1 引言

　　隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，各行各業(yè)對煤炭的需求量也越來越大，各大型煤炭企業(yè)紛紛開辟新的礦井來擴大規(guī)模，并且利用各種先進技術(shù)以降低生產(chǎn)成本，因此變頻器在煤炭行業(yè)的需求也就越來越大。

　　主扇風機是煤礦通風系統(tǒng)中最重要的設(shè)備，它可以說是每一個井下工作人員的呼吸要道，因此它也是煤礦安全生產(chǎn)中最重要的一個環(huán)節(jié)。長期以來，礦井主扇風機的功率都比較大，而且一天24h不間斷運行，礦井所需的風量都是通過調(diào)節(jié)風門擋板或葉片角度來實現(xiàn)，根據(jù)反風及開采后期運行工況要求，所設(shè)計的通風機及拖動的電動機的功率，通常遠大于煤礦正常生產(chǎn)所需的運行功率。風機設(shè)計的余量特別大，在相當長的時間內(nèi)風機一直處在較輕負載下運行，因此，煤礦通風系統(tǒng)中存在著極為嚴重的大馬拉小車現(xiàn)象，能源浪費非常突出。

2 現(xiàn)場情況簡介

　　崔莊煤礦位于山東省濟寧市微山縣，其主扇風機擔負著整個礦井的通風任務(wù)，要求安全穩(wěn)定性極高，因為風機一旦停機，短時間內(nèi)就將造成全礦無法正常生產(chǎn)，其控制方式采用調(diào)節(jié)風門開度的大小來調(diào)整風量，這樣，不論生產(chǎn)的需求大小，風機都要全速運轉(zhuǎn)，而運行工況的變化則使得能量以風門節(jié)流損失消耗掉了。不僅控制精度受到限制，而且還造成大量的能源浪費和設(shè)備損耗，從而導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加，設(shè)備使用壽命縮短，設(shè)備維護、維修費用高居不下，針對這種情況，礦領(lǐng)導(dǎo)經(jīng)過論證，最后決定選用山東新風光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的jd-bp37系列的高壓變頻調(diào)速器，對主扇風機進行調(diào)速節(jié)能改造。

3 風光高壓變頻器的突出特點

　　（1）采用高速dsp（tms320f2812）作為中央處理器，運算速度更快，讓控制更精準，系統(tǒng)升級更方便。

　?。?）飛車啟動功能：能夠識別電機的速度并在電機不停轉(zhuǎn)的情況下直接起動。

　　（3）瞬間掉電再啟動功能：運行過程中高壓瞬時掉電3s內(nèi)恢復(fù)，高壓變頻器不停機，高壓恢復(fù)后變頻器自動運行到掉電前的頻率。

　　（4）線電壓自動均衡技術(shù)（采用中性點漂移技術(shù)）：變頻器某相有單元故障后，為了使線電壓平衡，傳統(tǒng)的處理方法是將另外兩相的電壓也降至與故障相相同的電壓，而線電壓自動均衡技術(shù)通過調(diào)整相與相之間的夾角，在相電壓輸出最大且不相等的前提下保證最大的線電壓均衡輸出。

　?。?）單元內(nèi)電解電容因采取了公司專利技術(shù)（專利號zl 2003 20107356.2），可以將其使用壽命提高一倍；高壓提升機產(chǎn)品采用了更長壽命的電力電容。

　　（6）運行過程中外部頻率給定信號出現(xiàn)故障（短路或開路），整機維持故障前的運行頻率不變，并能給出報警信號。

　　（7）單元串聯(lián)多重化結(jié)構(gòu)，模塊化設(shè)計。這樣igbt承受電壓較低，可以有較寬的過壓范圍（≥1.15ue），設(shè)備可靠性更高。

　　（8）具有雙路ac控制電源，一路為干式變壓器變壓以后的ac電源，一路為外部控制電源，這樣在調(diào)試過程中，無需加入高壓主電，就可以檢測輸出波形的正常與否。對于在現(xiàn)場安裝調(diào)試以及人員培訓(xùn)很方便，同時也大大提高了培訓(xùn)和運行的安全性。

