廣西百色礦務局東懷煤礦  龐中元

山東新風光電子科技發(fā)展有限公司  林紅波

Pang Zhongyuan  Lin Hongbo

摘  要：本文介紹了高壓變頻器在廣西白色東懷煤礦通風機中的應用情況。通過對高壓電機各種調(diào)速方式比較，用戶選用功率單元串聯(lián)多電平型高壓變頻器對通風機進行調(diào)速改造。應用情況表明，改造是成功的。

關鍵詞：高壓變頻器  功率單元串聯(lián)多電平   煤礦通風機

Abstract: The article introduces the application of high voltage inverter in Guangxi coal mine fan. Through to the high voltage electrical machinery each kind of velocity modulation way comparison, the user selects the power unit to connect the multi- levels high inverter to carry on the velocity modulation transformation to the ventilator. The application situation indicates the transformation is successful.

Key words：High voltage inverter   Power unit connects the multi- levels  Coal mine ventilator

1引言

      廣西百色礦務局始建于1956年，原煤生產(chǎn)能力300萬噸/年，是廣西最重要的褐煤生產(chǎn)基地。東懷煤礦是其下屬的煤礦之一，被列入國家級綠色礦山試點單位名單，是廣西第一家獲此殊榮的煤礦。近年來，東懷煤礦嚴格按照 “井下標準化，地面花園式”的規(guī)劃和建設要求，將綠色理念貫穿于生產(chǎn)經(jīng)營的全過程，以開采方式科學化、資源利用高效化、生產(chǎn)工藝環(huán)保化、礦山環(huán)境生態(tài)化為基本要求，引進先進生產(chǎn)工藝和技術，實現(xiàn)了經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和社會效益的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

      目前，東懷煤礦每年可生產(chǎn)原煤150萬噸。隨著煤炭的產(chǎn)量不斷擴大，原有礦用通風機已不能滿足礦井通風要求，需要更換。選擇風機型號原則一般為：礦井一般按開采各階段中通風最困難時期選型，根據(jù)反風及開采后期運行工況所設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，勢必造成巨大的能源浪費。

2 改造現(xiàn)場設備

      原來的主扇風機采用工頻運行，在運行中一般采用改變導葉角度和改變檔板角度調(diào)節(jié)通風量，因此通風效率較低，造成能源浪費，增加了生產(chǎn)成本。而對旋軸流風機兩級風級葉輪采用不同的葉片扭曲角度、不同的安裝角度；一級葉輪的扭曲角度和安裝角度都較二級葉輪大，一級葉片數(shù)大于二級葉片數(shù)，葉片采用等環(huán)量流型設計，葉片安裝角度可任意調(diào)節(jié)，通風效率高。所以改造后的通風機設備選用對旋軸流通風機較為合理。
　　煤礦對旋風機因其主要由該通風機采用兩級葉輪對旋式結(jié)構，兩級葉輪分別由容量及相同型號電動機驅(qū)動，兩個葉輪旋轉(zhuǎn)方向相反，從進風口看，第一級葉輪順時針方向旋轉(zhuǎn)，第二級葉輪則逆時針方向旋轉(zhuǎn)。當空氣流入第一級葉輪獲得能量后并經(jīng)第二級葉輪排出，第二級葉輪兼?zhèn)淦胀ㄝS流風機中靜葉的功能，在獲得整直圓周方向速度風量同時，增加氣流的能量，從而達到普通軸流式通風機不能達到的高效率，高風壓。它與普通軸流風機相比有以下幾個優(yōu)點：
　　（1)可以省略導葉，因而具有較短的結(jié)構尺寸。
　　（2) 傳動效率高。葉輪直接安裝在電機軸上，改變了傳統(tǒng)的傳動結(jié)構，既避免了傳動裝置的頻繁損壞，消除了能量損耗，也提高了風機裝置的傳動效率。對旋軸流式通風機因為沒有靜葉，不存在靜葉損失，因此，其效率比普通通風機要高。
　　（3) 對旋軸流式通風機具有較大的逆向送風量，其一般可達70%～80%，而普通通風機的逆向送風量僅為30%～40%。
　　（4)軸流對旋風機使用靈活。對旋風機兩級工作輪分別由兩臺電機驅(qū)動，因而對旋風機對應不同的使用狀態(tài)，可進行各式各樣的組合，使其中一級空轉(zhuǎn)可組成前導加動葉級或動葉加后導葉級，亦可配備一個靜葉作為附件，可以調(diào)節(jié)柵距以實現(xiàn)變風量調(diào)節(jié)。對旋風機可變轉(zhuǎn)速和兩轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速比來調(diào)節(jié)流量，這是對旋風機所特有的。

