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案例頻道 一、現場系統情況
煤礦因生產的特殊性，礦井通風系統關系到礦山的安全生產，所以通風系統在煤炭生產中具有舉足輕重的地位。其中主扇風機在煤礦生產中有著最重要的地位，隨著開采和掘進的不斷延伸，巷道延長，盡管風量基本不變，但風壓要求卻不斷增加，風機需用功率也隨之增加。根據反風及開采后期運行狀況來確定的主扇風機及拖動電動機的功率通常遠大于煤礦長期開采所需的正常運行功率。五溝煤礦主扇風機采用500KW/6KV電動機傳動，電機采用直接啟動的方式。
目前采用高壓電動機直接啟動，存在以下幾個問題：
●電能的嚴重浪費。煤礦的服務年限大多在60年以上，投產初期到井田穩定開采一般在10年左右，這就意味著有這10年的時間里，主扇風機一直處在較輕負載下運行。由于工頻運行的電動機轉速不可調節，只能通過改變風機葉片的角度進行風量調節，因此造成能源浪費，增加了生產成本。
●啟動困難，機械損傷嚴重。主扇風機采用直接啟動，啟動時間長，啟動電流大，對電動機的絕緣有著較大的威脅，嚴重時甚至燒毀電動機。而電動機在啟動過程中所產生的單軸轉矩現象使風機產生較大的機械振動應力，嚴重影響到電動機、風機及其它機械的使用壽命。
●自動化程度低。主扇風機依靠人工調節風機葉片調節風量和風壓，更不具備風量的自動實時調節功能，自動化程度低。在故障狀態下，如風流短路，將對礦井正常生產造成嚴重影響。
為了礦井的安全生產和降低生產成本，提升該煤礦的自動化水平，對主扇風機進行變頻調速改造具有非常重要的意義。
二、高壓變頻改造方案
1、主回路系統方案
考慮到現場設備實際運行的情況，煤礦主扇軸流風機變頻系統采用一拖二手動旁路方式，采用一臺變頻器分別單獨傳動二臺風機中的一臺風機的電動機，正常情況下，允許有一負載工作在變頻狀態，另一負載工作在工頻狀態，也可以兩臺都在工頻狀態；
該系列變頻采用若干個低壓PWM變頻功率單元串聯的方式實現直接高壓輸出。變頻器具有對電網諧波污染極小，輸入功率因數高，輸出波形質量好，不存在諧波引起的電機附加發熱、轉矩脈動、噪音、dv/dt及共模電壓等問題的特性，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機，不需要更換電機。
一拖二手動旁路系統
基本原理：它是由8個高壓隔離開關QS1～QS8組成（見左圖）。其中QS2和QS3,QS5和QS6安裝機械互鎖裝置；各隔離開關間有電氣互鎖。如果兩路電源同時供電，M1工作在變頻狀態，M2工作在工頻狀態時，QS3、QS7和QS4、QS5、QS8分閘，QS2、QS1和QS6處于合閘狀態；M2工作在變頻狀態，M1工作在工頻狀態時，與M1工作在變頻狀態，M2工作在工頻狀態時類似；如果檢修變頻器，QS3和QS6可以處于任一狀態，其它隔離開關都分閘，兩臺負載可以同時工頻運行；當一路電源檢修時，可以通過分合隔離開關使任一電機變頻運行。
特點：正常情況下，允許有一負載工作在變頻狀態，另一負載工作在工頻狀態，也可以兩臺都在工頻狀態。
同時工頻運行時1#電機通過QS7、QS3 ，2#電機通過QS8、QS6切換完成反風功能，變頻運行時通過變頻設備內部設置即可完成電機轉向的正反方向的轉換完成反風功能。
2、控制系統方案
變頻系統控制方式可以采用下述4種方式，現場用戶可以根據實際情況采用相應的一種或幾種控制方式。
A、閉環控制方式
變頻系統可以根據現場要求在變頻操作界面上設定需要的壓力或流量值、或通過模擬給定形式給定需要的壓力或流量值，變頻設備根據設定值和現場壓力或流量的反饋值自動閉環控制調節設備轉速，使系統壓力或流量值運行在要求的設定值。
B、本控開環控制方式
變頻系統可以通過本控方式在變頻設備控制柜監控界面手動設定負載設備需要運行的轉速值，變頻設備自動將負載設備傳動到要求轉速值。
C、總線控制方式
變頻系統也可以通過RS485、Profibus/Device Net 與工廠控制系統通訊進行協調控制。
D、遠控開環控制方式
變頻調速系統可由現場DCS監控操作系統進行協調控制，根據運行工況按設定程序，實現對負載設備電動機轉速控制。
具體控制接口情況如下：
變頻系統和現場DCS監控操作系統進行通訊連接，從現場DCS監控操作系統上發出變頻器的啟動、停機等信號。變頻器反饋以下信號接入到現場監控操作系統上： (1)報警及故障信息：重故障報警、輕故障報警；(2)調速裝置的狀態信息：待機狀態、正常運行狀態、故障狀態、系統旁路狀態；（3）電機電流、轉速、電壓等。
