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　　摘要：本文介紹了風(fēng)光牌高壓變頻在山東崔莊煤礦主扇風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用情況，對(duì)節(jié)能效果進(jìn)行了計(jì)算。

　　關(guān)鍵詞：高壓變頻器 主扇 應(yīng)用

　　1 引言

　　隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,各行各業(yè)煤炭的需求量也越來(lái)越大,各大型煤炭企業(yè)紛紛開辟新的礦井來(lái)擴(kuò)大規(guī)模,并且利用各種技術(shù)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(lái)越大。

　　主扇風(fēng)機(jī)是煤礦通風(fēng)系統(tǒng)中最重要的一部分，它可以說(shuō)是每一個(gè)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(gè)環(huán)節(jié)。長(zhǎng)期以來(lái)，礦井主扇風(fēng)機(jī)的功率都比較大，而且一天24小時(shí)不間斷運(yùn)行，礦井所需的風(fēng)量都是通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)門擋板或葉片角度來(lái)實(shí)現(xiàn)，根據(jù)反風(fēng)及開采后期運(yùn)行工況要求，所設(shè)計(jì)的通風(fēng)機(jī)及拖動(dòng)的電動(dòng)機(jī)的功率，通常遠(yuǎn)大于煤礦正常生產(chǎn)所需的運(yùn)行功率。風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)上余量特別大，在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間風(fēng)機(jī)一直處在較輕負(fù)載下運(yùn)行，因此，煤礦通風(fēng)系統(tǒng)中存在著極為嚴(yán)重的大馬拉小車現(xiàn)象，能源浪費(fèi)非常突出。

　　2 現(xiàn)場(chǎng)簡(jiǎn)介

　　崔莊煤礦位于山東省濟(jì)寧市微山縣，其主扇風(fēng)機(jī)擔(dān)負(fù)著整個(gè)礦井的通風(fēng)任務(wù)，要求安全穩(wěn)定性極高，因?yàn)轱L(fēng)機(jī)一旦停機(jī)，短時(shí)間內(nèi)就將造成全礦無(wú)法正常生產(chǎn)，控制方式采用調(diào)節(jié)風(fēng)門開度的大小來(lái)調(diào)整風(fēng)量，這樣，不論生產(chǎn)的需求大小，風(fēng)機(jī)都要全速運(yùn)轉(zhuǎn)，而運(yùn)行工況的變化則使得能量以風(fēng)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(fèi)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(hù)、維修費(fèi)用高居不下，針對(duì)這種情況，礦領(lǐng)導(dǎo)經(jīng)過(guò)論證，最后決定選用山東新風(fēng)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，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備如圖1所示：

圖1 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備圖

　　3 風(fēng)光高壓變頻器的突出特點(diǎn)

　　（1）采用高速DSP（TMS320F2812）作為中央處理器，運(yùn)算速度更快，讓控制更精準(zhǔn)。系統(tǒng)升級(jí)更方便。

　　（2）飛車啟動(dòng)功能：能夠識(shí)別電機(jī)的速度并在電機(jī)不停轉(zhuǎn)的情況下直接起動(dòng)。

　　（3）瞬間掉電再啟動(dòng)功能：運(yùn)行過(guò)程中高壓瞬時(shí)掉電三秒鐘內(nèi)恢復(fù)，高壓變頻器不停機(jī)，高壓恢復(fù)后變頻自動(dòng)運(yùn)行到掉電前的頻率。

　　（4）線電壓自動(dòng)均衡技術(shù)（采用中性點(diǎn)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(dòng)均衡技術(shù)通過(guò)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。

　　（5）單元內(nèi)電解電容因采取了公司專利技術(shù)（專利號(hào)ZL 2003 2 0107356.2 ），可以將其使用壽命提高一倍；高壓提升機(jī)產(chǎn)品采用了更長(zhǎng)壽命的電力電容。

　　（6）運(yùn)行過(guò)程中外部頻率給定信號(hào)出現(xiàn)故障（短路或開路），整機(jī)維持故障前的運(yùn)行頻率不變，并能給出報(bào)警信號(hào)。

