摘要：本文介紹了風光牌高壓變頻在山東崔莊煤礦主扇風機上的應用情況，對節(jié)能效果進行了計算。
關鍵詞：高壓變頻器 主扇 應用
Abstract:The article introduces the application instances of Fengguang high inverter on the multi-levels Coal mine ventilator in cuizhuang colliery ,and analyses the power-saving effect.
Key Words:High voltage inverter  The multi-levels Coal mine ventilator     Application

1 引言
　　隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展,各行各業(yè)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,并且利用各種技術降低生產(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)中最重要的一部分，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24小時不間斷運行，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。風機設計上余量特別大，在相當長的時間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，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)，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，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備損耗，從而導致生產(chǎn)成本增加，設備使用壽命縮短，設備維護、維修費用高居不下，針對這種情況，礦領導經(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，現(xiàn)場設備如圖1所示：

圖1 現(xiàn)場設備圖

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。
（2）飛車啟動功能：能夠識別電機的速度并在電機不停轉的情況下直接起動。
（3）瞬間掉電再啟動功能：運行過程中高壓瞬時掉電三秒鐘內(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。
（4）線電壓自動均衡技術（采用中性點漂移技術）：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。
（5）單元內(nèi)電解電容因采取了公司專利技術（專利號ZL 2003 2 0107356.2 ），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)多重化結構，模塊化設計。這樣IGBT承受電壓較低，可以有較寬的過壓范圍（≥1.15Ue），設備可靠性更高。
（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)試以及人員培訓很方便，同時也大大提高了培訓和運行的安全性。

4 現(xiàn)場技術參數(shù)
　　電動機參數(shù)如下表1所示：
表1：

風機類型：軸流風機。
    設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。吸風側設兩個立閘門，兩個水平反風門，擴散器側兩個水平反風門，每個風門各用一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
    （1）原工礦使用的為轉子串電阻啟動方式，啟動不穩(wěn)定，造成了大的機械沖擊，導致電機壽命大大降低；
    （2）轉子串電阻啟動時，控制系統(tǒng)復雜，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；
    （3）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；
    （4）主扇風機設計上余量大，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；
    （5）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變頻調(diào)速器，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，其主回路如下圖2所示：

圖2 主回路圖

　　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、變頻轉換改造時加的一個轉換開關。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)多電平結構，由控制柜、變壓器柜、單元柜和開關柜組成。
　　每個功率單元結構上完全一致，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，其電路結構見下圖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》對諧波含量最嚴格要求，無需安裝輸入濾波器并保護周邊設備免受諧波干擾。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)場應用情況
　　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24小時耗電費：
    8257.90×0.6=4954.74元。
    變頻24小時耗電費：
    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
  （1）實現(xiàn)電機軟啟動，減小啟動沖擊，降低維護費用，延長設備使用壽命；
  （2）系統(tǒng)安全、可靠，具有變頻故障轉工頻功能，確保風機連續(xù)運行；
  （3）控制方便、靈活，自動化水平高；
  （4）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；
  （5）界面全為純中文操作，非常符合國人特點；
  （6） 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，還設有外圍連鎖保護系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性；  
  （7）采集各臺扇風機運行的工藝參數(shù)、電器參數(shù)、電氣設備運行的狀況。
       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，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，其中變頻技術起到了關鍵作用，取得了明顯的經(jīng)濟效益和社會效益，適應了國家建設資源節(jié)約型社會的潮流。