以下為變頻器與現場DCS監控操作系統系統具體接口：
1）．變頻器需要提供的開關量輸出6：
(1) 變頻器待機狀態指示：表示變頻器已待命，具備啟動條件。
(2) 變頻器運行狀態指示：表示變頻器正在運行。
(3) 變頻器控制狀態指示：節點閉合表示變頻器控制權為現場遠程控制；節點斷開表示變頻器控制權為本地變頻器控制。
(4) 變頻器輕故障指示：表示變頻器產生報警信號。
(5) 變頻器重故障指示：表示變頻器發生重故障，立即關斷輸出切斷高壓。
(6)電機在工頻旁路：表示風機電動機處于工頻旁路狀態。
以上所有數字量采用無源接點輸出，定義為接點閉合時有效。除特別注明外，接點容量均為AC220V、3A/DC24V，1A。
2）．變頻器需要提供的模擬量2路：
(1) 變頻器輸出轉速
(2) 電機電流
變頻器提供2路4～20mADC的電流源輸出（變頻器供電），帶負載能力均為250Ω。
3）．需要提供給變頻器的模擬量1路：
(1) 變頻器轉速給定值
現場提供1路4～20mADC二線制電流源輸出，帶載能力必須大于250Ω，4～20mADC對應轉速低高限，須呈線性關系。
4）．需要提供給變頻器的開關量有2路：
(1) 啟動指令：干接點，3秒脈沖閉合時有效，變頻器開始運行。
(2) 停機指令：干接點，3秒脈沖閉合時有效，變頻器正常停機。
5、變頻器與其他電氣設備接口
1）．變頻器給高壓開關柜的有2路：
(1)高壓緊急分斷：變頻器出現重故障時，自動分斷高壓開關，閉點有效。
(2)高壓合閘允許：變頻器自檢通過或系統處于工頻狀態，具備上高壓條件，閉點有效。
以上所有數字量采用無源接點輸出，定義為接點閉合時有效。除特別注明外，接點容量均為DC220V，3A。
2）．高壓開關柜給變頻器的狀態信號1路：
(1)高壓開關分閘信號：高壓開關處于分斷時，輔助節點閉合；1個。
變頻系統具有如下特點：
變頻系統，既可以變頻調速運行，也可以投工頻運行；
為變頻器提供的交流220V控制電源掉電時，變頻器可以通過內部配置UPS供電使控制系統繼續運行達30分鐘；現場如果采用交、直流220V雙路供電時，變頻裝置能按照交流電源優先的原則進行交、直流無擾切換供電，保證供電可靠性。
在現場速度給定信號掉線時，變頻器提供報警的同時，可按原轉速繼續運轉，維持機組的工況不變；
3、有關變頻改造后風機效率情況說明
風機設備工頻運行時，為保證生產工藝要求的壓力及流量值，一般通過改變風門擋板的開度滿足要求，相應的風道風阻曲線也會發生變化；故工頻運行擋板調節方式是一種保持風機特性曲線及效率范圍不變，改變風道風阻曲線來滿足實際工藝需求的方式，由于風道風阻曲線的變化就有可能會出現風機運行在低效率區的情況。
主扇風機變頻改造后，其各轉速點的壓力和流量曲線相對工頻時的曲線是平行往下移動的，相應的各速度點的風機高效運行區也是跟著各轉速點的壓力和流量曲線移動的；變頻改造后，在保持風道風阻曲線不變的情況下，通過調節風機轉速達到滿足工藝要求壓力和流量的目的；故變頻運行調節方式是一種保持風道風阻曲線不變，改變壓力和流量曲線來滿足實際工藝需求的方式，由于風機效率曲線是跟著各轉速點的壓力和流量曲線移動變化的，故變頻改造后能保證風機一直運行在高效率區。
4、系統散熱方案
高壓變頻器屬于大型電子設備，對環境要求比較嚴格。統計多臺設備的運行情況，由于現場環境溫度過高而引起的設備故障比例較大，因此總結了三種方案為：1、加裝風道；2、加裝空調；3、加裝空冷器。三種方案各有其適用的范圍。
1、加裝風道。常規的設計是在機柜上面安裝風道，將變頻器產生的熱量直接排放到室外，由變頻器室的進風口不斷補充冷風，對系統進行冷卻。在使用中需要注意的是如果變頻器柜頂風機距出風口較近（小于2米，中間無轉折），出風口可不加裝輔助排風機，否則需加裝排風機。如果進風口的現場施工存在不便，風道需有轉折，則可以考慮加裝風機強迫進風。
加裝風道的優點是成本低，可靠性高，散熱效果良好。適用于現場環境比較清潔的場合，否則就需要經常清洗濾網。
2、加裝空調就是把高壓變頻調速系統放置于一個比較封閉且相對狹小的房間內（主要是可以減小空調的容量），但要滿足系統維護的需要，然后在房間內安裝空調，通過空調內部的循環將高壓變頻調速系統產生的熱量排到室外。空調總體的制冷量為變頻器的發熱量加上空間制冷所需的制冷量。變頻器發熱需要根據運行工況選擇，考慮一定的裕量，最大發熱量為變頻器額定功率的4%，如果長期運行頻率低于40Hz，則發熱量可按照變頻器額定功率的2%進行估算。空間制冷所需的制冷量，一般每平方米可以按照150瓦特計算。
