國(guó)產(chǎn)高壓變頻器在煤礦主扇風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用

【摘 要】本文主要介紹了國(guó)產(chǎn)高壓變頻器在煤礦主扇風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用情況。通過(guò)對(duì)高壓電機(jī)各種調(diào)速方式比較，選用功率單元串聯(lián)多電平型高壓變頻器對(duì)主扇風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速改造。應(yīng)用情況表明，改造是成功的。

【關(guān)鍵詞】高壓變頻器；功率單元串聯(lián)多電平；煤礦主扇風(fēng)機(jī)

0 引言

我國(guó)煤炭工業(yè)堪稱我國(guó)第一能源工業(yè)，既是產(chǎn)能大戶，又是耗能大戶，同時(shí)也是節(jié)能潛力大戶。煤礦用的通風(fēng)機(jī)的耗電量即占生產(chǎn)電耗的15%～25%為此，采用變頻調(diào)速技術(shù)可大幅度地降低電耗，利用變頻技術(shù)對(duì)現(xiàn)有用電設(shè)備進(jìn)行節(jié)能改造，是解決我國(guó)煤炭工業(yè)高消耗、低效益的根本措施。

1 工況簡(jiǎn)介

沛城煤礦隸屬于天能集團(tuán)有限責(zé)任公司。采用離心式通風(fēng)機(jī)抽風(fēng)。電機(jī)功率為250kw，電壓6kv。煤礦開(kāi)采遵循以風(fēng)定產(chǎn)的要求，風(fēng)量隨煤的產(chǎn)量的增加而增加。因此為了煤礦生產(chǎn)安全、完成生產(chǎn)任務(wù)，所需風(fēng)量、風(fēng)壓隨著開(kāi)采和掘進(jìn)的不斷延伸，巷道延長(zhǎng)，及開(kāi)采量的增加而增加，風(fēng)機(jī)需用功率也隨之增加。風(fēng)量的調(diào)節(jié)方式為擋風(fēng)板調(diào)節(jié)，無(wú)形中浪費(fèi)了大量的電能。針對(duì)這種情況，決定對(duì)主扇風(fēng)機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造。

2 我礦主扇風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)方案

沛城煤礦主扇風(fēng)機(jī)為兩臺(tái)離心式通風(fēng)機(jī)，一用一備。離心式通風(fēng)機(jī)的一般性能曲線。

該礦原來(lái)的主扇風(fēng)機(jī)采用工頻運(yùn)行，在運(yùn)行中一般采用調(diào)節(jié)檔板開(kāi)關(guān)量調(diào)節(jié)通風(fēng)量，因此通風(fēng)效率較低，造成能源浪費(fèi)，增加了生產(chǎn)成本。又由于主扇風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的余量特別大，在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間主扇風(fēng)機(jī)一直處在較輕負(fù)載下運(yùn)行，能源浪費(fèi)更加突出。

當(dāng)主扇風(fēng)機(jī)采用直接啟動(dòng)時(shí)，由于電網(wǎng)容量有限，起動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，啟動(dòng)電流大，對(duì)電動(dòng)機(jī)的絕緣有著較大的威脅，嚴(yán)重時(shí)甚至燒毀電動(dòng)機(jī)。而高壓電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的單軸轉(zhuǎn)矩現(xiàn)象使風(fēng)機(jī)產(chǎn)生較大的機(jī)械振動(dòng)應(yīng)力，嚴(yán)重影響到電動(dòng)機(jī)、風(fēng)機(jī)及其它機(jī)械的使用壽命。

綜合以上幾點(diǎn)，為了礦井的安全生產(chǎn)、降低生產(chǎn)成本和減小對(duì)風(fēng)機(jī)電機(jī)的沖擊，決定采用安邦信公司生產(chǎn)的AMB-HVI-400/06型高壓變頻器對(duì)主扇通風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造。

3 高壓變頻器技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

1）變頻器采用液晶顯示數(shù)字界面，調(diào)整觸摸式面板，可隨時(shí)顯示電壓電流、頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)速，可非常直觀地顯示電機(jī)在任何時(shí)間的實(shí)時(shí)狀態(tài)；