      礦用通風機為兩臺，一用一備。風機拖動電機功率為 250 kW/6kV，每臺對旋軸流式風機有兩臺電機組驅(qū)動。為了進一步降低通風機的運行消耗功率，需選擇合適的調(diào)速方式對通風機進行控制，以達到高效運行的目的。

3 改造風機調(diào)速方式選擇

     至目前為止，高壓電機要實現(xiàn)調(diào)速，主要采用以下方式：

   （1）液力耦合器方式。即在電機和負載之間串入一個液力耦合裝置，通過液面的高低調(diào)節(jié)電機和負載之間耦合力的大小，實現(xiàn)負載的速度調(diào)節(jié)。這種調(diào)速方法實質(zhì)上是轉(zhuǎn)差功率消耗型的做法，其主要缺點是隨著轉(zhuǎn)速下降效率越來越低、維護工作量大。屬淘汰落后調(diào)速方式。

   （2）串級調(diào)速。串級調(diào)速必須采用繞線式異步電動機，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)，這種調(diào)速方式的調(diào)速范圍一般在70%-95%左右，調(diào)速范圍窄。而通風機一般都采用鼠籠式異步電動機，更換電機非常麻煩。串級調(diào)速屬于落后技術。

   （3）高低高變頻方式。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，然后采用一臺低壓變頻器實現(xiàn)變頻；對于電機，則有兩種辦法，一種辦法是采用低壓電機；另一種辦法，則是仍采用原來的高壓電機，需要在變頻器和電機之間增加一臺升壓變壓器。這是當時高壓變頻技術未成熟時的一種過渡技術。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。

   （4）高高變頻方式。目前，市場上銷售的主流高壓變頻器又可分為電流源型、功率單元串聯(lián)多電平型和三電平型三種類型，其中功率單元串聯(lián)多電平變頻器采用多個低壓的功率單元串聯(lián)方式實現(xiàn)高壓，是電壓源型變頻器。這種變頻器主回路如圖1示，此變頻器采用多個低壓的功率單元串聯(lián)實現(xiàn)高壓，輸入側(cè)的降壓變壓器采用移相方式，可有效消除對電網(wǎng)的諧波污染，輸出側(cè)采用多電平正弦PWM 技術，可適用于任何電壓的普通電機，另外，在某個功率單元出現(xiàn)故障時，可自動退出系統(tǒng)，而其余的功率單元可繼續(xù)保持電機的運行，減少停機時造成的損失。系統(tǒng)采用模塊化設計，可迅速替換故障模塊。由此可見，單元串聯(lián)多電平型變頻器的市場競爭力是很明顯的。這種變頻器技術成熟，目前占據(jù)風機水泵市場主要份額。

      通過對以上高壓電機調(diào)速方式比較，煤礦領導決定采用功率單元串聯(lián)多電平變頻器對礦用通風機進行改造。礦領導經(jīng)過對比、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-BP37-250F高壓變頻器2套對礦主通風機進行調(diào)速控制，改造達到了預期目的。

     4山東新風光電子JD-BP37系列性能特點

     山東新風光生產(chǎn)的風光牌JD-BP37系列高壓變頻器榮獲“中國名牌”稱號，風光牌JD-BP37系列高壓變頻器以高速DSP為控制核心，采用無速度矢量控制技術、功率單元串聯(lián)多電平技術，屬高-高電壓源型變頻器，其諧波指標遠小于IEE519-1992的諧波國家標準，輸入功率因數(shù)高，輸出波形質(zhì)量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數(shù)補償裝置和輸出濾波器；不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，可以使用普通的異步電機。風光JD-BP37系列高壓變頻器除具有一般普通變頻器的功能外，還具有以下性能特點：

     (1)采用高速DSP作為中央處理器，運算速度更快，讓控制更精準。

     (2)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)完整的工頻/變頻自動互切技術：現(xiàn)在的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般設置工頻旁路切換柜，變頻器發(fā)生故障時能使高壓電機轉(zhuǎn)至工頻運行，旁路切換有手動旁路和自動旁路切換兩種型式。新風光公司提供的自動旁路切換柜，不僅可實現(xiàn)變頻故障情況下自動由變頻轉(zhuǎn)換至工頻運行狀態(tài)，還可實現(xiàn)在變頻檢修完畢后由工頻瞬間轉(zhuǎn)換至變頻的功能，整個轉(zhuǎn)換過程不會對用戶設備的運行造成任何影響。

