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摘要：為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)針對高壓主通風(fēng)機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造。根據(jù)設(shè)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。通過對改造前后主通風(fēng)機(jī)運(yùn)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(jī)的控制水平的結(jié)論。

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

引言

節(jié) 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，又是耗能大戶，許多煤礦企業(yè)都非常重視高耗能用電設(shè)備的節(jié)能技改工作。特別是主通風(fēng)機(jī)，設(shè)備功率大、 24 h不停運(yùn)轉(zhuǎn)。由于煤礦特殊的工藝要求，該設(shè)備存在很大的節(jié)能空問。在滿足礦井的通風(fēng)需要的同時，又實(shí)現(xiàn)最大程度的節(jié)能，本文通過闡述對山西煤炭運(yùn)銷 集團(tuán)礦井主通風(fēng)機(jī)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(xiàn)了主通風(fēng)機(jī)的電能節(jié)約和風(fēng)量無級自動調(diào)節(jié)。

1、設(shè)備的工況和節(jié)能要求

1.1、設(shè)備參數(shù)

煤礦企業(yè)主通風(fēng)機(jī)為南陽防爆集團(tuán)生產(chǎn)的2臺防爆對旋式軸流通風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)主要參數(shù)如下：

型號：BDK65—10一N026

電動機(jī)額定功率／kW：2 x 800

負(fù)壓／Pa：3077～120

風(fēng)量／m •s：60～150

額定轉(zhuǎn)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(yùn)行情況

2臺對旋風(fēng)機(jī)互為備用，單臺電機(jī)運(yùn)行電流在43 A左右，該風(fēng)機(jī)月用電量在63萬kWh以上。

1.3、對設(shè)備節(jié)能的具體要求

根據(jù)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(shè)備應(yīng)大幅度降低原用電設(shè)備(指的是煤礦主通風(fēng)機(jī))的電能，節(jié)電量要在20％ 以上。

(2)在不降低的基礎(chǔ)上，能夠提高原用電設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性。

(3)變頻設(shè)備自身的使用壽命長，損耗低，日常維護(hù)量少。同時能夠降低原用電設(shè)備的維護(hù)量。

(4)變頻設(shè)備操作方便、不改變原用電設(shè)備操作工的操作習(xí)慣。操作工在簡單培訓(xùn)后就可以熟練操作變頻設(shè)備。

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

2、改造方案的確定

經(jīng)過論證分析，確定了采用功率單元串聯(lián)多電平型高壓變頻器根據(jù)井下負(fù)壓值連續(xù)控制主通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量的節(jié)能方案，利用1臺變頻器同時拖動1臺對旋風(fēng)機(jī)的2臺電機(jī)，2臺對旋風(fēng)機(jī)可以分時使用變頻。

2.1、風(fēng)量調(diào)節(jié)方式的選擇

礦井生產(chǎn)過程中，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(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)以適應(yīng)生產(chǎn)要求。《煤礦安全規(guī)程》對煤礦井下的通風(fēng)量有具體規(guī)定，小了不能滿足要求，大了會使采煤工作面粉塵加劇而且浪費(fèi)能源，操作工人通過觀察井下的負(fù)壓值高低來判斷風(fēng)量是否適合。

原 系統(tǒng)主通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量調(diào)節(jié)主要是改變?nèi)~片安裝角度和節(jié)流調(diào)節(jié)，但是節(jié)流調(diào)節(jié)會造成能源浪費(fèi)；改變?nèi)~輪葉片安裝角度一方面需停機(jī)操作，另一方面也會使風(fēng)機(jī)效率 發(fā)生變化，通常需調(diào)節(jié)的幅度較大時才采用。只有根據(jù)負(fù)壓值變化自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方式不改變風(fēng)機(jī)的效率，在各個工況點(diǎn)實(shí)現(xiàn)不停機(jī)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)高效狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)。

