高壓變頻器在鶴煤十礦主扇風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用

1引言

眾所周知，礦用主扇風(fēng)機(jī)是煤礦的“呼吸系統(tǒng)”的中樞，須24小時(shí)不間斷運(yùn)行。隨著開采和掘進(jìn)的不斷延伸，巷道延長，盡管風(fēng)量基本不變，但井下所需的風(fēng)壓要求卻不斷增加，風(fēng)機(jī)需用功率也隨之增加。鶴煤十礦南風(fēng)井通風(fēng)機(jī)采用軸流式通風(fēng)機(jī)，該類型風(fēng)機(jī)采用交流隔爆異步電機(jī)拖動。該類型風(fēng)機(jī)傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)是根據(jù)風(fēng)量所需的多少，靠調(diào)節(jié)葉片角度來實(shí)現(xiàn)的，這種調(diào)節(jié)必須在風(fēng)機(jī)停機(jī)時(shí)才能進(jìn)行，只適合較長階段的風(fēng)量調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)起來也不方便，可調(diào)范圍也不大。啟動困難，機(jī)械損傷嚴(yán)重。主扇風(fēng)機(jī)采用水電阻啟動，啟動電流大，對電動機(jī)的絕緣有著較大的威脅，嚴(yán)重時(shí)甚至燒毀電動機(jī)，更不具備風(fēng)量的自動實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)功能。而高壓電動機(jī)在啟動過程中所產(chǎn)生的單軸轉(zhuǎn)矩現(xiàn)象使風(fēng)機(jī)產(chǎn)生較大的機(jī)械振動應(yīng)力，嚴(yán)重影響到電動機(jī)、風(fēng)機(jī)及其它機(jī)械的使用壽命。自動化程度低。因礦井通風(fēng)系統(tǒng)變化，目前雖然風(fēng)機(jī)葉片角度已調(diào)到最小，這樣造成風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行效率低下，而且電能浪費(fèi)驚人，運(yùn)行狀況差，增加了維修工作量，對礦井正常生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響。

高壓變頻器作為一種新型的電力變換裝置，已經(jīng)成熟地應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)行業(yè)，不但啟動容易，節(jié)能效果顯著，而且對電機(jī)的保護(hù)功能齊全。因此，為保證礦井生產(chǎn)的安全，降低生產(chǎn)成本，提高自動化程度，對主扇風(fēng)機(jī)的變頻改造就成為事在必行的工作。

經(jīng)過礦領(lǐng)導(dǎo)多方調(diào)研、比較，最后選擇同山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司合作。本文將從JD-BP37-710F(710KW/6KV)高壓變頻器的工作原理及實(shí)際運(yùn)行狀況兩方面分析河南鶴壁鶴煤集團(tuán)十礦主扇風(fēng)機(jī)的節(jié)能情況。

2高壓變頻器的工作原理

2.1 變頻器的結(jié)構(gòu)

(1)系統(tǒng)主回路：內(nèi)部是由十五個(gè)相同的功率單元模塊構(gòu)成，每五個(gè)模塊為一組，分別對應(yīng)高壓回路的三相，單元供電由干式移相變壓器進(jìn)行供電，原理如圖1。

(2)功率單元構(gòu)成：功率單元是一種單相橋式變換器，由輸入干式變壓器的副邊繞組供電。經(jīng)整流、濾波后由2個(gè)IGBT以PWM方法進(jìn)行控制(如圖2所示)，產(chǎn)生設(shè)定的頻率波形。變頻器中所有的功率單元，電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相實(shí)行模塊化的設(shè)計(jì)，控制通過光纖發(fā)送至單元控制板。原理框圖如圖3所示。

(3)功率單元控制：來自主控制器的控制光信號，經(jīng)光/電轉(zhuǎn)換，送到控制信號處理器，由控制電路處理器接收到相應(yīng)的指令后，發(fā)出相應(yīng)的IGBT的驅(qū)動信號，驅(qū)動電路接到相應(yīng)的驅(qū)動信號后，發(fā)出相應(yīng)的驅(qū)動電壓送到IGBT控制極，從而操作IGBT關(guān)斷和開通，輸出相應(yīng)波形。

