高壓變頻器在煤礦主通風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用與研究

杜 欣

（山西省陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司一礦， 山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

礦井主通風(fēng)機(jī)用于向井下提供新鮮風(fēng)流、排除污濁空氣和有害氣體，對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)影響重大。礦井主通風(fēng)機(jī)全年不間斷運(yùn)行，其電耗量較大，經(jīng)調(diào)查，一個(gè)礦井的主扇風(fēng)機(jī)年用電量約占全礦年用電量的8%～20%，是礦山的主要用電設(shè)備之一。

目前，陽(yáng)煤集團(tuán)一礦南翼主扇機(jī)房現(xiàn)配置兩臺(tái)FBCDZ-NO.20 型對(duì)旋軸流式風(fēng)機(jī)，一用一備，每臺(tái)風(fēng)機(jī)配置兩臺(tái)額定電壓為6 kV、額定功率為2 kW×220 kW 的交流隔爆異步電機(jī)雙電機(jī)拖動(dòng)，電控系統(tǒng)采用工頻定速控制，其風(fēng)量和負(fù)壓控制是通過(guò)人工扭轉(zhuǎn)風(fēng)葉角度來(lái)實(shí)現(xiàn)的，人工調(diào)節(jié)風(fēng)葉角度必須在風(fēng)機(jī)停機(jī)后才能進(jìn)行，這種調(diào)節(jié)方式只適合較長(zhǎng)階段的風(fēng)量調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)起來(lái)既不安全又費(fèi)時(shí)費(fèi)力影響生產(chǎn)。可調(diào)范圍也不大（一般1°為一個(gè)單位），電機(jī)全速運(yùn)行，節(jié)電不明顯。而且大多數(shù)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)上存在余量，如果任其運(yùn)轉(zhuǎn)勢(shì)必造成電能浪費(fèi)。加之，有些時(shí)候風(fēng)量受季節(jié)、環(huán)境溫度和開(kāi)采工序等影響，需要經(jīng)常性的對(duì)風(fēng)機(jī)葉片角度進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此原先的控制系統(tǒng)就顯得十分繁瑣，這樣造成風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行效率低下，電能浪費(fèi)驚人，運(yùn)行狀況差，增加了維修工作量，因此，需要對(duì)一礦南翼主扇風(fēng)機(jī)的電控系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)葉轉(zhuǎn)速的方式來(lái)控制主扇的風(fēng)量、風(fēng)壓，以滿足礦井生產(chǎn)的實(shí)際需要，達(dá)到降低能耗，減少維修工作量的目的，使南翼主扇風(fēng)機(jī)能更好地服務(wù)于井下生產(chǎn)，創(chuàng)造企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

1 項(xiàng)目目標(biāo)

1.1 方案選擇

為了選擇合理的節(jié)能方案，我們調(diào)研和計(jì)算了不同風(fēng)量調(diào)節(jié)方式的功率消耗情況，如圖1 所示：

圖1 不同風(fēng)量調(diào)節(jié)方法功率消耗曲線圖

由上圖可見(jiàn)，變頻調(diào)速法在現(xiàn)有的幾種風(fēng)量調(diào)節(jié)方法中是最理想、最有效、最節(jié)能的調(diào)節(jié)方法，而南翼主扇現(xiàn)在使用的調(diào)整風(fēng)葉角度法，功率消耗僅次于擋板法，節(jié)能空間較大。

1.2 效益測(cè)算

應(yīng)用高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，可以大大提高電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制精度，使電機(jī)在最節(jié)能的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。根據(jù)流體力學(xué)原理，軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。當(dāng)所需風(fēng)量減少，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，其功率按轉(zhuǎn)速的三次方下降。因此，精確調(diào)速的節(jié)電效果非常可觀。

2 關(guān)鍵技術(shù)

礦井主通風(fēng)機(jī)采用高壓變頻調(diào)速裝置控制可以實(shí)現(xiàn)礦井風(fēng)量有序供給和自動(dòng)控制。設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮以下主要因素：

2.1 安全可靠性

1）根據(jù)主通風(fēng)機(jī)的電氣參數(shù)確定最佳的S 形加速曲線，而且還要考慮到變頻器偶然性故障，具有旁路應(yīng)急工頻運(yùn)行方式。

2）按礦井所需風(fēng)量和風(fēng)壓的大小，預(yù)先調(diào)整主通風(fēng)機(jī)葉片的角度，而后根據(jù)主通風(fēng)機(jī)的特性曲線選定最佳運(yùn)行工況點(diǎn)和電機(jī)最佳轉(zhuǎn)速，最后確定變頻器的運(yùn)行頻率，使主通風(fēng)機(jī)始終處于良好的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

3）主通風(fēng)機(jī)須定期輪換運(yùn)行，以便按周期保養(yǎng)維護(hù)。為保證倒機(jī)前后井下風(fēng)量相同，兩臺(tái)主通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)應(yīng)調(diào)整一致。