　　（7）單元串聯(lián)多重化結(jié)構(gòu)，模塊化設(shè)計(jì)。這樣IGBT承受電壓較低，可以有較寬的過(guò)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(guò)程中，無(wú)需加入高壓主電，就可以檢測(cè)輸出波形的正常與否。對(duì)于在現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試以及人員培訓(xùn)很方便，同時(shí)也大大提高了培訓(xùn)和運(yùn)行的安全性。

　　4 現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)參數(shù)

　　電動(dòng)機(jī)參數(shù)如下表1所示：

　　表1：

　　風(fēng)機(jī)類型：軸流風(fēng)機(jī)。

    設(shè)備布置采用抽出式通風(fēng)方式，配備反風(fēng)道反風(fēng)，扇風(fēng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)設(shè)于主機(jī)房?jī)?nèi)，主機(jī)房為雙層工業(yè)廠房，風(fēng)道為半地下式。吸風(fēng)側(cè)設(shè)兩個(gè)立閘門，兩個(gè)水平反風(fēng)門，擴(kuò)散器側(cè)兩個(gè)水平反風(fēng)門，每個(gè)風(fēng)門各用一臺(tái)風(fēng)門絞車進(jìn)行操縱，風(fēng)門絞車采用就地操作。

    傳動(dòng)方式：直接傳動(dòng)。

    調(diào)節(jié)方式：手動(dòng)操作風(fēng)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(wèn)題

    （1）原工礦使用的為轉(zhuǎn)子串電阻啟動(dòng)方式，啟動(dòng)不穩(wěn)定，造成了大的機(jī)械沖擊，導(dǎo)致電機(jī)壽命大大降低；

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

    （3）啟動(dòng)時(shí)電流過(guò)大，對(duì)電網(wǎng)沖擊很大，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性；

    （4）主扇風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)上余量大，主扇風(fēng)機(jī)一直處在較輕負(fù)載下運(yùn)行，由于采用檔板調(diào)節(jié)，因此造成能源浪費(fèi)，增加了生產(chǎn)成本；

    （5）自動(dòng)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變頻調(diào)速器，通過(guò)切換，可以在變頻器故障狀態(tài)下，切換到工頻狀態(tài)運(yùn)行，其主回路如下圖2所示：

圖2 主回路圖

　　QS1、QS2、QS3為三臺(tái)高壓隔離閘刀，QS1、QS3處于變頻運(yùn)行回路上，KM1、KM2為變頻上電瞬間實(shí)現(xiàn)限流電阻切換時(shí)所用，K10為用戶工、變頻轉(zhuǎn)換改造時(shí)加的一個(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)。變頻運(yùn)行時(shí)，QS1、QS3閉合， QS2斷開，K10打到變頻位置；變頻上電后，通過(guò)內(nèi)部程序KM2會(huì)自動(dòng)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(yùn)行。工頻運(yùn)行時(shí)，QS1、QS3斷開，QS2閉合，K10打到工頻位置，實(shí)現(xiàn)原來(lái)的串電阻啟動(dòng)方式。

　　這是高壓變頻器工變頻手動(dòng)切換的典型應(yīng)用，QS1、QS2、QS3不能同時(shí)閉合，這三個(gè)閘刀在機(jī)械和電氣上都實(shí)現(xiàn)了互鎖。

　　另外，為了安全，變頻故障信號(hào)和上一級(jí)的高壓開關(guān)柜也實(shí)現(xiàn)互鎖，實(shí)現(xiàn)高壓故障連跳功能。

　　風(fēng)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(gè)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(guò)對(duì)IGBT逆變橋進(jìn)行正弦PWM控制，其電路結(jié)構(gòu)見下圖3所示，

圖3 功率單元主回路

　　高質(zhì)量電源輸入：輸入側(cè)隔離變壓器二次線圈經(jīng)過(guò)移相，為功率單元提供電源對(duì)于6KV而言相當(dāng)于30脈沖不可控整流輸入，消除了大部分由單個(gè)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IEEE 519-1992和GB/T14549-93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》對(duì)諧波含量最嚴(yán)格要求，無(wú)需安裝輸入濾波器并保護(hù)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(wú)需功率因數(shù)補(bǔ)償電容，減少無(wú)功輸入，降低供電容量。

