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(fā)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(diào)速節(jié)能原理，闡述了應用于礦井主扇風機高壓變頻調(diào)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(jié)能效果顯著，具有較高的經(jīng)濟效益和社會效益。

關鍵詞：主扇風機  高壓變頻器  調(diào)速  節(jié)能

1引言

      礦井主扇風機的選型應滿足礦井生產(chǎn)服務年限最大風量的要求，從建井到生產(chǎn)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(nèi)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(diào)整風量方法，既滿足礦井風量的要求，又實現(xiàn)節(jié)能，意義十分重大。

      目前我國礦山用風機調(diào)整風量方法基本上有兩種：一是機械調(diào)整風量，另一種是電氣調(diào)整風量。機械調(diào)整風量是調(diào)整葉片角度和調(diào)整空氣網(wǎng)絡阻力的方法。調(diào)整葉片角度可以調(diào)整風量，但風機的效率較低，調(diào)整網(wǎng)絡增加系統(tǒng)阻力可調(diào)整風量，但不節(jié)電。電氣調(diào)整風量，即電氣調(diào)速，調(diào)整電機的極對數(shù)；或調(diào)整電源頻率，即變頻調(diào)速。另一種方法是串級調(diào)速。其中串級調(diào)速和變頻調(diào)速這兩種調(diào)節(jié)方法中，變頻調(diào)速是調(diào)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(qū)動。風機為兩臺，一用一備。目前，礦井生產(chǎn)系統(tǒng)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(zhuǎn)速運行，風量調(diào)節(jié)依靠風機扇葉角度的有級調(diào)整來實現(xiàn)，風機葉片只能調(diào)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(wǎng)絡變化頻繁的情況下，風機葉片角度調(diào)整也很難適應風量需求的變化。因此，采取有效的風機調(diào)速、節(jié)能降耗措施尤為重要?，F(xiàn)場1#和2#風機參數(shù)基本相同，表1為1#主扇風機的基本參數(shù)。

2 主扇風機變頻調(diào)速節(jié)能研究

2.1主扇風機變頻調(diào)速節(jié)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(wǎng)的阻力，通常總是把系統(tǒng)的最大風量和風壓裕度作為選型的依據(jù)，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(diào)節(jié)風門或風道擋板的開度來滿足生產(chǎn)工藝對風量的要求。風機機械特性為平方轉(zhuǎn)矩特性，風機運行時，靠調(diào)節(jié)風門或者風道擋板的開度來調(diào)節(jié)風機風量的方法，稱為節(jié)流調(diào)節(jié)。在節(jié)流調(diào)節(jié)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(tǒng)的損失，不利于風機的節(jié)能運行。采用變頻調(diào)速控制裝置，通過改變風機的轉(zhuǎn)速，從而改變風機風量以適應生產(chǎn)工藝的需要。風機以調(diào)速控制方式運行能耗最省，綜合效益最高。交流電機的的調(diào)速方式有多種，變頻調(diào)速是高效的最佳調(diào)速方案，它可以實現(xiàn)風機的無級調(diào)速，并可方便地組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)恒壓或恒流量的控制。

2.2主扇風機變頻調(diào)速節(jié)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(zhuǎn)速運行時的特性，N2風機降速運行在N2轉(zhuǎn)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(shù)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(wǎng)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(diào)節(jié)方式控制雖然簡單，但功率消耗大，不利于節(jié)能，是以高運行成本換取簡單控制方式。

      若采用變頻調(diào)速，風機轉(zhuǎn)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(diào)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(tài)。因此，選用山東新風光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)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(tǒng)組成

      其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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?？刂破鞑糠忠愿咚傥⑻幚砥鲗崿F(xiàn)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(zhuǎn)矩脈動，對電機沒有特殊要求。

2）功率單元電路

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

（3）輸入側(cè)結(jié)構(gòu)

      輸入側(cè)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(xiàn)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(wǎng)側(cè)的電流波形，使其負載下的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)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(cè)結(jié)構(gòu)

