云南東源煤電股份有限公司一平浪煤礦  管憲忠

山東新風光電子科技發展有限公司  田利潤

摘  要：針對煤礦主扇風機工作負荷特點，分析了礦井主扇風機變頻調速節能原理，闡述了應用于礦井主扇風機高壓變頻調速控制方案。主扇風機變頻改造表明，煤礦通風機變頻改造節能效果顯著，具有較高的經濟效益和社會效益。

關鍵詞：主扇風機  高壓變頻器  調速  節能

1引言

      礦井主扇風機的選型應滿足礦井生產服務年限最大風量的要求，從建井到生產直至礦井報廢，每個時期需要的風量是不同的，且差別較大，為了滿足礦井在服務年限內最大風量的要求，一般選擇風的裕量較大，在需風量較小時，造成電力的浪費。對長期運行的風機來說，耗能是十分驚人的。故尋求可靠地調整風量方法，既滿足礦井風量的要求，又實現節能，意義十分重大。

      目前我國礦山用風機調整風量方法基本上有兩種：一是機械調整風量，另一種是電氣調整風量。機械調整風量是調整葉片角度和調整空氣網絡阻力的方法。調整葉片角度可以調整風量，但風機的效率較低，調整網絡增加系統阻力可調整風量，但不節電。電氣調整風量，即電氣調速，調整電機的極對數；或調整電源頻率，即變頻調速。另一種方法是串級調速。其中串級調速和變頻調速這兩種調節方法中，變頻調速是調整風量的最佳方法。

      云南東源煤電股份有限公司一平浪煤礦先期通風方式為中央并列式，中后期分別開拓南翼和北翼風井，通風方式為對角式。南翼風井裝備沈陽鼓風機廠2K60-55-18軸流風機，風機由JRQ1410-6高壓繞線電機驅動。風機為兩臺，一用一備。目前，礦井生產系統的延伸，南翼風井主扇風機開始投入運行，由于南翼風井風機額定轉速運行，風量調節依靠風機扇葉角度的有級調整來實現，風機葉片只能調整在低角度上，運行效率很低，大量的電能白白消耗掉，尤其是通風網絡變化頻繁的情況下，風機葉片角度調整也很難適應風量需求的變化。因此，采取有效的風機調速、節能降耗措施尤為重要。現場1#和2#風機參數基本相同，表1為1#主扇風機的基本參數。

2 主扇風機變頻調速節能研究

2.1主扇風機變頻調速節能可行性分析

      礦井通風設計過程中，有些時候很難計算管網的阻力，通常總是把系統的最大風量和風壓裕度作為選型的依據，但風機的型號和系列是有限的，往往選取不到合適的風機型號時就往上靠，一般裕度大于20%-30%。因此這些風機運行時，只有靠調節風門或風道擋板的開度來滿足生產工藝對風量的要求。風機機械特性為平方轉矩特性，風機運行時，靠調節風門或者風道擋板的開度來調節風機風量的方法，稱為節流調節。在節流調節過程中，風機固有特性不變，僅僅靠關小風門或擋板的開度，人為地增加管路的阻力，由此增大管路系統的損失，不利于風機的節能運行。采用變頻調速控制裝置，通過改變風機的轉速，從而改變風機風量以適應生產工藝的需要。風機以調速控制方式運行能耗最省，綜合效益最高。交流電機的的調速方式有多種，變頻調速是高效的最佳調速方案，它可以實現風機的無級調速，并可方便地組成閉環控制系統，實現恒壓或恒流量的控制。

2.2主扇風機變頻調速節能原理

圖1為所示為主扇風機風壓-風量H-風量Q曲線特性圖。

      N1為風機在額定轉速運行時的特性，N2風機降速運行在N2轉速時的特性，R1風機管路阻力最小時的阻力特性，R2風機管路阻力增大到某一數值時的阻力特性。      

     風機在管路特性曲線R1工作時，工況點為A，其流量壓力分別為Q1、H1，此時風機所需的功率正比于H1與Q1的乘積，即正比于AH1OQ1的面積。由于工藝要求需減小風量到Q2實際上通過增加管網管阻，使風機的工作點移到R2上的B點，風壓增大到H2，此時風機所需的功率正比H2與Q2的乘積，即正比于BH2OQ2的面積。顯然風機所需的功率增大了。這種調節方式控制雖然簡單，但功率消耗大，不利于節能，是以高運行成本換取簡單控制方式。

