摘要：為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，山西某大型煤礦企業(yè)針對(duì)高壓主通風(fēng)機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造。根據(jù)設(shè)備的具體工藝情況，并且分析比較各種可能的技術(shù)方案，確定了采用高壓變頻技術(shù)的最佳解決方案。通過對(duì)改造前后主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況的對(duì)比分析，得出改造后電能大幅度降低、提高了主通風(fēng)機(jī)的控制水平的結(jié)論。

　　關(guān)鍵詞：煤礦主通風(fēng)機(jī)；節(jié)能；高壓變頻器；功率單元串聯(lián)多電平

　　引言

　　節(jié)能降耗已成為我國(guó)的基本國(guó)策。煤礦企業(yè)既是產(chǎn)能大戶，又是耗能大戶，許多煤礦企業(yè)都非常重視高耗能用電設(shè)備的節(jié)能技改工作。特別是主通風(fēng)機(jī)，設(shè)備功率大、24 h不停運(yùn)轉(zhuǎn)。由于煤礦特殊的工藝要求，該設(shè)備存在很大的節(jié)能空問。在滿足礦井的通風(fēng)需要的同時(shí)，又實(shí)現(xiàn)最大程度的節(jié)能，本文通過闡述對(duì)山西某大型煤礦企業(yè)礦井主通風(fēng)機(jī)采用高壓變頻改造，選用功率單元串聯(lián)多電平高壓變頻器，實(shí)現(xiàn)了主通風(fēng)機(jī)的電能節(jié)約和風(fēng)量無(wú)級(jí)自動(dòng)調(diào)節(jié)。

　　1 、設(shè)備的工況和節(jié)能要求

　　1．1 、設(shè)備參數(shù)

　　煤礦企業(yè)主通風(fēng)機(jī)為南陽(yáng)防爆集團(tuán)生產(chǎn)的2臺(tái)防爆對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)主要參數(shù)如下：

　　型號(hào) BDK65—10一N026

　　電動(dòng)機(jī)額定功率／kW               2 x 800

　　負(fù)壓／Pa                         3077～120

　　風(fēng)量／m •s                       60～150

　　額定轉(zhuǎn)速／r-min                      990

　　額定電壓／V                         10000

　　額定電流／A                          2x 56.3

　　絕緣等級(jí)                             F級(jí)

　　1．2 、運(yùn)行情況

　　2臺(tái)對(duì)旋風(fēng)機(jī)互為備用，單臺(tái)電機(jī)運(yùn)行電流在43 A左右，該風(fēng)機(jī)月用電量在63萬(wàn)kWh以上。

　　1.3 、對(duì)設(shè)備節(jié)能的具體要求

　　根據(jù)礦井具體情況，確定了采用變頻方式進(jìn)行技術(shù)改造。

　　(1)在不影響通風(fēng)量的前提下，變頻設(shè)備應(yīng)大幅度降低原用電設(shè)備(指的是煤礦主通風(fēng)機(jī))的電能，節(jié)電量要在20％ 以上。

　　(2)在不降低的基礎(chǔ)上，能夠提高原用電設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性。

　　(3)變頻設(shè)備自身的使用壽命長(zhǎng)，損耗低，日常維護(hù)量少。同時(shí)能夠降低原用電設(shè)備的維護(hù)量。

　　(4)變頻設(shè)備操作方便、不改變?cè)秒娫O(shè)備操作工的操作習(xí)慣。操作工在簡(jiǎn)單培訓(xùn)后就可以熟練操作變頻設(shè)備。

　　 (5)為了滿足未來(lái)煤礦的發(fā)展需要，變頻設(shè)備容量留有一定的富裕。

　　2 、改造方案的確定

　　經(jīng)過論證分析，確定了采用功率單元串聯(lián)多電平型高壓變頻器根據(jù)井下負(fù)壓值連續(xù)控制主通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量的節(jié)能方案，利用1臺(tái)變頻器同時(shí)拖動(dòng)1臺(tái)對(duì)旋風(fēng)機(jī)的2臺(tái)電機(jī)，2臺(tái)對(duì)旋風(fēng)機(jī)可以分時(shí)使用變頻。

　　2．1 、風(fēng)量調(diào)節(jié)方式的選擇

　　礦井生產(chǎn)過程中，井下對(duì)風(fēng)量的需求和通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)特性經(jīng)常發(fā)生變化，需要經(jīng)常調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)以適應(yīng)生產(chǎn)要求。《煤礦安全規(guī)程》對(duì)煤礦井下的通風(fēng)量有具體規(guī)定，小了不能滿足要求，大了會(huì)使采煤工作面粉塵加劇而且浪費(fèi)能源，操作工人通過觀察井下的負(fù)壓值高低來(lái)判斷風(fēng)量是否適合。

