煤礦主通風(fēng)機(jī)改造中高壓變頻器的應(yīng)用

周永杰

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司東曲煤礦機(jī)電科外維一隊(duì)，山西 古交 030200）

引言

在國(guó)家相關(guān)政策的積極引導(dǎo)下，煤礦企業(yè)也越來越重視礦用高能耗設(shè)備的節(jié)能技改。在礦用大型機(jī)電設(shè)備中主通風(fēng)設(shè)備功率較大，一般情況下24 h不停運(yùn)轉(zhuǎn)，該設(shè)備節(jié)能技改必將為其余高能耗設(shè)備改造提供成功經(jīng)驗(yàn)，并使煤礦生產(chǎn)高能耗問題得到一定程度緩解。

1 設(shè)備運(yùn)行情況

某煤礦以南陽(yáng)防爆集團(tuán)所生產(chǎn)的BDK68-10-NO26 型防爆對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)為主通風(fēng)機(jī)，該設(shè)備額定功率2×160 kW，負(fù)壓3 075～120 Pa，風(fēng)量60～150 m3/s，額定轉(zhuǎn)速590 r/min，額定電壓6 000 V，額定電流2×22 A，絕緣等級(jí)達(dá)到F 級(jí)。該煤礦兩臺(tái)風(fēng)機(jī)互為備用，在單臺(tái)風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況下月耗電量至少16×104kWh。為響應(yīng)節(jié)能降耗的生產(chǎn)要求，該煤礦決定進(jìn)行變頻技術(shù)改造：風(fēng)量既定的基礎(chǔ)上變頻設(shè)備能使主通風(fēng)機(jī)電能能耗降低至少20%，并能使原設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性顯著提升，維護(hù)量大大減少；變頻設(shè)備在不改變?cè)秒娫O(shè)備操作習(xí)慣的基礎(chǔ)上，可大大簡(jiǎn)化操作過程，且變頻設(shè)備容量包括一定的富裕值設(shè)定[1]。

2 改造方案

經(jīng)過多方論證，該煤礦決定改用功率單元串聯(lián)的多電平型高壓變頻器，并通過井下負(fù)壓連續(xù)控制主通風(fēng)機(jī)風(fēng)量，1 臺(tái)變頻器能同時(shí)拖動(dòng)2 臺(tái)對(duì)旋風(fēng)機(jī)電機(jī)，以達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

2.1 風(fēng)量調(diào)節(jié)及調(diào)速方式

煤礦井下生產(chǎn)對(duì)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)特性和風(fēng)量有較高要求，必須進(jìn)行風(fēng)機(jī)工況的實(shí)時(shí)調(diào)整，某煤礦原通風(fēng)系統(tǒng)主要依靠葉片安裝角度改變及節(jié)流進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)，這種調(diào)節(jié)方式很容易造成能源浪費(fèi)，葉輪葉片安裝角度的調(diào)整既會(huì)引起通風(fēng)設(shè)備停機(jī)，又會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)效率發(fā)生改變?！睹旱V安全規(guī)程》對(duì)井下通風(fēng)量有具體規(guī)定，并要求操作人員根據(jù)對(duì)井下負(fù)壓值的判斷進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)[2]，這種做法不改變風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率，也無須停機(jī)，便能使風(fēng)機(jī)處于高效運(yùn)行狀態(tài)。

與液力耦合裝置調(diào)速及串級(jí)調(diào)速等方式不同，變頻調(diào)速方式主要借助高壓變頻器使電源頻率改變以調(diào)節(jié)三相異步電機(jī)轉(zhuǎn)速，設(shè)備自身能耗低、壽命長(zhǎng)，調(diào)速范圍不受限；變頻調(diào)速器造價(jià)較高，但隨著高壓變頻技術(shù)的推廣應(yīng)用，其購(gòu)置費(fèi)用呈下降趨勢(shì)。

2.2 高壓變頻器選擇

考慮到當(dāng)前電力電子器件耐壓性不良，每臺(tái)高壓變頻器在生產(chǎn)過程中都要使用大量電力電子器件，此類器件組合形式較多，所對(duì)應(yīng)的高壓變頻器類型也有多種，如高-低-高變頻方式、三電平電壓型高壓變頻方式、功率單元串聯(lián)式多電平高壓變頻方式等。功率單元串聯(lián)式多電平高壓變頻方式高壓變頻輸出主要通過低壓器件完成，無須進(jìn)行器件之間的串聯(lián)，輸入輸出諧波小，技術(shù)成熟穩(wěn)定，該煤礦主通風(fēng)機(jī)改造中主要采用此種高壓變頻器產(chǎn)品。