      若采用變頻調速，風機轉速由N1下降到N2，這時工作點由A點移到C點，流量仍是Q2，壓力由H1降到H3，這時變頻調速后風機所需的功率正比于H3與Q2的乘積，即正比于CH3OQ2的面積，由圖可見功率的減小是明顯的。

3 高壓變頻器控制方案設計

3.1高壓變頻器選擇

      礦井主扇風機拖動電機只有電動過程，而不需要電氣制動和能量回饋過程，屬于兩象限運行狀態。因此，選用山東新風光電子科技發展有限公司生產的風光牌JD-BP37-400F型高壓變頻器2套對南翼風機進行改造，改造達到了預期目的。

（1）系統組成

      其系統結構如圖 2 示。風光牌高壓變頻器為高--高電壓源型模式，由移相變壓器，功率單元和控制器組成。前端由一個多繞組的隔離移相變壓器供電，變壓器次級共有15組付邊繞組，采用30脈沖整流。功率單元每相采用低壓功率單元串接組成，每相5個功率單元，三相共15個單元。控制器部分以高速微處理器實現控制以及與子微處理器間進行通信。風光高壓變頻器采用模塊化設計，互換性好、維修簡單，噪音低，諧波含量小，不會引起電機的轉矩脈動，對電機沒有特殊要求。

2）功率單元電路

      其電路結構如圖3示，為基本的交-直-交單相逆變電路，整流側為六支二極管實現三相全波整流。逆變側通過對 IGBT 逆變橋進行正弦 PWM 控制實現逆變。假如一單元發生故障，該單元的輸出端能自動旁路，不影響整機的連續運行。每個功率單元完全一樣，可以互換，這不但調試、維修方便，而且備份也十分經濟。

（3）輸入側結構

      輸入側由移相變壓器給每個功率單元供電，每個功率單元都承受額定電機電流、 1/5的相電壓、1/15的輸出功率。15個單元在變壓器上都有自己獨立的三相輸入繞組。功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。二次繞組采用延邊三角形接法，目的是實現多重化，降低輸入電流的諧波成分。這種多級移相疊加的整流方式可以大大改善網側的電流波形，使其負載下的網側功率因數接近1， 輸入電流諧波成分低。實測輸入電流總諧波成分小于3%。

（4）輸出側結構

      輸出側由每個單元的兩個輸出端子相互串接而成，三相星型接法輸出給電機供電。通過對每個單元的 SPWM 波形進行重組，可得到如圖4所示的階梯 PWM 波形。這種波形正弦度好， dv/dt 小，可減少對電纜和電機的絕緣損壞，無須輸出濾波器就可以使輸出電纜長度很長，電機不需要降額使用，可直接用于舊設備的改造；同時，電機的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機械振動，減小了軸承和葉片的機械應力。

變頻器輸出的相電壓階梯PWM波形圖

（5）控制器

       控制器核心由高速DSP運算來實現，精心設計的算法可以保證電機達到最優的運行性能。人機界面提供友好的全中文監控和操作界面，同時可以實現遠程監控和網絡化控制。控制器用于柜體內開關信號的邏輯處理，以及與現場各種操作信號和狀態信號的協調，增強了系統的靈活性。控制器及各控制單元板中采用DSP和FPGA等大規模集成電路和表面焊接技術，系統具有極高的可靠性。

      控制器與功率單元之間采用多通道光纖通訊技術，低壓部分和高壓部分實現真正意義的電氣隔離，系統具有極高的安全性和可靠性，同時具有很好的抗電磁干擾能力。并且各個功率單元的控制電源采用一個獨立于高壓系統的統一控制器，方便調試、維修、現場培訓，增強了系統的可靠性。

