廣西百色礦務局東懷煤礦  龐中元

山東新風光電子科技發展有限公司  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速方式比較，用戶選用功率單元串聯多電平型高壓變頻器對通風機進行調速改造。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，原煤生產能力300萬噸/年，是廣西最重要的褐煤生產基地。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”的規劃和建設要求，將綠色理念貫穿于生產經營的全過程，以開采方式科學化、資源利用高效化、生產工藝環保化、礦山環境生態化為基本要求，引進先進生產工藝和技術，實現了經濟效益、生態效益和社會效益的協調統一。

      目前，東懷煤礦每年可生產原煤150萬噸。隨著煤炭的產量不斷擴大，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所需的運行功率，勢必造成巨大的能源浪費。

2 改造現場設備

      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節通風量，因此通風效率較低，造成能源浪費，增加了生產成本。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，一級葉片數大于二級葉片數，葉片采用等環量流型設計，葉片安裝角度可任意調節，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構，兩級葉輪分別由容量及相同型號電動機驅動，兩個葉輪旋轉方向相反，從進風口看，第一級葉輪順時針方向旋轉，第二級葉輪則逆時針方向旋轉。當空氣流入第一級葉輪獲得能量后并經第二級葉輪排出，第二級葉輪兼備普通軸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點：
　　（1)可以省略導葉，因而具有較短的結構尺寸。
　　（2) 傳動效率高。葉輪直接安裝在電機軸上，改變了傳統的傳動結構，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動，因而對旋風機對應不同的使用狀態，可進行各式各樣的組合，使其中一級空轉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，可以調節柵距以實現變風量調節。對旋風機可變轉速和兩轉子的轉速比來調節流量，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 改造風機調速方式選擇

     至目前為止，高壓電機要實現調速，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，通過液面的高低調節電機和負載之間耦合力的大小，實現負載的速度調節。這種調速方法實質上是轉差功率消耗型的做法，其主要缺點是隨著轉速下降效率越來越低、維護工作量大。屬淘汰落后調速方式。

   （2）串級調速。串級調速必須采用繞線式異步電動機，將轉子繞組的一部分能量通過整流、逆變再送回到電網，這種調速方式的調速范圍一般在70%-95%左右，調速范圍窄。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，先把電網電壓降低，然后采用一臺低壓變頻器實現變頻；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，對電網側的諧波較大。

   （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、功率單元串聯多電平型和三電平型三種類型，其中功率單元串聯多電平變頻器采用多個低壓的功率單元串聯方式實現高壓，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實現高壓，輸入側的降壓變壓器采用移相方式，可有效消除對電網的諧波污染，輸出側采用多電平正弦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故障時，可自動退出系統，而其余的功率單元可繼續保持電機的運行，減少停機時造成的損失。系統采用模塊化設計，可迅速替換故障模塊。由此可見，單元串聯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，目前占據風機水泵市場主要份額。

      通過對以上高壓電機調速方式比較，煤礦領導決定采用功率單元串聯多電平變頻器對礦用通風機進行改造。礦領導經過對比、論證，最后決定選用山東新風光電子科技發展有限公司生產的JD-BP37-250F高壓變頻器2套對礦主通風機進行調速控制，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，輸入功率因數高，輸出波形質量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數補償裝置和輸出濾波器；不存在諧波引起的電機附加發熱和轉矩脈動、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的情況下直接起動。

     (3)完整的工頻/變頻自動互切技術：現在的高壓變頻調速系統一般設置工頻旁路切換柜，變頻器發生故障時能使高壓電機轉至工頻運行，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，不僅可實現變頻故障情況下自動由變頻轉換至工頻運行狀態，還可實現在變頻檢修完畢后由工頻瞬間轉換至變頻的功能，整個轉換過程不會對用戶設備的運行造成任何影響。

      (4)旋轉中再啟動功能：運行過程中高壓瞬時掉電三十秒鐘內恢復，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：實時顯示檢測系統直流電壓，從而實現輸出電壓的優化控制，降低諧波含量，保證輸出電壓的精度，提升系統控制性能，并保證運行維護人員實現對功率單元運行狀況的全面把握。
     (7)單元內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) 通過控制器可實現對各單元直流濾波電容壽命的檢測，實現在年檢中對單元電解電容器進行檢測，根據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運行，避免由于電容器運行出現非預期的系統故障，并實現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。對于在現場安裝調試以及人員培訓很方便，大大提高了安全性。

     (10) 具備突發相間短路保護功能。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。

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，經高壓隔離開關k1到高壓變頻裝置，變頻裝置輸出經出線刀閘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

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

      本系統DCS監控畫面如圖3所示：

    如圖3所示，DCS系統輸出 4～20mA電流信號控制JD-BP37高壓變頻調速系統的運行頻率， 來控制電機的運行轉速。  JD-BP37高壓變頻調速系統反饋4～20mA電流信號指示JD-BP37高壓變頻調速系統的輸出頻率、輸出電流。JD-BP37高壓變頻調速系統同時接收DCS控制系統的啟動、停止、急停、復位控制信號，調整運行狀態。

      當JD-BP37高壓變頻調速系統故障時，系統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高壓變頻調速系統將信號發送給DCS，在DCS系統上顯示故障，以便于及時的排除故障。如果系統出現緊急情況，DCS監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高壓變頻調速系統操作的安全性，需從進線開關柜把斷路器的狀態信號接入JD-BP37高壓變頻調速系統。 JD-BP37高壓變頻調速系統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，當出現嚴重故障時及時跳開斷路器保護JD-BP37高壓變頻調速系統及電機。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進行調速

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

    （2）確定風機直徑及轉速后，根據廠家提供的產品特性曲線，作出風路阻力曲線，并根據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，即系統效率在80%左右。如果工況點出現在低效區，可以調整風機的轉速。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。

8 現場應用情況

     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工藝要求，而且用戶操作非常方便。高壓變頻器現場照片如圖4所示。

圖4 高壓變頻器現場照片

      概括來說，通風機采用高壓變頻器有以下效果：

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

    （2）按需調節風量，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節，而是由變頻器通過變頻調節風機的轉速來實現，調節范圍可以從0%～100%；因而可以根據井下生產需要隨意調節風量，減少了不必要的浪費。

    （3）變頻節能運行，節約了大量能源。經現場測試數據計算，風機變頻運行時比工頻運行相比，節電率高達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，提高了系統的安全穩定性。

9結束語
　　 廣西百色礦務局東懷煤礦通過對礦用通風機變頻節能改造，既滿足了生產通風要求，又提高風機運行效率，節能效果顯著，同時減少了設備維護、維修費用，提高了風機設備運行水平，社會效益和經濟效益十分明顯。我國的煤礦企業相當多，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展有限公司
　[2] 高壓變頻調速系統現場調試報告 山東新風光電子科技發展有限公司

  [3]高壓變頻調速系統調試大綱   山東新風光電子科技發展有限公司

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展有限公司。

文章聯系人：郭培彬

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