4 現(xiàn)場設(shè)備技術(shù)參數(shù)

　　電動機參數(shù)如附表所示。

　　附表 電動機參數(shù)

　　風機類型：軸流風機。

　　設(shè)備布置采用抽出式通風方式，配備反風道反風，扇風機與電動機設(shè)于主機房內(nèi)，主機房為雙層工業(yè)廠房，風道為半地下式。吸風側(cè)設(shè)兩個立閘門，兩個水平反風門，擴散器側(cè)兩個水平反風門，每個風門各用1臺風門絞車進行操縱，風門絞車采用就地操作。

　　傳動方式：直接傳動。

　　調(diào)節(jié)方式：手動操作風門絞車控制立閘門（改變管路阻力特性曲線）。

5 變頻改造前存在的問題

　?。?）原工礦使用的是繞線式異步電機轉(zhuǎn)子串電阻啟動方式，啟動為有級啟動，啟動時有沖擊、不穩(wěn)定，造成了大的機械沖擊，導(dǎo)致電機壽命大大降低；

　　（2）轉(zhuǎn)子串電阻啟動時，控制系統(tǒng)復(fù)雜，故障率高，接觸器、電阻器、繞線電機電刷容易損壞，維護工作量大；

　?。?）啟動時電流過大，對電網(wǎng)沖擊很大，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性；

　?。?）主扇風機設(shè)計上余量大，主扇風機一直處在較輕負載下運行，由于采用檔板調(diào)節(jié)，因此造成能源浪費，增加了生產(chǎn)成本；

　?。?）自動化程度低，影響整體系統(tǒng)安全性。

6 變頻控制方案

　　為了滿足安全生產(chǎn)，選用一套6kv變頻器，通過切換，可以在變頻器故障狀態(tài)下，切換到工頻狀態(tài)運行，其主回路如圖1所示。

　　qs1、qs2、qs3為三臺高壓隔離閘刀，qs1、qs3處于變頻運行回路上，km1、km2為變頻上電瞬間實現(xiàn)限流電阻切換時所用，k10為用戶工、變頻轉(zhuǎn)換改造時對轉(zhuǎn)子回路加一個轉(zhuǎn)換開關(guān)。變頻運行時，qs1、qs3閉合，qs2斷開，k10打到變頻位置；變頻上電后，通過內(nèi)部程序km2會自動吸合將限流電阻引入主回路以消除大電流沖擊，上電3s后，km1吸合，km2斷開變頻可以投入運行。工頻運行時，qs1、qs3斷開，qs2閉合，k10打到工頻位置，實現(xiàn)原來的串電阻啟動方式。

　　這是高壓變頻器工變頻手動切換的典型應(yīng)用，qs1、qs2、qs3不能同時閉合，這三個閘刀在機械和電氣上都實現(xiàn)了互鎖。

　　另外，為了安全，變頻故障信號和上一級的高壓開關(guān)柜也實現(xiàn)互鎖，實現(xiàn)高壓故障連跳功能。

　　風光高壓變頻器采用功率單元串聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)，由控制柜、變壓器柜、單元柜和開關(guān)柜組成。

　　每個功率單元結(jié)構(gòu)上完全一致，可以互換，為基本的交-直-交單相逆變電路，整流側(cè)為二極管三相全橋，通過對igbt逆變橋進行正弦pwm控制，其電路結(jié)構(gòu)見圖2所示。

　　高質(zhì)量電源輸入：輸入側(cè)隔離變壓器二次線圈經(jīng)過移相，為功率單元提供電源，對于6kv而言，每相有5個功率單元串聯(lián)，相當于30脈沖不可控整流輸入，消除了大部分由單個功率單元所引起的諧波電流，大大抑制了網(wǎng)側(cè)諧波（尤其是低次諧波）的產(chǎn)生。變頻器引起的電網(wǎng)諧波電壓和諧波電流含量滿足ieee519-1992和gb/t14549-93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》標準對諧波含量的最嚴格要求，無需安裝輸入濾波器并保護周邊設(shè)備免受諧波干擾。正常調(diào)速范圍內(nèi)功率因數(shù)大于0.96。無需功率因數(shù)補償電容，減少無功輸入，降低供電容量。