      (4)旋轉(zhuǎn)中再啟動功能：運行過程中高壓瞬時掉電三十秒鐘內(nèi)恢復，高壓變頻器不停機，高壓恢復后變頻自動運行到掉電前的頻率。

     (5)線電壓自動均衡技術（星點漂移技術）：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。

     (6)單元直流電壓檢測：實時顯示檢測系統(tǒng)直流電壓，從而實現(xiàn)輸出電壓的優(yōu)化控制，降低諧波含量，保證輸出電壓的精度，提升系統(tǒng)控制性能，并保證運行維護人員實現(xiàn)對功率單元運行狀況的全面把握。
     (7)單元內(nèi)電解電容因采取了公司專利技術，可以將其使用壽命提高一倍。

     (8) 通過控制器可實現(xiàn)對各單元直流濾波電容壽命的檢測，實現(xiàn)在年檢中對單元電解電容器進行檢測，根據(jù)出廠時電解電容器的特性的比較與趨勢，可得出對電解電容器壽命的猜測，提前預知電解電容器是否可繼續(xù)運行，避免由于電容器運行出現(xiàn)非預期的系統(tǒng)故障，并實現(xiàn)運行維護人員對功率單元設備狀況的及時把握。

       (9) 具有雙路控制電，一路為干式變壓器變壓以后的電源，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)試以及人員培訓很方便，大大提高了安全性。

     (10) 具備突發(fā)相間短路保護功能。如果由于設備原因及其他原因造成輸出短路，此時如果變頻器不具備相間短路保護功能，將會導致重大事故。風光高壓變頻器在發(fā)生類似問題時能夠立即封鎖變頻器輸出，保護設備不受損害，避免事故的發(fā)生。

      (11) 限流功能：當變頻器輸出電流超過設定值，變頻器將自動限制電流輸出，避免變頻器在加減速過程中或因負載突然變化而引起的過流保護，最大限度減少停機次數(shù)。

5 變頻改造主回路

      選用風光JD-BP37-250F高壓變頻裝置2套分別拖動兩臺風機，即兩臺高壓變頻器即可同時拖動1#風機，也可拖動2#風機。兩臺風機拖動方式采取即可變頻運行，也可工頻運行。風機運行采用一用一備方式。以其中一臺高壓變頻器接線為例說明。高壓變頻器與電動機的連接方式如圖2所示。高壓變頻器為雙電源供電，當6kV電源Ⅰ#供電時，經(jīng)高壓隔離開關k1到高壓變頻裝置，變頻裝置輸出經(jīng)出線刀閘k3和k6送至1#風機或2#風機的1#電動機；當拖動1#風機1#電機變頻運行時，k1、k3閉合，k4、k6斷開；當拖動2#風機1#電機變頻運行時，k4、k3斷開，k1、k6閉合。當高壓變頻器檢修時，6kV電源還可以經(jīng)旁路刀閘k2或k8后直接起動電動機。k5和k7是倒向開關，在特殊情況時進行反風。另一臺高壓變頻器主回路控制方式同理。

圖2變頻改造主回路圖

6 高壓變頻DCS控制

      本系統(tǒng)采用在遠程操作（DCS上操作）用戶可根據(jù)工況條件設定轉(zhuǎn)速，變頻器以該轉(zhuǎn)速為控制值，變頻器頻率的變化依據(jù)用戶輸入的模擬量，4mA對應0轉(zhuǎn)速，20mA對應額定轉(zhuǎn)速。

      本系統(tǒng)DCS監(jiān)控畫面如圖3所示：

    如圖3所示，DCS系統(tǒng)輸出 4～20mA電流信號控制JD-BP37高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的運行頻率， 來控制電機的運行轉(zhuǎn)速。  JD-BP37高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)反饋4～20mA電流信號指示JD-BP37高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的輸出頻率、輸出電流。JD-BP37高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)同時接收DCS控制系統(tǒng)的啟動、停止、急停、復位控制信號，調(diào)整運行狀態(tài)。

      當JD-BP37高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)故障時，系統(tǒng)輸出故障停機和報警信息，用于提示用戶啟動故障處理措施，同時JD-BP37高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)將信號發(fā)送給DCS，在DCS系統(tǒng)上顯示故障，以便于及時的排除故障。如果系統(tǒng)出現(xiàn)緊急情況，DCS監(jiān)視人員立即點擊變頻器緊急停止按鈕，此時變頻器立即封鎖輸出，并及時跳開上級斷路器。
     為保證JD-BP37高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)操作的安全性，需從進線開關柜把斷路器的狀態(tài)信號接入JD-BP37高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。 JD-BP37高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)輸出的故障跳閘信號接入斷路器的分閘回路，連跳高壓信號接入安全回路，當出現(xiàn)嚴重故障時及時跳開斷路器保護JD-BP37高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)及電機。當確認風機電機正常時，可工頻啟動運行；或者工頻啟動另一臺風機投入運行，以保證煤礦井下通風要求。