3.2高壓變頻器具有的特殊功能

      在礦井主扇風機變頻調速過程中，高壓變頻器除滿足通用技術標準外，還有滿足風機類機械設備運行的特殊功能。

（1）飛車啟動功能

      礦井主扇風機在靜止狀態時，變頻器可以在設定的啟動頻率下加載到電機，一直加速到設定上限頻率為止。而在實際過程中，主扇風機需要在一定的時間內啟動完畢，主扇風機不是在靜止狀態下啟動（比如受漏風影響自轉、人為停風機后需要在一定轉速下再次啟動等），而是要在一定轉速下啟動，如果在一定轉速下加載靜止啟動頻率，變頻器如果沒有飛車啟動功能的話，就要過流跳閘。因此變頻器必須具有跟蹤電機實時轉速并調節加載頻率的功能。

      高壓變頻器“飛車啟動”是在電機定子與變頻器或工頻電網都脫離時，電機定子“無源”,電機轉子處于轉動狀態，但轉速隨機不確知情況下，將高壓變頻器接入電機定子，使電機定子從“無源”到“有源”，電機定子旋轉磁場從無到有，最后電機定子旋轉磁場拖動電機轉子進入正常驅動的過程。

      由電機原理知，當電機定子旋轉磁場速度與電機轉子速度相差較大即轉差較大時，會產生很大的電流而電磁轉矩卻不大，例如電機在工頻下全壓直接起動時，電機定子電流會達到額定值的5～7倍。而高壓變頻器容量一般不可能按電機電流額定值的5～7倍選配。如果高壓變頻器“飛車啟動”時輸出頻率較高（50Hz），而電機轉子速度很慢時就與此類似，必過流跳閘。反之如果高壓變頻器“飛車啟動”時輸出頻率較低，定子旋轉磁場速度低于電機轉子速度，此時電機為發電狀態，電機轉子將向定子側反送能量給變頻器電容充電，使變頻器因電容電壓泵升過壓而跳閘。因此，高壓變頻器“飛車啟動”是否成功的關鍵是輸出和轉子速度（頻率）相同的頻率。而電機轉子頻率是隨機的，為此必須進行電機轉子頻率的搜索,即“飛車啟動”開始先搜索電機轉子頻率，搜索到電機轉子頻率后，變頻器再按搜索到的轉子頻率作為輸出頻率。這樣，既不會出現過流也不會出現電容電壓泵升過壓的現象。

      現場調試結果表明飛車啟動功能安全可靠，啟動順利。變頻器在54Hz下降進入搜頻時間，頻率下降到10～13Hz之間電機就能直接在此頻率上啟動，啟動電流小，轉速穩定。

（2）星點漂移功能

       高壓變頻器有大量的功率單元，每一個功率單元都有故障的可能，當其中一個單元發生故障時，單元可暫時旁路而降額運行，但損壞單元的這一相勢必電壓降低，與其他兩相電壓不平衡，造成電機端電流不平衡，不能長期運行。如果其他兩相對應的功率單元也進行旁路，雖然滿足了電壓平衡，但是，變頻器輸出功率降低太多，不能滿足礦井主扇風機的可靠運行。因此，礦井主扇風機變頻器必須具有星點漂移功能。

      在主扇風機變頻器設計過程中，系統采用了星點漂移方案。在正常情況下，變頻器三相輸出a、b、c平衡，中性點即星點。當a相有一個單元故障時，系統則把星點進行移位處理，b相和c項進行運算，矢量和的輸出與a相相一致，保證變頻器輸出功率降低的程度最小，保持變頻器最大限度的輸出電壓。當出現2個或3個單元故障時，系統同樣進行相關運算使其一致，提高了系統工作的可靠性。

3.3變頻與工頻主回路方案設計

      礦井主扇風機一用一備，具有倒機、反轉等操作要求，時刻具備一臺風機處于連續運行狀態，停機時間嚴禁超過10min時間。在變頻調速過程中，如果變頻器故障跳閘，則運行風機還具有自動切換到工頻電源運行的功能。因此，礦井主扇風機投入變頻控制器后，電氣主回路設計如圖5。