功率單元中的狀態(tài)信息將被收集到應(yīng)答信號電路中進(jìn)行處理，集中后經(jīng)電/光轉(zhuǎn)換器變換，以光信號向主控制器發(fā)送。

2.2 變頻器工作原理

(1)變頻器調(diào)速原理

按照電機(jī)學(xué)的基本原理，電機(jī)的轉(zhuǎn)速滿足如下的關(guān)系式：

n=(1-s)60f/p=n0×(1-s)(P：電機(jī)極對數(shù);f：電機(jī)運(yùn)行頻率;s：滑差)

從式中看出，電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0正比于電機(jī)的運(yùn)行頻率(n0=60f/p)，由于滑差s一般情況下比較小(0-0.05)，電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速n約等于電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0，所以調(diào)節(jié)了電機(jī)的供電頻率f，就能改變電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。電機(jī)的滑差s和負(fù)載有關(guān)，負(fù)載越大則滑差增加，所以電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速還會隨負(fù)載的增加而略有下降。

(2)變頻器結(jié)構(gòu)原理

以6kV輸出電壓等級為例，每相由五個(gè)額定電壓為690V的功率單元串聯(lián)而成，輸出相電壓最高可達(dá)3450V，線電壓達(dá)6kV左右。改變每相功率單元的串聯(lián)個(gè)數(shù)或功率單元的輸出電壓等級，就可以實(shí)現(xiàn)不同電壓等級的高壓輸出。每個(gè)功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊供電，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，實(shí)現(xiàn)多重化，以達(dá)到降低輸入諧波電流的目的。對于6kV電壓等級變頻器而言，給15個(gè)功率單元供電的15個(gè)二次繞組每三個(gè)一組，分為5個(gè)不同的相位組，互差12度電角度，形成30脈沖的整流電路結(jié)構(gòu)，輸入電流波形接近正弦波，這種等值裂相供電方式使總的諧波電流失真低至1%左右，變頻器輸入的功率因數(shù)可達(dá)到0.95以上。原理如圖4所示。

(3)變頻器輸出波形疊加原理：

高壓變頻器在運(yùn)行后，將輸入的工頻的三相高壓交流電轉(zhuǎn)化為可以進(jìn)行頻率可調(diào)節(jié)的三相交流電，其電壓和頻率按照V/F的設(shè)定進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，保持電機(jī)在不同的頻率下運(yùn)行，而定子磁心中的主磁通常保持在額定水準(zhǔn)，提高電機(jī)的轉(zhuǎn)換效率。因此多重疊加的應(yīng)用，高壓變頻器輸出電壓的諧波含量很低，已達(dá)到常規(guī)供電電壓允許的諧波含量，同時(shí)輸出電壓的dV/dt較小，不會增加電機(jī)繞組的應(yīng)力，可以向普通標(biāo)準(zhǔn)型交流電動機(jī)供電，不需要降容或加輸出濾波電抗器，保證了高壓設(shè)備的通用性。多電平單元串聯(lián)疊加的三相波形如圖5所示。

3 對710KW主扇風(fēng)機(jī)系統(tǒng)變頻節(jié)能分析

主扇風(fēng)機(jī)屬于煤礦通風(fēng)輔機(jī)設(shè)備中的高能耗設(shè)備，其輸出功率不能隨機(jī)組負(fù)荷變化而變化，只有通過改變風(fēng)葉的角度來調(diào)整風(fēng)壓和風(fēng)量，造成很大部分能量消耗在節(jié)流損失中。針對以上能源浪費(fèi)的現(xiàn)象，采用高壓變頻技術(shù)對煤礦重要用電設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造，是節(jié)能降耗提高電機(jī)使用效率的有效途徑。