4）按《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，礦井每年要進(jìn)行反風(fēng)演習(xí)，以保證井下發(fā)生災(zāi)害時(shí)，主通風(fēng)機(jī)能及時(shí)可靠地反轉(zhuǎn)，滿足井下所需的反風(fēng)量。變頻器在設(shè)置頻率時(shí)，須考慮到變頻器負(fù)頻率的設(shè)定范圍。不需要按傳統(tǒng)的反風(fēng)方式-調(diào)整風(fēng)葉角度或用斷路器切換相序?qū)崿F(xiàn)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，只需通過(guò)人機(jī)界面將運(yùn)行頻率設(shè)定到負(fù)頻率值，使主通風(fēng)機(jī)先減速到零，然后轉(zhuǎn)到負(fù)頻率轉(zhuǎn)速，即可實(shí)現(xiàn)主通風(fēng)機(jī)反風(fēng)，這樣既簡(jiǎn)化了操作程序，又提高了反風(fēng)的安全性、準(zhǔn)確性、及時(shí)性。

2.2 消除諧波污染

變頻調(diào)速裝置是一種高性價(jià)比的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，變頻器的三相輸出電壓波形為SPWM 波，在異步電動(dòng)機(jī)的定子電流中含有高次諧波成分，高次諧波會(huì)增加電動(dòng)機(jī)的損耗使電動(dòng)機(jī)效率降低、功率因數(shù)減小及降低電動(dòng)機(jī)的使用壽命，因此，在選用變頻器時(shí)，要注意盡量選擇含高次諧波分量小的產(chǎn)品。

2.3 變頻調(diào)速控制應(yīng)當(dāng)與礦井安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)

應(yīng)把變頻器的控制系統(tǒng)與瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，當(dāng)井下采掘工作面瓦斯突然涌出量較大時(shí)，通過(guò)瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整變頻器的工作頻率，提高主通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，及時(shí)沖淡瓦斯?jié)舛龋ＷC礦井安全生產(chǎn)。

3 高壓變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的改造方案

3.1 供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

變頻系統(tǒng)的供電電源分為動(dòng)力供電和控制系統(tǒng)供電兩部分。動(dòng)力供電均來(lái)自不同的動(dòng)力開(kāi)關(guān)柜，兩路電源均引自不同的母線段，保證動(dòng)力供電的可靠性、連續(xù)性；控制電源均由不同母線段高壓柜內(nèi)的降壓變壓器供電。

3.2 實(shí)現(xiàn)變頻、工頻兩種方式可靠切換

正常情況下變頻系統(tǒng)根據(jù)礦井所需風(fēng)量，適時(shí)調(diào)整主通風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速，滿足礦井井下風(fēng)量需求，當(dāng)高壓變頻調(diào)速裝置發(fā)生故障時(shí)，可由變頻運(yùn)行方式自動(dòng)切換至工頻應(yīng)急方式供電，保證主通風(fēng)機(jī)設(shè)備運(yùn)行安全可靠。

3.3 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控

通過(guò)本地操作界面實(shí)現(xiàn)變頻系統(tǒng)所有的運(yùn)行控制、參數(shù)修改、狀態(tài)顯示和故障查詢等功能，并通過(guò)變頻系統(tǒng)的接口，連接到遠(yuǎn)程工控機(jī)可實(shí)現(xiàn)相同的功能。

3.4 變頻器容量的選擇

按變頻器所驅(qū)動(dòng)的通風(fēng)機(jī)電機(jī)的最大功率，并留有一定裕量，即Se=KiPmax/cosφ。

式中：Se為所選變頻器的容量，kVA；Ki為富裕系數(shù)，取1.1～1.4；Pmax為主通風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的最大功率,kW；cosφ 為電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)

陽(yáng)煤一礦南翼主扇為對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)，主電機(jī)為雙電機(jī)拖動(dòng)式通風(fēng)機(jī)，負(fù)載性質(zhì)屬于典型的輕載啟動(dòng)。主通風(fēng)機(jī)電控方式采用高壓變頻器是最佳的，通過(guò)對(duì)市場(chǎng)上的高壓變頻器選型，最終選擇由新風(fēng)光電子科技股份有限公司生產(chǎn)的JD-BP37-560F型交流電動(dòng)機(jī)高壓變頻器，此變頻器額定功率為560 kW，可滿足南翼主扇2×220 kW 雙電機(jī)拖動(dòng)對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)的實(shí)際需要。

4 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理

4.1 高壓變頻器的結(jié)構(gòu)原理（如圖2 所示）

圖2 高壓變頻器主回路圖

高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)是由移相變壓器、功率單元和控制器組成，有15 個(gè)功率單元，每5 個(gè)功率單元串聯(lián)構(gòu)成一組，為基本的交-直-交單相逆變電路。