      輸出側(cè)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(xiàn)，精心設計的算法可以保證電機達到最優(yōu)的運行性能。人機界面提供友好的全中文監(jiān)控和操作界面，同時可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控和網(wǎng)絡化控制?？刂破饔糜诠耋w內(nèi)開關信號的邏輯處理，以及與現(xiàn)場各種操作信號和狀態(tài)信號的協(xié)調(diào)，增強了系統(tǒng)的靈活性?？刂破骷案骺刂茊卧逯胁捎肈SP和FPGA等大規(guī)模集成電路和表面焊接技術，系統(tǒng)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(xiàn)真正意義的電氣隔離，系統(tǒng)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(tǒng)的統(tǒng)一控制器，方便調(diào)試、維修、現(xiàn)場培訓，增強了系統(tǒng)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(diào)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(tài)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(nèi)啟動完畢，主扇風機不是在靜止狀態(tài)下啟動（比如受漏風影響自轉(zhuǎn)、人為停風機后需要在一定轉(zhuǎn)速下再次啟動等），而是要在一定轉(zhuǎn)速下啟動，如果在一定轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速并調(diào)節(jié)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(wǎng)都脫離時，電機定子“無源”,電機轉(zhuǎn)子處于轉(zhuǎn)動狀態(tài)，但轉(zhuǎn)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(zhuǎn)磁場從無到有，最后電機定子旋轉(zhuǎn)磁場拖動電機轉(zhuǎn)子進入正常驅(qū)動的過程。

      由電機原理知，當電機定子旋轉(zhuǎn)磁場速度與電機轉(zhuǎn)子速度相差較大即轉(zhuǎn)差較大時，會產(chǎn)生很大的電流而電磁轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)磁場速度低于電機轉(zhuǎn)子速度，此時電機為發(fā)電狀態(tài)，電機轉(zhuǎn)子將向定子側(cè)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(zhuǎn)子速度（頻率）相同的頻率。而電機轉(zhuǎn)子頻率是隨機的，為此必須進行電機轉(zhuǎn)子頻率的搜索,即“飛車啟動”開始先搜索電機轉(zhuǎn)子頻率，搜索到電機轉(zhuǎn)子頻率后，變頻器再按搜索到的轉(zhuǎn)子頻率作為輸出頻率。這樣，既不會出現(xiàn)過流也不會出現(xiàn)電容電壓泵升過壓的現(xiàn)象。

      現(xiàn)場調(diào)試結(jié)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(zhuǎn)速穩(wěn)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(fā)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(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)2個或3個單元故障時，系統(tǒng)同樣進行相關運算使其一致，提高了系統(tǒng)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(zhuǎn)等操作要求，時刻具備一臺風機處于連續(xù)運行狀態(tài)，停機時間嚴禁超過10min時間。在變頻調(diào)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(zhuǎn)接觸器，實現(xiàn)兩路高壓相互切換；ZJC和FJC為工頻狀況下主扇風機正反轉(zhuǎn)接觸器，兩者實現(xiàn)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(gòu)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(zhuǎn)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(jù)調(diào)定啟動時間，分一級、二級2次切除轉(zhuǎn)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(nèi)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(xiàn)象的發(fā)生，系統(tǒng)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(zhuǎn)子頻敏電抗器，系統(tǒng)加載工頻電源在當前運行風機，風機電機在當前轉(zhuǎn)速下直接再次啟動，縮小停機時間，實現(xiàn)不停機變頻、工頻電源回路切換，保證礦井通風連續(xù)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(yōu)點：

     （1）節(jié)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(diào)速裝置后，風機效率提高到78％以上，經(jīng)測算年節(jié)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(jù)生產(chǎn)需要設定頻率，調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)風機的轉(zhuǎn)速自動控制。

     （3）減少了對電網(wǎng)的沖擊。當電機通過工頻直接啟動時，它將會產(chǎn)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(chǎn)生熱量，從而降低電機的壽命。而采用變頻后，電機實現(xiàn)了軟啟動，可以在零速零電壓啟動（當然可以適當加轉(zhuǎn)矩提升），直到達到工作電流為止，對電網(wǎng)幾乎沒有沖擊。

     （4）維護量減少。采用變頻調(diào)速后，由于啟動平穩(wěn)，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(jié)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(tǒng)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(jié)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(diào)速控制后，不僅滿足了通風安全要求，而且獲得了可觀的經(jīng)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(diào)速器，以適用性強、可靠性高、操作使用方便、高效節(jié)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(fā)展有限公司。

地址：山東省汶上經(jīng)濟開發(fā)區(qū)

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文章聯(lián)系人：郭培彬

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