2．2、調(diào)速方式的選擇

(1)液力耦合器在電機(jī)和負(fù)載之間串人一個液力耦合裝置，通過液面的高低調(diào)節(jié)電機(jī)和負(fù)載之間耦合力的大小，實(shí)現(xiàn)負(fù)載的速度調(diào)節(jié)。這種調(diào)速方法實(shí)質(zhì)上是轉(zhuǎn)差功率消耗型的做法，其主要缺點(diǎn)是隨著轉(zhuǎn)速下降效率越來越低，并且維護(hù)工作量大。

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

(3)變頻調(diào)速方式(根據(jù)公式 n=60f(1一s)／P)通過高壓變頻器改變電源頻率來調(diào)節(jié)三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種調(diào)速方式調(diào)速范圍寬、設(shè)備使用壽命長、自身能耗低、日常維護(hù)量少。 缺點(diǎn)是設(shè)備造價(jià)比較高，但是隨著高壓變頻器大規(guī)模的推廣，其造價(jià)正在逐步降低。通過以上分析可見高壓變頻方式最為合適。

2．3、高壓變頻器種類的選擇

高壓變頻技術(shù)由于現(xiàn)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(dāng)前常用的高壓變頻器主要有以下幾類技術(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(xiàn)變頻；對于電機(jī)，則有2種辦法：①改用低壓電機(jī)；②仍采用原來的 高壓電機(jī)，需要在變頻器和電機(jī)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(cè)的諧波較大。

(2) 三電平電壓型高壓變頻調(diào)速方式

三 電平電壓源型高壓變頻技術(shù)通過獨(dú)特的二極管鉗位(或者其他的鉗位)方法，可以使系統(tǒng)的輸出電壓增加一個電平，與兩電平相比較，這種方式的相電壓可以有3個 電平輸出，故稱為三電平。同時每個電力電子器件所承受的耐壓只有直流母線電壓的一半，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(dāng)采用一 些高壓的全控型器件，如高壓IGBrI1、IGCT、ⅢCI1、GTO晶閘管時，可以直接實(shí)現(xiàn)高壓輸出。由于控制上難度較大，這種方法目前應(yīng)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(shè)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(cè)串聯(lián)成為高壓交流輸出供給高壓電動機(jī)。為了減少輸入諧波，變壓器的每個二次繞組的相位 1次錯開1個角度，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(xiàn)高壓變頻輸出，器件無需串聯(lián)， 輸入輸出諧波非常小，是一種成熟穩(wěn)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(shè)備節(jié)能改造，所以在保證穩(wěn)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(fèi)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(jī)一對一方式。由于對旋風(fēng)機(jī)為2臺風(fēng)機(jī)首尾相對放置，那么1臺對旋風(fēng)機(jī)就需要2臺變頻器。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是控制簡單，系統(tǒng)穩(wěn)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(jī)也全部配齊的話，整個工程造價(jià)將又翻一倍。

(2) 一拖二的方式

一拖二方式就是1臺變頻同時拖動1臺對旋風(fēng)機(jī)的2臺電機(jī)，2臺對旋風(fēng)機(jī)可以分時使用該變頻器。這種方式缺點(diǎn)是控制系統(tǒng)復(fù)雜，安裝調(diào)試時間長。但是優(yōu)點(diǎn)是整個工程造價(jià)低(比一對一方式降低一半以上費(fèi)用)，設(shè)備使用率高。

3、高壓變頻設(shè)備介紹

通過對各方面比較，決定采用高壓變頻器對主通風(fēng)機(jī)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(biāo)

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

過載能力／％:120(1 min)；200立即保護(hù)

性能滿足相關(guān)指標(biāo)：IEEE519—1992((電源系統(tǒng)諧波控制推薦規(guī)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(diào)速系統(tǒng)采用直接“高一高”變換形式，為單元串聯(lián)多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)有多組功率模塊并聯(lián)而成；采用單元串聯(lián)疊波技術(shù)、空問矢量控制的正弦波PWM調(diào)制方法。