2）精確的頻率分辨率和高的調(diào)速精度，完全可以滿足各種生產(chǎn)工藝工況的要求；

3）高壓變頻器具有國(guó)際通用的外部接口，可以同可編程控制器（PLC）和工控機(jī)等各種儀表相連，并可與原設(shè)備控制回路相連接，構(gòu)成部分閉環(huán)系統(tǒng)，如與原DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和連鎖控制等；

4）具有就地和異地操作功能，另可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能；

5）保護(hù)功能齊全：變頻器有過(guò)壓、過(guò)流、欠壓和變頻器故障保護(hù)功能，具有電力電子保護(hù)和工業(yè)電氣保護(hù)功能，保證變頻器和電機(jī)在正常運(yùn)行和故障時(shí)的安全可靠；

6）電機(jī)可實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)、軟制動(dòng)，啟動(dòng)電流小，小于電機(jī)的額定電流，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間可連續(xù)可調(diào)，減少了對(duì)電網(wǎng)影響；

7）由于采用功率單元串聯(lián)，可采用技術(shù)成熟的低壓IGBT組成逆變單元，通過(guò)串聯(lián)單元的個(gè)數(shù)適應(yīng)不同的輸出電壓要求；

8）完美的輸入輸出波形，使其能適應(yīng)任何場(chǎng)合及電機(jī)使用；

9）由于多功率單元具有相同的結(jié)構(gòu)及參數(shù)，便于將功率單元做成模塊化，實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)計(jì)，即使在個(gè)別單元故障時(shí)也可通過(guò)單元旁路功能將該單元短路，系統(tǒng)仍能正?；蚪殿~運(yùn)行；

10）控制系統(tǒng)采用光纜隔離通訊，避免了干擾系統(tǒng)；

11）變頻工頻之間可實(shí)現(xiàn)無(wú)涌動(dòng)飛車切換。

4 風(fēng)機(jī)的相似定律

（1）表示風(fēng)機(jī)性能的特性曲線有：

H-Q曲線：當(dāng)轉(zhuǎn)速恒定時(shí)， 風(fēng)壓與風(fēng)量間的關(guān)系特性；

P-Q曲線：當(dāng)轉(zhuǎn)速恒定時(shí)， 功率與風(fēng)量間的關(guān)系特性；

η-Q曲線：當(dāng)轉(zhuǎn)速恒定時(shí)，風(fēng)機(jī)的效率特性。

對(duì)于同類型的風(fēng)機(jī)，根據(jù)風(fēng)機(jī)參數(shù)的比例定律，在不同轉(zhuǎn)速時(shí)的H-Q曲線。

根據(jù)風(fēng)機(jī)相似方程，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)膎變到n′，風(fēng)量Q、風(fēng)壓H及軸功率P的變化關(guān)系：

Q′=Q（n′/ n） （1）

H′=H（n′/ n）2 （2）

P′=P（n′/ n）3 （3）

上面的公式說(shuō)明，風(fēng)量與轉(zhuǎn)速成正比。風(fēng)壓與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。因此，從理論上得出轉(zhuǎn)速降10%的時(shí)候，會(huì)帶來(lái)28%的功率下降，轉(zhuǎn)速降50%的時(shí)候，會(huì)帶來(lái)87%的功率下降，由于功率的大幅度下降，可獲得顯著的節(jié)電效果，調(diào)節(jié)閥門和用變頻調(diào)速兩種調(diào)節(jié)方法的運(yùn)行工況點(diǎn)也不同，其運(yùn)行的對(duì)比所示。

（2）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速與采用檔板調(diào)節(jié)流量消耗功率的差值

采用改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和改變管網(wǎng)特性進(jìn)行風(fēng)量的調(diào)節(jié)，在調(diào)節(jié)相同風(fēng)量時(shí)，其風(fēng)機(jī)的特性曲線（H-Q曲線）變化不同，二種調(diào)節(jié)方法的運(yùn)行工況點(diǎn)也不同，其運(yùn)行的對(duì)比。

5 變頻運(yùn)行

變頻投入運(yùn)行以來(lái)一直穩(wěn)定運(yùn)行，輸出頻率、電壓和電流穩(wěn)定，風(fēng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，測(cè)量性能特點(diǎn)為：

（1）變頻器網(wǎng)側(cè)實(shí)測(cè)功率因數(shù)為0.976；

（2）效率均高于96%；

（3）滿載時(shí)網(wǎng)側(cè)電流諧波總?cè)萘啃∮?%，輸出電流諧波小于4%，均低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；

