；當變頻器出 現故障時(shí)，由另一臺對旋式風(fēng)機運行，即斷開(kāi)QF、KM1 、KM2、QS1 、QS2，合上QF3、QF4、KM3、KM4。

⑤ 當變頻器出現故障或需要檢修時(shí)，只要斷開(kāi)QF和QS1 ～QS4即可。變頻器具有反風(fēng)功能。柜門(mén)上有1～4 風(fēng)機運行指示，KM1 ～KM4,分閘和合閘指示。

圖1 電氣控制電路圖

4、變頻設備運行情況

變 頻器于2011年6月30日安裝完成，7月3日投入運行。變頻器顯示采用中文圖形界面，觸摸屏操作，生動(dòng)直觀(guān)，變頻器的運行狀態(tài)一目了然，各種運行數據可 在觸摸屏上查詢(xún)，便于操作人員及時(shí)了解變頻器的運行情況。變頻器操作簡(jiǎn)單，兩級風(fēng)機可以同時(shí)起動(dòng)，可在3 min之內起動(dòng)至高速，短時(shí)間內達到所需風(fēng) 量。   縮短的起動(dòng)時(shí)間確保了生產(chǎn)安全。反風(fēng)操作比以前簡(jiǎn)單可靠，完全可滿(mǎn)足1Omin內實(shí)現反風(fēng)的要求。根據實(shí)測累計節約電能 50586 kWh／d。變頻器投入運行以來(lái)一直運行穩定，輸出頻率、電壓和電流符合要求，變頻器網(wǎng)側實(shí)測功率因數為0．976，效率均高于96％ ，滿(mǎn) 載時(shí)網(wǎng)側電流諧波總容量小于3％ 。