　　完美的輸出性能：單元脈寬調(diào)制疊波輸出， 6kv系列每相5個單元，大大削弱了輸出諧波含量，輸出波形接近完美的正弦波，其輸出波形如圖3所示。

7 現(xiàn)場應(yīng)用情況

　　崔莊礦選用型號jd-bp37-400f風光變頻器，于2008年10月20日開始安裝調(diào)試，2008年10月25日一次性投運成功。變頻運行后，風門全部打開，運行頻率43hz，運行電流24a，負壓1700pa，不僅完全滿足煤礦生產(chǎn)工藝要求，而且用戶操作非常方便。變頻器運行非常穩(wěn)定。

8 節(jié)能計算

　　按工頻和變頻運行實際電流計算，計算數(shù)據(jù)取2008年技術(shù)測定：

　　工頻運行時，風門開度為2m左右，運行電流在43a。

　　工頻運行時功率和一天耗電量：

　　p1=1.732×6×43×0.77=344.08kw

　　n1=344.08×24=8257.90kw·h。

　　變頻器運行時，風門全開，運行電流在24a，由變頻器調(diào)節(jié)風機速度來滿足風量要求。

　　變頻運行時功率和一天耗電量：

　　p2=1.732×6×24×0.958=238.93kw

　　n2=238.93×24=5734.32kw·h。

　　節(jié)電率：

　　（n1-n2）/n1=（8257.90-5734.32）/8257.90=30%。

　　節(jié)約電費計算：

　　以該礦電價0.6元/ kw·h計算，工頻24h耗電費：

　　8257.90×0.6=4954.74元。

　　變頻24h耗電費：

　　5734.32×0.6=3440.59元。

　　變頻改造后，日節(jié)約電費：

　　4954.74-3440.59=1514.15元。

　　一年以300天為標準計算，年節(jié)約電費：

　　1514.15×300=454244.4元。

9 其他效益

　?。?）實現(xiàn)電機軟啟動，減小啟動沖擊，降低維護費用，延長設(shè)備使用壽命；

　　（2）系統(tǒng)安全、可靠，具有變頻故障轉(zhuǎn)工頻功能，確保風機連續(xù)運行；

　?。?）控制方便、靈活，自動化水平高；

　?。?）輸入諧波含量小，不對電網(wǎng)造成污染；輸出諧波含量低，適合所有改造項目的普通異步電動機；

　?。?）界面全為純中文操作，非常符合國人特點；

　?。?）安全保護功能齊全，除了過壓、過熱、過載、短路等自身保護功能外，還設(shè)有外圍連鎖保護系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性；

　?。?）能采集各臺扇風機運行的工藝參數(shù)、電器參數(shù)、電氣設(shè)備運行的狀況。

　　主扇風機可由plc進行控制，嚴格按控制程序進行控制，并對扇風機正常切換和故障切換進行控制和操作指導(dǎo)，且在控制柜實現(xiàn)硬件閉鎖控制。

　　在控制站顯示扇風系統(tǒng)工藝參數(shù)表、電氣參數(shù)、設(shè)備運行狀態(tài)（工作、停止、故障）以及報警參數(shù)表等。

　　自動建立數(shù)據(jù)庫，對于重要的工藝參數(shù)、電氣參數(shù)自動生成趨勢曲線。

　　當運行風機發(fā)生故障時，利用運行記錄的曲線對故障進行分析和處理。

　　在條件具備時，可實現(xiàn)遠控，達到“無人值守”。

10 結(jié)束語

　　崔莊煤礦主扇風機經(jīng)過變頻改造之后，不僅達到了良好的節(jié)能效果，并且使整套通風系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高了一個大臺階。隨著國家對節(jié)能減排工作的越來越重視，煤礦企業(yè)通過各種措施降低生產(chǎn)成本，其中變頻技術(shù)起到了關(guān)鍵作用，取得了明顯的經(jīng)濟效益和社會效益，適應(yīng)了國家建設(shè)資源節(jié)約型社會的潮流。