（4）風(fēng)機(jī)以低于額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，噪聲降低磨損減輕，減少了維護(hù)費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)效益良好；

（5）軟啟動(dòng)電流小，保證啟動(dòng)過(guò)程對(duì)電網(wǎng)不會(huì)產(chǎn)生沖擊電流，消除了大電動(dòng)機(jī)大電流啟動(dòng)時(shí)的沖擊力矩對(duì)電機(jī)的損壞；

（6）使用后實(shí)踐證明，投運(yùn)變頻器后，頻率通常在30-50Hz范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速降低，軸承的機(jī)械損耗少，設(shè)備的維護(hù)工作量大大減少，維護(hù)費(fèi)用降低，有利于裝置安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿、優(yōu)運(yùn)行。

6 變頻操作

變頻器顯示采用中文圖形界面，觸摸屏操作，生動(dòng)直觀，變頻器的運(yùn)行狀態(tài)一目了然，各種運(yùn)行數(shù)據(jù)可在觸摸屏上查詢，便于操作人員及時(shí)了解變頻器的運(yùn)行情況。變頻器操作簡(jiǎn)單，風(fēng)機(jī)可在3min之內(nèi)起動(dòng)至高速，短時(shí)間內(nèi)達(dá)到所需風(fēng)量。由于沛城礦屬于老礦井，主扇風(fēng)機(jī)停機(jī)10min就是重大事故，簡(jiǎn)便的操作和短的起動(dòng)時(shí)間確保了生產(chǎn)安全，并且反風(fēng)操作比以前簡(jiǎn)單可靠，完全可滿足10min內(nèi)實(shí)現(xiàn)反風(fēng)的要求。

7 能耗分析

主扇風(fēng)機(jī)：功率250KW，額定電流29.8A，實(shí)際工作電流為22A，功率因數(shù)0.82，風(fēng)門開(kāi)度65%（長(zhǎng)期）工作時(shí)間按12月/年，變頻系統(tǒng)效率97%，變頻系統(tǒng)功率因數(shù)≥0.96，電機(jī)軸輸出功率為250KW時(shí)，電機(jī)的輸入功率：P1=■UIcosφ，P=1.732 ×6×22×0.82=187kW；

風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為580r/min，實(shí)際需求轉(zhuǎn)速為492r/min，電機(jī)和風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變比為500/320，電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為990r/min，為達(dá)到風(fēng)機(jī)的實(shí)際需求的轉(zhuǎn)速，則電機(jī)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)為839r/min，轉(zhuǎn)速下降比率839/990=0.848，則變頻功率消耗為額定功率的三次方60.9%，變頻功率為P1=250KW×（60.9%）=152KW，節(jié)省功率：187kW-152kW=35kW，節(jié)電率為（35）kW÷（187）kW×100%=（18.7）%。（注：一般的變頻改造都有20%左右的節(jié)電率）每天24小時(shí)運(yùn)行，每年按照360天計(jì)算，平均電價(jià)0.54元/度，一年節(jié)省（35）kW×24小時(shí)×360天×0.54元/度=（163296）元。

間接經(jīng)濟(jì)效益分析：功率因數(shù)改善效益，起動(dòng)節(jié)省電能，減少維修費(fèi)用，節(jié)省勞動(dòng)力等。

8 結(jié)束語(yǔ)

在沛城煤礦主扇風(fēng)機(jī)成功應(yīng)用高壓變頻器這是第一次，在中國(guó)煤炭行業(yè)，礦用通風(fēng)機(jī)高壓變頻改造也不多見(jiàn)，其示范意義是不言而喻的。實(shí)際應(yīng)用表明，高壓變頻器的應(yīng)用于煤礦主扇風(fēng)機(jī)的系統(tǒng)改造，必將取得良好的運(yùn)行效果和經(jīng)濟(jì)效益。我國(guó)是世界上的產(chǎn)煤大國(guó)，又是能源相對(duì)貧乏的國(guó)家之一，而且也是噸煤耗能較高的國(guó)家。而推廣使用變頻器在煤礦行業(yè)進(jìn)行改造，節(jié)約能源的效果將是非?？捎^的，適應(yīng)了國(guó)家建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的潮流。

[責(zé)任編輯：丁艷]