加裝空調的優點是由于沒有室內外空氣的直接流通，容易保持室內環境的清潔，但是空調的可靠性會影響到系統的穩定性，初次投資和運行成本會相應增加。
3、加裝空冷器。空冷器是一種利用高效、環保、節能的冷卻系統，其應用技術在國內處于領先地位。從變頻器出來的熱風，經過風管連接到內有固定水冷管的散熱器中，散熱器中通過溫度低于33℃的冷水，熱風經過散熱片后，將熱量傳遞給冷水，變成冷風從散熱片吹出，熱量被循環冷卻水帶走，保證了變頻器控制室內的溫度恒定。
三、風機變頻調速節能分析及計算
1、現場設備數據：
五溝煤礦風機運行工況調查表
1、設備基本情況表（銘牌）：
2、運行情況表（實際運行,取10～30天數據，）：
2、工頻狀態下耗電計算
Pd：電動機功率 ； 
d：電動機效率 ； U：電動機輸入電壓 ；
I：電動機實際運行電流 ；cosφ：功率因子。
計算公式：Pd = 
× U × I × cosφ …①
然后將電機實際工頻下運行的電流代入上面的公式，得出電機工頻狀態下的功率Pd
實際計算方法：工頻運行下功率：Pd=
×6.3×38.7×0.85=358.9KW
3、變頻狀態下年耗電量計算
1）、風機類負載的運行特性及管路性能曲線的繪制與計算：
Pd’：電動機軸功率 ； P′：風機軸功率 ；
：電動機效率 ； 
：變頻器實際效率 ；
Q：出口流量 ；H：出、入口壓力差，。
風機設備屬平方轉矩負載，其轉速n與流量Q，壓力H以及軸功率P具有如下關系：Q∝n ，H∝n2，P∝n3；即，流量與轉速成正比，壓力與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比。通過風機數據，依據 
公式可依次求得風機在采用變頻調速運行時對應的風機總功耗
。
另有，電動機效率 與電動機負荷率β之間的關系如圖一所示。
變頻器的效率 與電動機負荷率β之間的關系如圖二所示。
綜合考慮到電動機效率
和變頻器的效率
，
則網測功率損耗
…②
節電率 =
…③
風機風葉角度42°時，風機效率最大，在此工況下，電機轉速757r/min，
風機實際軸功率P′=
= 
=223.5 kW
變頻網側功耗
=
=
292.1 kW
考慮變頻冷卻的消耗功率在12kw，
則節電率 =
=
=18.6%
我礦扇風機房年用電量298萬度，如按節電18.6%計算，則年節電55.4萬度，綜合電價0.61元，年節約資金33.79萬元。
計算說明：
現場設備變頻改造后實際節電效果僅僅與現有設備工頻運行時的工況及電流有關，與節電計算是沒有關系的；好的節電計算僅僅能達到能為設備變頻改造提供比較準確的節電率估算的作用；變頻改造后，不管采用什么品牌的變頻器，在設備能夠穩定運行的情況下其節電效果是基本相同的；品質優良的變頻設備能夠很好的保障用戶的節能效果和在各種生產過程正常高效地運行。
四、應用高壓變頻調速系統產生的其他效果
1、維護量減少。采用變頻調速后，無論哪種工藝條件，隨時可以通過調整轉速使系統運行在工藝要求的狀態下工作。
2、提高設備的使用壽命，大大降低維修費用以及時間。
3、工作強度降低。變頻調速系統可由主控系統進行協調控制，根據運行工況按設定程序，實現對負載電動機轉速自動控制。大大降低了勞動強度，提高了生產效率，為優化運營提供了可靠保證。
4、減少了對電網的沖擊。采用變頻調節后，系統實現軟啟動，電機啟動電流遠遠小于額定電流，啟動時間相應延長，對電網無大的沖擊，減輕了起動機械轉矩對電機機械損傷，有效的延長了電機的使用壽命。
5、提高功率因數
電壓源型變頻器功率因數可達0.96,采用變頻調速系統后，無需無功補償裝置就能滿足電網要求。不但提高了廠變及其它相關電氣設備的利用率、而且節約了線路能量損失，節約了經費，可謂一舉多得。
6、完善的故障診斷和保護功能
變頻器具備對電機和變頻器本身完善的保護功能，如過熱、過載、過流、過壓、缺相、接地等，從而避免設備在不正常狀態下長時間運行，保證設備不至于損壞。并且，故障信息可以準確地指示故障點，變頻器使用說明書中還有引起故障的原因及排除故障的措施，極大地方便了維護人員排查故障。
曹啟申，男，1977年6月出生，籍貫：安徽淮北，畢業于淮南工業學院電氣自動化專業，現任機運事業部電氣主管，工程師，從事四大件電氣技術維護、管理工作。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號