（1）電氣主回路主要元器件說明

在電氣主回路圖中，ZJC和FJC為工頻狀況下主扇風機正反轉接觸器，實現兩路高壓相互切換；ZJC和FJC為工頻狀況下主扇風機正反轉接觸器，兩者實現電氣和機械閉鎖；BJC為高壓變頻器饋電接觸器；XJC為隔離接觸器，主要防止風機變頻運行時，ZJC和FJC真空管斷口間隙過小時，高壓侵入變頻器功率單元擊穿IGBT；BJCC1和BJCC2為變頻運行接觸器，六極斷口，每2個斷口串接構成一相回路，主要防止風機工頻運行時BJC單斷口間隙過小，高壓侵入變頻器功率單元；JC1和JC2為轉子頻敏電抗器切除接觸器。2套風機選用2套高壓變頻器分別控制，一用一備，設計一拖一方案。

（2）工頻運行電氣方案

主扇風機需要在工頻狀況下運行時，BJC、BJCC1、BJCC2斷開，ZJC或FJC和XJC接通，1#或2#風機得電啟動，JC1和JC2根據調定啟動時間，分一級、二級2次切除轉子頻敏電抗器，完成風機啟動過程。

（3）變頻運行電氣方案

主扇風機需要在變頻狀況下運行時，ZJC、FJC和XJC斷開，BJC、BJCC1或BJCC2接通，同時JC1接通，1#或2#風機加載變頻在設定頻率下啟動，在加載設定時間內加速設定上限頻率，完成風機啟動過程。

（4）變頻故障自動切換方案

當主扇風機變頻運行時，為防止變頻器故障造成長時間停機現象的發生，系統設計變頻、工頻自動切換方案。當變頻器故障跳閘后，BJC、BJCC1或BJCC2斷開，ZJC（反風時FJC）、XJC自動接通，JC1閉合，自動短接轉子頻敏電抗器，系統加載工頻電源在當前運行風機，風機電機在當前轉速下直接再次啟動，縮小停機時間，實現不停機變頻、工頻電源回路切換，保證礦井通風連續性。

4變頻改造運行效果

      主扇風機變頻改造后，高壓變頻器2012年2月一次投運成功，至今運行正常，改造達到了預期目的。總的來說，變頻改造后有以下優點：

     （1）節電效果顯著。改造前南翼風井風機運行效率低于50%，采用高壓變頻調速裝置后，風機效率提高到78％以上，經測算年節電65萬kW·h以上。

     （2）投入變頻器后風機進風閘門全部打開，變頻器根據生產需要設定頻率，調節電動機的轉速，實現風機的轉速自動控制。

     （3）減少了對電網的沖擊。當電機通過工頻直接啟動時，它將會產生4～7倍的電機額定電流。這個電流值將大大增加電機繞組的電應力并產生熱量，從而降低電機的壽命。而采用變頻后，電機實現了軟啟動，可以在零速零電壓啟動（當然可以適當加轉矩提升），直到達到工作電流為止，對電網幾乎沒有沖擊。

     （4）維護量減少。采用變頻調速后，由于啟動平穩，低速運行，風機的振動、噪音和溫度明顯降低，相應地延長了許多零部件，特別是密封、軸承的壽命。有效延長了檢修周期，減少了檢修維護量，節約大量維護費用。

     （5）變頻器具有多項保護功能，十分完善。與原來舊系統相比較，變頻器具有過流、短路、過壓、欠壓、缺相、溫升保護等多項保護功能，更精確地保護了電機。

5結束語

      云南東源煤電股份有限公司一平浪煤礦南翼風井應用變頻調速控制后，不僅滿足了通風安全要求，而且獲得了可觀的經濟效益。目前，我國煤礦大量主扇風機能力富裕、長期低效運行，造成大量電能的浪費。交流變頻調速器，以適用性強、可靠性高、操作使用方便、高效節能等性能，受到廣大用戶的歡迎。

作者簡介

管憲忠  男  機電工程師，供職于云南東源煤電股份有限公司一平浪煤礦。

田利潤  男  技術支持工程師，供職于山東新風光電子科技發展有限公司。

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文章聯系人：郭培彬

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