4.2 功率單元的工作原理

功率單元的整流側(cè)為六支二極管實(shí)現(xiàn)三相全波整流，通過(guò)對(duì)IGBT 逆變橋進(jìn)行正弦PWM 控制，每個(gè)功率單元完全一樣，可以互換，這不但調(diào)試、維修方便，而且備份也十分經(jīng)濟(jì)，假如某一單元發(fā)生故障，該單元的輸出端能自動(dòng)通過(guò)軟件控制IGBT 的兩個(gè)上橋?qū)▽?shí)現(xiàn)旁路故障單元而整機(jī)可以降額工作，而不影響運(yùn)行。功率單元原理圖如圖3 所示。

每個(gè)功率單元都承受全部的電機(jī)電流、1/5 的相電壓、1/15 的輸出功率。15 個(gè)單元在變壓器上都有自己獨(dú)立的三相輸入繞組。輸出側(cè)由每個(gè)單元的U、V 輸出端子相互串接而成星型接法給電機(jī)供電，通過(guò)對(duì)每個(gè)單元的PWM 波形進(jìn)行重組，得到階PWM波形。這種波形正弦度好，dV/dt 小，可減少對(duì)電纜和電機(jī)的絕緣損壞，同時(shí)，電機(jī)的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機(jī)械振動(dòng)，減小了軸承和葉片的機(jī)械應(yīng)力。

圖3 功率單元原理圖

控制器核心由高速32 位DSP 和一體化人機(jī)界面協(xié)同運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)，精心設(shè)計(jì)的算法可以保證電機(jī)達(dá)到最優(yōu)的運(yùn)行性能。提供友好的全中文監(jiān)控和操作界面，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)外控監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制。PLC控制器用于柜體內(nèi)開(kāi)關(guān)信號(hào)的邏輯處理，以及與現(xiàn)場(chǎng)各種操作信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)的協(xié)調(diào)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。

控制器及各單元控制板采用32 位DSP、大規(guī)模集成電路和表面焊接技術(shù)，系統(tǒng)具有極高的可靠性。

另外，控制器與功率單元之間采用多通道光纖通訊技術(shù)，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統(tǒng)具有極高的安全性，同時(shí)具有很好的抗電磁干擾性能。

5 應(yīng)用效果分析

2018 年12 月，陽(yáng)煤一礦南翼主扇高壓變頻調(diào)速裝置投入使用，運(yùn)行6 個(gè)月來(lái)，運(yùn)行效率明顯提升，大大提升了礦井通風(fēng)系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)，帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益也相當(dāng)可觀。

1）風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)頻率低、轉(zhuǎn)速低，電流小且平穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。避免了原先用工頻啟動(dòng)時(shí)的大電流大轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)、電纜、開(kāi)關(guān)及機(jī)械設(shè)備的不利沖擊，不僅延長(zhǎng)了電機(jī)等設(shè)備的使用壽命，也減輕了軸承的磨損，提高了設(shè)備的安全性和可靠性。

2）節(jié)電效果顯著。改造前風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率低，在60%以下，采用高壓變頻調(diào)速裝置后，風(fēng)機(jī)效率提高到85%以上，年節(jié)電 47.3 萬(wàn)kWh，按 0.5 元 /kWh 計(jì)算，每年可節(jié)省用電費(fèi)用23.65 萬(wàn)元。

3）高可靠性、易操作。高壓變頻器柜的觸摸屏，采用中文界面，便于掌控運(yùn)行狀態(tài)，風(fēng)機(jī)可以根據(jù)礦井通風(fēng)需要隨時(shí)調(diào)速運(yùn)行，徹底減少了人工調(diào)整風(fēng)葉角度帶來(lái)的工作量，使風(fēng)機(jī)始終運(yùn)行在高效區(qū)。風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)風(fēng)量時(shí)，不需要再調(diào)整葉片角度，減少了人工調(diào)整風(fēng)葉角度的工作量，同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)控制，實(shí)現(xiàn)無(wú)人操作。同時(shí)，中文易識(shí)別，有利于故障排除快速排除。

4）減少了對(duì)電網(wǎng)的沖擊。采用變頻調(diào)節(jié)后，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，電機(jī)啟動(dòng)電流不超過(guò)額定電流，啟動(dòng)時(shí)間相應(yīng)延長(zhǎng)，對(duì)電網(wǎng)無(wú)沖擊，延長(zhǎng)了電機(jī)及風(fēng)機(jī)的使用壽命。

5）維護(hù)量減少。采用高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)后，風(fēng)機(jī)的振動(dòng)、噪音和溫度明顯降低，不僅有效延長(zhǎng)了密封、軸承的使用壽命，而且也延長(zhǎng)了通風(fēng)機(jī)的檢修周期，減少了檢修維護(hù)量，節(jié)約了大量維護(hù)費(fèi)用。