2.3 控制方式選擇

該煤礦主通風(fēng)機(jī)節(jié)能技改過程中必須在確保風(fēng)機(jī)性能穩(wěn)定的基礎(chǔ)上考慮成本，借鑒相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，變頻器和電機(jī)一對(duì)一控制方式與一拖二控制方式工效、性能基本相同，但前者造價(jià)比后者大約高出50%，若將備用對(duì)旋風(fēng)機(jī)全部配齊，造價(jià)將翻升一倍。為此，該煤礦主通風(fēng)機(jī)節(jié)能技改過程中，選擇1 臺(tái)變頻器同時(shí)拖動(dòng)2 臺(tái)對(duì)旋風(fēng)機(jī)電機(jī)的一拖二控制方式。

3 高壓變頻器的應(yīng)用

3.1 高壓變頻設(shè)備

通過以上對(duì)煤礦主通風(fēng)機(jī)改造中多方面的比較，某煤礦最終決定采用國(guó)產(chǎn)HYVERT-Y06/048 型高壓變頻器進(jìn)行主通風(fēng)機(jī)改造，該型號(hào)高壓變頻器容量為500 kVA，額定輸入頻率0～50 Hz，額定輸入電壓6.0 kV±0.2×6.0 kV，額定輸出頻率-50～50 Hz，60 s 過載能力120%，且其性能全部符合《電源系統(tǒng)諧波控制推薦規(guī)程及要求》（IEEE 519—1992）及《電能質(zhì)量共用電網(wǎng)諧波》（GB/T14549—1993）要求[3]。

某煤礦所選用的高壓變頻器采用高-高變頻方式，其主體結(jié)構(gòu)所包括的功率模塊通過并聯(lián)方式連接，其調(diào)速范圍在設(shè)計(jì)值的20%～100%時(shí)，在原有功率因數(shù)補(bǔ)償情況下，變頻器輸入段功率因數(shù)至少為0.97，能有效降低無功輸入，減小供電容量。所采用的變頻系統(tǒng)適應(yīng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)能力較強(qiáng)，并能在電網(wǎng)電壓下降30%后仍正常運(yùn)行；變頻系統(tǒng)按照國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提供過（欠）電壓、過電流、短路及失速、電機(jī)及變頻器過載、瞬時(shí)停電、元器件過熱等方面的保護(hù)以及故障報(bào)警。其電路控制系統(tǒng)主要由斷路器QF、高壓變頻器、自動(dòng)切換柜QS 和KM、電動(dòng)機(jī)M組成，具體見圖1。其中，高壓變頻器合閘信號(hào)和高壓開關(guān)合閘回路串聯(lián)，如遇變頻器故障，則高壓開關(guān)合閘閉鎖；高壓變頻器分?jǐn)嘈盘?hào)則與高壓開關(guān)分閘回路并聯(lián)，變頻器發(fā)生故障后分閘、高壓輸入。高壓開關(guān)柜主要起到向變頻器饋電以及向其提供過載、過電壓、速斷保護(hù)等功能的作用，根據(jù)變頻器額定值進(jìn)行高壓開關(guān)柜整定值確定。高壓變頻器電路控制系統(tǒng)中KM1和KM3電氣之間、KM1與KM4電氣之間、KM2與KM3之間及KM2與KM4之間均為互相閉鎖關(guān)系；其中控制一臺(tái)電機(jī)的真空接觸器與高壓斷路器僅允許閉合其中1 個(gè)；僅拖動(dòng)1 臺(tái)對(duì)旋通風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)，M1正向轉(zhuǎn)動(dòng)M2反向轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)應(yīng)將QF1、QF2斷開，并閉合QS1、QS2、KM1、KM2、QF；如遇變頻器故障，則另一臺(tái)對(duì)旋式風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，QF、KM1、KM2、QS1、QS2將斷開，QF3、QF4、KM3、KM4將閉合。

圖1 高壓變頻器電氣控制電路圖

3.2 設(shè)備運(yùn)行效果

某煤礦高壓變頻器于2021 年初安裝完成并投運(yùn)，變頻器為中文顯示界面，觸屏操作，便于各種運(yùn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢和共享；設(shè)備操作簡(jiǎn)單，可同時(shí)起動(dòng)兩級(jí)風(fēng)機(jī)，并能在1～3 min 內(nèi)達(dá)到最高運(yùn)行速度和所需最大風(fēng)量，安全性與效率性有保證；反風(fēng)操作也較原風(fēng)機(jī)簡(jiǎn)單可靠，在8～10 min 內(nèi)便能滿足煤礦生產(chǎn)對(duì)反風(fēng)方面的要求。根據(jù)對(duì)該煤礦高壓變頻器數(shù)月以來運(yùn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，其電能節(jié)約量可達(dá)到20 585 kWh/d，且高壓變頻器自投運(yùn)以來性能十分穩(wěn)定，實(shí)測(cè)變頻器網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)達(dá)0.977，滿載工況下網(wǎng)側(cè)電流諧波容量均在3%以下，輸出電流諧波則不超過4%，均符合國(guó)家相關(guān)節(jié)能降耗標(biāo)準(zhǔn)。