7 高壓變頻器如何在風機的高效區(qū)進行調(diào)速

    （1）根據(jù)礦井生產(chǎn)實際情況，用戶提出礦井近期所需的風量、負壓；根據(jù)礦井生產(chǎn)發(fā)展要求，作出后期風量、負壓的預測。作出目前及后期礦井通風網(wǎng)路阻力曲線，求出較準確的礦井通風網(wǎng)路阻力系統(tǒng)及網(wǎng)組曲線方程。

    （2）確定風機直徑及轉(zhuǎn)速后，根據(jù)廠家提供的產(chǎn)品特性曲線，作出風路阻力曲線，并根據(jù)風機所需的風量和負壓，找出前后期工況點，必須使工況點運行在高效區(qū)，即系統(tǒng)效率在80%左右。如果工況點出現(xiàn)在低效區(qū)，可以調(diào)整風機的轉(zhuǎn)速。工況點的葉片工作角度，必須留有一定的余地，使其有一定的富裕能力。風機葉片安裝角度可以通過公式計算和作圖，找工況點兩者相結(jié)合的方法確定。作風路特性曲線找工況點，可以由圖查得平均角度。已可通過計算求得。根據(jù)上述方法初算出的角度，對照礦井阻力曲線和風機性能曲線作出的工況點，再確定葉片安裝角度。在實際應用中,風機轉(zhuǎn)速大于60%的情況下,可以滿足用戶井下對風量及負壓的影響,且風機運行在高效區(qū)。

8 現(xiàn)場應用情況

     東懷煤礦通風機選用型號JD-BP37-250F風光變頻器2套，于2009年10月20日開始安裝調(diào)試，2009年10月28日變頻器一次性投運成功。至今運行正常。變頻運行后，風門全部打開，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。高壓變頻器現(xiàn)場照片如圖4所示。

圖4 高壓變頻器現(xiàn)場照片

      概括來說，通風機采用高壓變頻器有以下效果：

    （1）變頻起動對電網(wǎng)沒有任何沖擊。由于變頻器改造后風機可以實現(xiàn)變頻軟起動，避免了起動電流的沖擊。

    （2）按需調(diào)節(jié)風量，避免浪費。進行變頻改造后，風機的送風量不再需要由風門來調(diào)節(jié)，而是由變頻器通過變頻調(diào)節(jié)風機的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)，調(diào)節(jié)范圍可以從0%～100%；因而可以根據(jù)井下生產(chǎn)需要隨意調(diào)節(jié)風量，減少了不必要的浪費。

    （3）變頻節(jié)能運行，節(jié)約了大量能源。經(jīng)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)計算，風機變頻運行時比工頻運行相比，節(jié)電率高達57.4%。

     （4）降低風機工作強度，延長使用壽命。進行變頻改造后，風機的大部分工作時間都在較低的速度下運行，潤滑條件改善，因而大大降低了風機工作的機械強度和磨損，將會大大延長風機的使用壽命。

     （5）系統(tǒng)壓力降低，對管道的壓力和密封等條件緩解，延長使用壽命。

     （6）監(jiān)控界面全為純中文操作，操作簡單，使用方便。

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

9結(jié)束語
　　 廣西百色礦務局東懷煤礦通過對礦用通風機變頻節(jié)能改造，既滿足了生產(chǎn)通風要求，又提高風機運行效率，節(jié)能效果顯著，同時減少了設備維護、維修費用，提高了風機設備運行水平，社會效益和經(jīng)濟效益十分明顯。我國的煤礦企業(yè)相當多，高壓變頻器在這一方面的應用具有廣闊的空間。
 

參考文獻

　[1] 高壓變頻器用戶手冊   山東新風光電子科技發(fā)展有限公司
　[2] 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)現(xiàn)場調(diào)試報告 山東新風光電子科技發(fā)展有限公司

  [3]高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)調(diào)試大綱   山東新風光電子科技發(fā)展有限公司

作者簡介

龐中元 高級工程師，供職于廣西百色礦務局東懷煤礦。

林洪波  技術支持工程師，供職于山東新風光電子科技發(fā)展有限公司。

文章聯(lián)系人：郭培彬

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