　　原系統(tǒng)主通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量調(diào)節(jié)主要是改變?nèi)~片安裝角度和節(jié)流調(diào)節(jié)，但是節(jié)流調(diào)節(jié)會(huì)造成能源浪費(fèi)；改變?nèi)~輪葉片安裝角度一方面需停機(jī)操作，另一方面也會(huì)使風(fēng)機(jī)效率發(fā)生變化，通常需調(diào)節(jié)的幅度較大時(shí)才采用。只有根據(jù)負(fù)壓值變化自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方式不改變風(fēng)機(jī)的效率，在各個(gè)工況點(diǎn)實(shí)現(xiàn)不停機(jī)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)高效狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　2．2 、調(diào)速方式的選擇

　　(1)液力耦合器在電機(jī)和負(fù)載之間串人一個(gè)液力耦合裝置，通過液面的高低調(diào)節(jié)電機(jī)和負(fù)載之間耦合力的大小，實(shí)現(xiàn)負(fù)載的速度調(diào)節(jié)。這種調(diào)速方法實(shí)質(zhì)上是轉(zhuǎn)差功率消耗型的做法，其主要缺點(diǎn)是隨著轉(zhuǎn)速下降效率越來(lái)越低，并且維護(hù)工作量大。

　　(2)串級(jí)調(diào)速 串級(jí)調(diào)速必須采用繞線式異步電動(dòng)機(jī)，將轉(zhuǎn)子繞組的一部分能量通過整流、逆變?cè)偎突氐诫娋W(wǎng)，而現(xiàn)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)幾乎都采用鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，更換電機(jī)非常麻煩。這種調(diào)速方式的調(diào)速范圍一般在70％ ～95％，調(diào)速范圍窄。容易造成對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，功率因數(shù)低；串級(jí)調(diào)速電機(jī)受轉(zhuǎn)子滑環(huán)的影響，大功率無(wú)法實(shí)現(xiàn)；滑環(huán)維護(hù)工作量大；屬于落后技術(shù)。

　　(3)變頻調(diào)速方式(根據(jù)公式n=60f(1一s)／P)通過高壓變頻器改變電源頻率來(lái)調(diào)節(jié)三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種調(diào)速方式調(diào)速范圍寬、設(shè)備使用壽命長(zhǎng)、自身能耗低、日常維護(hù)量少。缺點(diǎn)是設(shè)備造價(jià)比較高，但是隨著高壓變頻器大規(guī)模的推廣，其造價(jià)正在逐步降低。通過以上分析可見高壓變頻方式最為合適。

　　2．3 、高壓變頻器種類的選擇

　　高壓變頻技術(shù)由于現(xiàn)有的電力電子器件耐壓不足，所以每臺(tái)產(chǎn)品均需要使用大量的電力電子器件。這些器件組合的多樣性，使得高壓變頻電路組合也很多，當(dāng)前常用的高壓變頻器主要有以下幾類技術(shù)

　　方案：

　　(1)高低高方式

　　即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1臺(tái)低壓變頻器實(shí)現(xiàn)變頻；對(duì)于電機(jī)，則有2種辦法：①改用低壓電機(jī)；②仍采用原來(lái)的高壓電機(jī)，需要在變頻器和電機(jī)之間再增加1臺(tái)升壓變壓器，即高一低一高變頻方式。這種做法由于采用低壓變頻器，容量也比較小，對(duì)電網(wǎng)側(cè)的諧波較大。

　　(2)三電平電壓型高壓變頻調(diào)速方式

　　三電平電壓源型高壓變頻技術(shù)通過獨(dú)特的二極管鉗位(或者其他的鉗位)方法，可以使系統(tǒng)的輸出電壓增加一個(gè)電平，與兩電平相比較，這種方式的相電壓可以有3個(gè)電平輸出，故稱為三電平。同時(shí)每個(gè)電力電子器件所承受的耐壓只有直流母線電壓的一半，所以采用這種方式，可以使電力電子器件的耐壓要求降低一半，當(dāng)采用一些高壓的全控型器件，如高壓IGBrI1、IGCT、ⅢCI1、GTO晶閘管時(shí)，可以直接實(shí)現(xiàn)高壓輸出。由于控制上難度較大，這種方法目前應(yīng)用比較少，技術(shù)尚不成熟，所以不采用。