　　完美的輸出性能：?jiǎn)卧}寬調(diào)制疊波輸出， 6KV系列每相5個(gè)單元，大大削弱了輸出諧波含量，輸出波形幾近完美的正弦波，其輸出波形如下圖4所示：

圖4 變頻器輸出波形

　　7 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

　　崔莊礦選用型號(hào)JD-BP37-400F風(fēng)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(yùn)成功。變頻運(yùn)行后，風(fēng)門全部打開，運(yùn)行頻率43Hz，運(yùn)行電流24A，負(fù)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(yùn)行非常穩(wěn)定。

　　8 節(jié)能計(jì)算

　　按工頻和變頻運(yùn)行實(shí)際電流計(jì)算，計(jì)算數(shù)據(jù)取2008年技術(shù)測(cè)定：

    工頻運(yùn)行時(shí)，風(fēng)門開度為2m左右，運(yùn)行電流在43A。

    工頻運(yùn)行時(shí)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(yùn)行時(shí)，風(fēng)門全開，運(yùn)行電流在24A，由變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)速度來(lái)滿足風(fēng)量要求。

    變頻運(yùn)行時(shí)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(fèi)計(jì)算：

    以該礦電價(jià)0.6元/ KW?h計(jì)算，工頻24小時(shí)耗電費(fèi)： 

    8257.90×0.6=4954.74元。

    變頻24小時(shí)耗電費(fèi)：

    5734.32×0.6=3440.59元。

    變頻改造后，日節(jié)約電費(fèi)：

　　4954.74-3440.59=1514.15元。

    一年以300天為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，年節(jié)約電費(fèi)：

    1514.15×300=454244.4元。

　　9 其他效益

　　（1）實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動(dòng)，減小啟動(dòng)沖擊，降低維護(hù)費(fèi)用，延長(zhǎng)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(fēng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行；

　　（3）控制方便、靈活，自動(dòng)化水平高；

　　（4）輸入諧波含量小，不對(duì)電網(wǎng)造成污染；輸出諧波含量低，適合所有改造項(xiàng)目的普通異步電動(dòng)機(jī)；

　　（5）界面全為純中文操作，非常符合國(guó)人特點(diǎn)；

　　（6） 安全保護(hù)功能齊全，除了過(guò)壓、過(guò)熱、過(guò)載、短路等自身保護(hù)功能外，還設(shè)有外圍連鎖保護(hù)系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性；  

　　（7）采集各臺(tái)扇風(fēng)機(jī)運(yùn)行的工藝參數(shù)、電器參數(shù)、電氣設(shè)備運(yùn)行的狀況。

　　主扇風(fēng)機(jī)可由PLC進(jìn)行控制，嚴(yán)格按控制程序進(jìn)行控制，并對(duì)扇風(fēng)機(jī)正常切換和故障切換進(jìn)行控制和操作指導(dǎo)，且在控制柜實(shí)現(xiàn)硬件閉鎖控制。

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

　　自動(dòng)建立數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)于重要的工藝參數(shù)、電氣參數(shù)自動(dòng)生成趨勢(shì)曲線。

　　當(dāng)運(yùn)行風(fēng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)，利用運(yùn)行記錄的曲線對(duì)故障進(jìn)行分析和處理。

　　在條件具備時(shí)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)控，達(dá)到“無(wú)人值守”。

　　10 結(jié)束語(yǔ)

    崔莊煤礦主扇風(fēng)機(jī)經(jīng)過(guò)變頻改造之后,不僅達(dá)到了良好的節(jié)能效果,并且使整套通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高了一個(gè)大臺(tái)階。隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能減排工作的越來(lái)越重視，煤礦企業(yè)通過(guò)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(jì)效益和社會(huì)效益，適應(yīng)了國(guó)家建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)的潮流。