② 變頻裝置控制采用LED鍵盤控制和人機(jī)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(fù)荷，開停機(jī)等操作。裝置保留至少一個月的故障記錄。

③ 在20％ ～100％ 的調(diào)速范圍內(nèi)，變頻系統(tǒng)在不加任何功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)那闆r下，本機(jī)輸入端功率因數(shù)達(dá)到0．97以上，減少無功輸入，降低了供電容量。

④ 變頻裝置對電網(wǎng)電壓的波動有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，在一10％ ～+10％電網(wǎng)電壓波動時能滿載輸出。可以承受35％的電網(wǎng)電壓下降而正常繼續(xù)運(yùn)行，能適應(yīng)煤礦電壓大幅波動的電網(wǎng)環(huán)境。

⑤ 變頻裝置設(shè)以下保護(hù)：過電壓、過電流、欠電壓、缺相保護(hù)，短路保護(hù)，失速保護(hù)，變頻器過載、電機(jī)過載保護(hù)，半導(dǎo)體器件的過熱保護(hù)，瞬時停電保護(hù)等，聯(lián)跳至輸入側(cè)10 kV開關(guān)。保護(hù)的性能符合國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，并提供故障、斷電、停機(jī)等報(bào)警。

(3) 具體控制方案

如 下方圖1所示，此系統(tǒng)由QF、QF1 ～QF4，高壓變頻器、自動切換柜(QS1 ～QS4，KM1 ～KM4組成)、電動機(jī)M1 ～M4組成。高壓開關(guān) 柜為變頻器饋電，并為其提供保護(hù)，保護(hù)主要有速斷保護(hù)、過載保護(hù)、過電壓保護(hù)，其整定值根據(jù)變頻器額定值計(jì)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)于高壓開關(guān)合閘回路。變頻器故障或不能就緒時，高壓開關(guān)(斷路器QF)合閘不允許。

② 故障分閘將變頻器“高壓分?jǐn)?rdquo;信號并聯(lián)于高壓開關(guān)分閘回路。當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時，分?jǐn)嘧冾l器高壓輸入。

③ 隔 離開關(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(jī)的高壓斷路器和真空接觸器同時只允許一個閉合，如QF閉合，則KM1 不允許合閘，KM 1合閘，則QF 不允許合閘。

④ 當(dāng) M1 正轉(zhuǎn)M2 同時反轉(zhuǎn)時，即拖動一臺對旋通風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行時，斷開QF1、QF2，分別合上QS1 、Q S2、KM1 、KM2：、QF；當(dāng)變頻器出 現(xiàn)故障時，由另一臺對旋式風(fēng)機(jī)運(yùn)行，即斷開QF、KM1 、KM2、QS1 、QS2，合上QF3、QF4、KM3、KM4。

⑤ 當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障或需要檢修時，只要斷開QF和QS1 ～QS4即可。變頻器具有反風(fēng)功能。柜門上有1～4 風(fēng)機(jī)運(yùn)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(shè)備運(yùn)行情況

變 頻器于2011年6月30日安裝完成，7月3日投入運(yùn)行。變頻器顯示采用中文圖形界面，觸摸屏操作，生動直觀，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，便于操作人員及時了解變頻器的運(yùn)行情況。變頻器操作簡單，兩級風(fēng)機(jī)可以同時起動，可在3 min之內(nèi)起動至高速，短時間內(nèi)達(dá)到所需風(fēng) 量。   縮短的起動時間確保了生產(chǎn)安全。反風(fēng)操作比以前簡單可靠，完全可滿足1Omin內(nèi)實(shí)現(xiàn)反風(fēng)的要求。根據(jù)實(shí)測累計(jì)節(jié)約電能 50586 kWh／d。變頻器投入運(yùn)行以來一直運(yùn)行穩(wěn)定，輸出頻率、電壓和電流符合要求，變頻器網(wǎng)側(cè)實(shí)測功率因數(shù)為0．976，效率均高于96％ ，滿 載時網(wǎng)側(cè)電流諧波總?cè)萘啃∮?％ 。