3.1現(xiàn)場情況介紹：

鶴煤十礦是一個(gè)新建礦井，年生產(chǎn)能力60萬噸。由于十礦地質(zhì)條件復(fù)雜，巷道變形嚴(yán)重，生產(chǎn)后期風(fēng)阻較大，所以根據(jù)礦通風(fēng)部門提供的數(shù)據(jù)，南翼風(fēng)機(jī)按照容易期風(fēng)量2332m3/min、風(fēng)壓2400Pa，困難期5524 m3/min、風(fēng)壓4000Pa設(shè)計(jì)。南翼通風(fēng)機(jī)采用兩臺軸流式通風(fēng)機(jī)互為備用，風(fēng)機(jī)啟動方式為串水電阻降壓啟動。主扇風(fēng)機(jī)為航空工業(yè)沈陽發(fā)動機(jī)研究所風(fēng)機(jī)廠生產(chǎn)的AGF606-2.2-1.3-2軸流式通風(fēng)機(jī)，轉(zhuǎn)速為990r/min。配備電動機(jī)型號為Y5001-6，額定功率710KW，額定電壓為6000V，額定電流為83.81A，轉(zhuǎn)速984 r/min。由于建礦時(shí)間短，實(shí)際需要風(fēng)量較小，投入運(yùn)行后通過調(diào)整風(fēng)葉角度在-150運(yùn)行，由十礦南翼風(fēng)機(jī)特性曲線可看出，風(fēng)機(jī)在全速運(yùn)行時(shí)工作在低效區(qū)內(nèi)(附圖6)。通風(fēng)設(shè)備存在較大裕量。經(jīng)公司測試中心測試，2#風(fēng)機(jī)風(fēng)量64.71 m3/S、風(fēng)機(jī)負(fù)壓2750Pa、風(fēng)機(jī)工況效率60.16%、電動機(jī)工況功率209.20KW。(由風(fēng)機(jī)特性曲線圖也能夠直接看出運(yùn)行效率運(yùn)離高效區(qū)域)針對礦井實(shí)際的風(fēng)量需求，采用調(diào)節(jié)風(fēng)葉角度實(shí)現(xiàn)風(fēng)量調(diào)整，存在電能嚴(yán)重浪費(fèi)。

3.2南翼風(fēng)機(jī)采用變頻器技術(shù)分析

根據(jù)上述情況，根據(jù)風(fēng)機(jī)廠家提供的技術(shù)參數(shù)跟圖紙，獲得風(fēng)機(jī)的運(yùn)行特性，能夠在n〈569pm，n〉775rpm的范圍內(nèi)長期運(yùn)行，轉(zhuǎn)速在690r/min的風(fēng)機(jī)特性曲線圖(附圖6)，根據(jù)690r/min的特性曲線，制定風(fēng)機(jī)預(yù)計(jì)工礦點(diǎn)。降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速到690r/min，同時(shí)改變風(fēng)機(jī)葉角度到-80，使之特性曲線達(dá)到高效區(qū)域，根據(jù)實(shí)際測量的數(shù)據(jù)效率達(dá)到93.45%。由特性曲線圖上可看出負(fù)壓2780Pa，風(fēng)量約75.71m3/S，完全符合現(xiàn)在生產(chǎn)需要。

同時(shí)為防止變頻器發(fā)生重大故障，不能運(yùn)行，設(shè)計(jì)了工頻旁路電路，在重大故障時(shí)系統(tǒng)可將電動機(jī)投入工頻運(yùn)行，以確保生產(chǎn)的連續(xù)性，避免了不可預(yù)料的事故發(fā)生。

3.3采用變頻風(fēng)機(jī)后的效益分析

(1)經(jīng)濟(jì)效益

根據(jù)上述，改造后風(fēng)機(jī)效率為93.45%

此時(shí)，電動機(jī)工況功率：

P1=(H×Q×η2×ηd)/1000

=(2780×75.71×0.93×0.85)/1000

=166(kW)

變頻技術(shù)改造后可預(yù)見的年直接經(jīng)濟(jì)效益：

改造前通風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)年功率消耗：

E1=(H1×Q1×r×T)/(1000×η1)