　　(3)功率單元串聯(lián)式多電平高壓變頻方式

　　功率單元串聯(lián)式多電平高壓變頻產(chǎn)品是在輸入端設(shè)置1臺(tái)輸入隔離變壓器，將輸入高壓交流電變成多組低壓交流電，每組低壓交流電分別輸入到1個(gè)功率單元，經(jīng)整流濾波為直流電后，再經(jīng)逆變成為交流電，各功率單元的交流信號(hào)在逆變側(cè)串聯(lián)成為高壓交流輸出供給高壓電動(dòng)機(jī)。為了減少輸入諧波，變壓器的每個(gè)二次繞組的相位1次錯(cuò)開1個(gè)角度，形成多脈沖、多重化整流方式。其逆變輸出采用多重PWM方式，輸出諧波非常小。這種方式采用低壓器件實(shí)現(xiàn)高壓變頻輸出，器件無(wú)需串聯(lián)，輸入輸出諧波非常小，是一種成熟穩(wěn)定的高壓變頻技術(shù)。

　　本次改造選用的就是功率單元串聯(lián)式多電平高壓變頻器產(chǎn)品。

　　2．4 、控制方式的選擇

　　由于進(jìn)行的是設(shè)備節(jié)能改造，所以在保證穩(wěn)定性的前提下，成本是優(yōu)先考慮的。一拖二方式在性能上基本與一對(duì)一方式相同，工程造價(jià)上降低50％以上的費(fèi)用。以下是2種方式的介紹：

　　(1)一對(duì)一的方式

　　一對(duì)一的方式即變頻器與電機(jī)一對(duì)一方式。由于對(duì)旋風(fēng)機(jī)為2臺(tái)風(fēng)機(jī)首尾相對(duì)放置，那么1臺(tái)對(duì)旋風(fēng)機(jī)就需要2臺(tái)變頻器。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單，系統(tǒng)穩(wěn)定性高。由于4OO kW以下的高壓變頻器原材料成本幾乎一樣，所以這樣的工程造價(jià)將非常大。如果把備用的對(duì)旋風(fēng)機(jī)也全部配齊的話，整個(gè)工程造價(jià)將又翻一倍。

　　(2)一拖二的方式

　　一拖二方式就是1臺(tái)變頻同時(shí)拖動(dòng)1臺(tái)對(duì)旋風(fēng)機(jī)的2臺(tái)電機(jī)，2臺(tái)對(duì)旋風(fēng)機(jī)可以分時(shí)使用該變頻器。這種方式缺點(diǎn)是控制系統(tǒng)復(fù)雜，安裝調(diào)試時(shí)間長(zhǎng)。但是優(yōu)點(diǎn)是整個(gè)工程造價(jià)低(比一對(duì)一方式降低一半以上費(fèi)用)，設(shè)備使用率高。

　　3 、高壓變頻設(shè)備介紹

　　通過對(duì)各方面比較，決定采用高壓變頻器對(duì)主通風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造。選用了深圳市英威騰電氣股份有限公司生產(chǎn)CHH100-1600-10的高壓變頻器。

　　(1)高壓變頻器的主要性能指標(biāo)

　　變頻器容量／kVA          1900

　　輸入頻率／Hz             0～50

　　額定輸入電壓／kV     10．0(±10％)

　　輸出頻率范圍／Hz      一50～+50

　　過載能力／％          120(1 min)；150立即保護(hù)

　　性能滿足相關(guān)指標(biāo)：IEEE519—1992((電源系統(tǒng)諧波控制推薦規(guī)程和要求》；GB／T14549—1993(電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》。

　　(2)性能主要特點(diǎn)

　　①高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用直接“高一高”變換形式，為單元串聯(lián)多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)有多組功率模塊并聯(lián)而成；采用單元串聯(lián)疊波技術(shù)、空問矢量控制的正弦波PWM調(diào)制方法。

　　②變頻裝置控制采用LED鍵盤控制和人機(jī)界面控制2種控制方式，2種方式互為備用，2種方式從就地界面上可以進(jìn)行增、減負(fù)荷，開停機(jī)等操作。裝置保留至少一個(gè)月的故障記錄。

　　③在20％ ～100％ 的調(diào)速范圍內(nèi)，變頻系統(tǒng)在不加任何功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)那闆r下，本機(jī)輸入端功率因數(shù)達(dá)到0．97以上，減少無(wú)功輸入，降低了供電容量。