=(2750×65×24×365)/ (1000×0.60)

=2609750(kW.h)[!--empirenews.page--]

采用變頻技術(shù)后通風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)年功率消耗：

E2=(H2×Q2×r×T)/(1000×η2)

=(2780×75.71×24×365)/ (1000×0.93)

=1982527(kW.h)

年節(jié)電：E1 -E2=2609750-1982527=627223(kW·h)

每度按0.55元計(jì)算，年節(jié)約電費(fèi)為：

(627223×0.55)/10000=34.5(萬元)

式中：H1——風(fēng)機(jī)變頻前風(fēng)機(jī)負(fù)壓，取2750Pa

Q1——風(fēng)機(jī)變頻前風(fēng)機(jī)風(fēng)量，取65 m3/S

H2——風(fēng)機(jī)變頻后風(fēng)機(jī)負(fù)壓，取2780Pa

Q2——風(fēng)機(jī)變頻后風(fēng)機(jī)風(fēng)量，取75.71 m3/S

η1——風(fēng)機(jī)變頻前的工況效率，60%

η2——風(fēng)機(jī)變頻后的工況效率，93%

r——風(fēng)機(jī)運(yùn)行一天的時(shí)間，24 h

T——風(fēng)機(jī)年運(yùn)行天數(shù)，365天

理論分析采用變頻技術(shù)后供電線路功率因數(shù)與無功消耗：

通過公式計(jì)算現(xiàn)在線路功率因數(shù)：

計(jì)算變頻改造后的電流：(變頻后功率因數(shù)按0.975計(jì)算)

風(fēng)機(jī)變頻改造前、后供電線路無功功率為：

式中：I1、I2——功率因數(shù)提高前、后的電流

cosφ1——變頻改造前功率因數(shù)

cosφ2——變頻改造后功率因數(shù)

p1——變頻改造前供電功率

p2——變頻改造后供電功率

提高功率因數(shù)后比現(xiàn)在運(yùn)行供電線路減少的無功功率：

年線路無功功率傳輸為259.61×24×365=2274183.6kva

按線路損失5%，電費(fèi)0.55元計(jì)算，年節(jié)約電費(fèi)為：

2274183.6×5%×0.55=6.25萬元

總計(jì)節(jié)約電量：34.5+6.25=40.75萬元

年節(jié)電率為：

(2)其他效益

①實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動，減小啟動沖擊，降低維護(hù)費(fèi)用，延長設(shè)備使用壽命;

②系統(tǒng)安全、可靠，具有變頻故障轉(zhuǎn)工頻功能，確保風(fēng)機(jī)連續(xù)運(yùn)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(xiàng)目的普通異步電動機(jī);

⑤界面全為純中文操作，操作簡單，使用方便;

⑥全保護(hù)功能齊全，除了過壓、過熱、過載、短路等自身保護(hù)功能外，還設(shè)有外圍連鎖保護(hù)系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性;

⑦采集各風(fēng)機(jī)運(yùn)行的工藝參數(shù)、電器參數(shù)、電氣設(shè)備運(yùn)行的狀況。

主扇風(fēng)機(jī)可由PLC進(jìn)行控制，嚴(yán)格按控制程序進(jìn)行控制，并對扇風(fēng)機(jī)正常切換和故障切換進(jìn)行控制和操作指導(dǎo)，且在控制柜實(shí)現(xiàn)硬件閉鎖控制。在控制站顯示扇風(fēng)系統(tǒng)工藝參數(shù)表、電氣參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)(工作、停止、故障)以及報(bào)警參數(shù)表等。

4結(jié)論

通過對主扇風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能改造，改調(diào)節(jié)風(fēng)葉角度調(diào)節(jié)改為變頻調(diào)速是可行的，能夠提高電機(jī)使用效率，取得了顯著的節(jié)能效果，性能穩(wěn)定,可靠性高，既節(jié)約了能源，又滿足了生產(chǎn)工藝要求，并且大大減少了設(shè)備維護(hù)、維修費(fèi)用，直接和間接經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。