　　④變頻裝置對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，在一10％ ～+10％電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)能滿載輸出。可以承受35％的電網(wǎng)電壓下降而正常繼續(xù)運(yùn)行，能適應(yīng)煤礦電壓大幅波動(dòng)的電網(wǎng)環(huán)境。

　　⑤變頻裝置設(shè)以下保護(hù)：過電壓、過電流、欠電壓、缺相保護(hù)，短路保護(hù)，失速保護(hù)，變頻器過載、電機(jī)過載保護(hù)，半導(dǎo)體器件的過熱保護(hù)，瞬時(shí)停電保護(hù)等，聯(lián)跳至輸入側(cè)10 kV開關(guān)。保護(hù)的性能符合國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，并提供故障、斷電、停機(jī)等報(bào)警。

　　(3)具體控制方案

　　如圖1所示，此系統(tǒng)由QF、QF1 ～QF4，高壓變頻器、自動(dòng)切換柜(QS1 ～QS4，KM1 ～KM4組成)、電動(dòng)機(jī)M1 ～M4組成。高壓開關(guān)柜為變頻器饋電，并為其提供保護(hù)，保護(hù)主要有速斷保護(hù)、過載保護(hù)、過電壓保護(hù)，其整定值根據(jù)變頻器額定值計(jì)算。變頻器與高壓柜之間的聯(lián)鎖關(guān)系有：

　　①合閘閉鎖將變頻器“合閘允許”信號(hào)串聯(lián)于高壓開關(guān)合閘回路。變頻器故障或不能就緒時(shí)，高壓開關(guān)(斷路器QF)合閘不允許。

　　②故障分閘將變頻器“高壓分?jǐn)唷毙盘?hào)并聯(lián)于高壓開關(guān)分閘回路。當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，分?jǐn)嘧冾l器高壓輸入。

　　③隔離開關(guān)、真空接觸器以及高壓斷路器之間的閉鎖關(guān)系KM1 與KM 4電氣互鎖；KM1 與KM3,電氣互鎖；KM2 與KM3 電氣互鎖；KM2與KM4,電氣互鎖；控制同一臺(tái)電機(jī)的高壓斷路器和真空接觸器同時(shí)只允許一個(gè)閉合，如QF閉合，則KM1 不允許合閘，KM 1合閘，則QF 不允許合閘。

　　④當(dāng)M1 正轉(zhuǎn)M2 同時(shí)反轉(zhuǎn)時(shí)，即拖動(dòng)一臺(tái)對(duì)旋通風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)，斷開QF1、QF2，分別合上QS1 、Q S2、KM1 、KM2：、QF；當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，由另一臺(tái)對(duì)旋式風(fēng)機(jī)運(yùn)行，即斷開QF、KM1 、KM2、QS1 、QS2，合上QF3、QF4、KM3、KM4。

　　⑤ 當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障或需要檢修時(shí)，只要斷開QF和QS1 ～QS4即可。變頻器具有反風(fēng)功能。柜門上有1～4 風(fēng)機(jī)運(yùn)行指示，KM1 ～KM4,分閘和合閘指示。 

圖1 電氣控制電路圖

　　4、 變頻設(shè)備運(yùn)行情況

　　變頻器于2011年6月30日安裝完成，7月3日投入運(yùn)行。變頻器顯示采用中文圖形界面，觸摸屏操作，生動(dòng)直觀，變頻器的運(yùn)行狀態(tài)一目了然，各種運(yùn)行數(shù)據(jù)可在觸摸屏上查詢，便于操作人員及時(shí)了解變頻器的運(yùn)行情況。變頻器操作簡(jiǎn)單，兩級(jí)風(fēng)機(jī)可以同時(shí)起動(dòng)，可在3 min之內(nèi)起動(dòng)至高速，短時(shí)間內(nèi)達(dá)到所需風(fēng)量。縮短的起動(dòng)時(shí)間確保了生產(chǎn)安全。反風(fēng)操作比以前簡(jiǎn)單可靠，完全可滿足1Omin內(nèi)實(shí)現(xiàn)反風(fēng)的要求。根據(jù)實(shí)測(cè)累計(jì)節(jié)約電能50586 kWh／d。變頻器投入運(yùn)行以來(lái)一直運(yùn)行穩(wěn)定，輸出頻率、電壓和電流符合要求，變頻器網(wǎng)側(cè)實(shí)測(cè)功率因數(shù)為0．976，效率均高于96％ ，滿載時(shí)網(wǎng)側(cè)電流諧波總?cè)萘啃∮?％ 。