高壓變頻器在鶴煤十礦主扇風(fēng)機上的應(yīng)用

1引言

眾所周知，礦用主扇風(fēng)機是煤礦的“呼吸系統(tǒng)”的中樞，須24小時不間斷運行。隨著開采和掘進的不斷延伸，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)機需用功率也隨之增加。鶴煤十礦南風(fēng)井通風(fēng)機采用軸流式通風(fēng)機，該類型風(fēng)機采用交流隔爆異步電機拖動。該類型風(fēng)機傳統(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)葉片角度來實現(xiàn)的，這種調(diào)節(jié)必須在風(fēng)機停機時才能進行，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，機械損傷嚴重。主扇風(fēng)機采用水電阻啟動，啟動電流大，對電動機的絕緣有著較大的威脅，嚴重時甚至燒毀電動機，更不具備風(fēng)量的自動實時調(diào)節(jié)功能。而高壓電動機在啟動過程中所產(chǎn)生的單軸轉(zhuǎn)矩現(xiàn)象使風(fēng)機產(chǎn)生較大的機械振動應(yīng)力，嚴重影響到電動機、風(fēng)機及其它機械的使用壽命。自動化程度低。因礦井通風(fēng)系統(tǒng)變化，目前雖然風(fēng)機葉片角度已調(diào)到最小，這樣造成風(fēng)機系統(tǒng)運行效率低下，而且電能浪費驚人，運行狀況差，增加了維修工作量，對礦井正常生產(chǎn)造成嚴重影響。

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)的各個行業(yè)，不但啟動容易，節(jié)能效果顯著，而且對電機的保護功能齊全。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際運行狀況兩方面分析河南鶴壁鶴煤集團十礦主扇風(fēng)機的節(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)部是由十五個相同的功率單元模塊構(gòu)成，每五個模塊為一組，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IGBT以PWM方法進行控制(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，電路的拓撲結(jié)構(gòu)相實行模塊化的設(shè)計，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

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

n=(1-s)60f/p=n0×(1-s)(P：電機極對數(shù);f：電機運行頻率;s：滑差)

從式中看出，電機的同步轉(zhuǎn)速n0正比于電機的運行頻率(n0=60f/p)，由于滑差s一般情況下比較小(0-0.05)，電機的實際轉(zhuǎn)速n約等于電機的同步轉(zhuǎn)速n0，所以調(diào)節(jié)了電機的供電頻率f，就能改變電機的實際轉(zhuǎn)速。電機的滑差s和負載有關(guān)，負載越大則滑差增加，所以電機的實際轉(zhuǎn)速還會隨負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3450V，線電壓達6kV左右。改變每相功率單元的串聯(lián)個數(shù)或功率單元的輸出電壓等級，就可以實現(xiàn)不同電壓等級的高壓輸出。每個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，實現(xiàn)多重化，以達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個功率單元供電的15個二次繞組每三個一組，分為5個不同的相位組，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：

高壓變頻器在運行后，將輸入的工頻的三相高壓交流電轉(zhuǎn)化為可以進行頻率可調(diào)節(jié)的三相交流電，其電壓和頻率按照V/F的設(shè)定進行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，保持電機在不同的頻率下運行，而定子磁心中的主磁通常保持在額定水準，提高電機的轉(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，已達到常規(guī)供電電壓允許的諧波含量，同時輸出電壓的dV/dt較小，不會增加電機繞組的應(yīng)力，可以向普通標準型交流電動機供電，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)機系統(tǒng)變頻節(jié)能分析

主扇風(fēng)機屬于煤礦通風(fēng)輔機設(shè)備中的高能耗設(shè)備，其輸出功率不能隨機組負荷變化而變化，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。針對以上能源浪費的現(xiàn)象，采用高壓變頻技術(shù)對煤礦重要用電設(shè)備進行技術(shù)改造，是節(jié)能降耗提高電機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。南翼通風(fēng)機采用兩臺軸流式通風(fēng)機互為備用，風(fēng)機啟動方式為串水電阻降壓啟動。主扇風(fēng)機為航空工業(yè)沈陽發(fā)動機研究所風(fēng)機廠生產(chǎn)的AGF606-2.2-1.3-2軸流式通風(fēng)機，轉(zhuǎn)速為990r/min。配備電動機型號為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。由于建礦時間短，實際需要風(fēng)量較小，投入運行后通過調(diào)整風(fēng)葉角度在-150運行，由十礦南翼風(fēng)機特性曲線可看出，風(fēng)機在全速運行時工作在低效區(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)機風(fēng)量64.71 m3/S、風(fēng)機負壓2750Pa、風(fēng)機工況效率60.16%、電動機工況功率209.20KW。(由風(fēng)機特性曲線圖也能夠直接看出運行效率運離高效區(qū)域)針對礦井實際的風(fēng)量需求，采用調(diào)節(jié)風(fēng)葉角度實現(xiàn)風(fēng)量調(diào)整，存在電能嚴重浪費。

3.2南翼風(fēng)機采用變頻器技術(shù)分析

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

同時為防止變頻器發(fā)生重大故障，不能運行，設(shè)計了工頻旁路電路，在重大故障時系統(tǒng)可將電動機投入工頻運行，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)機后的效益分析

(1)經(jīng)濟效益

根據(jù)上述，改造后風(fēng)機效率為93.45%

此時，電動機工況功率：

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)濟效益：

改造前通風(fēng)機運行工況點年功率消耗：

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)機運行工況點年功率消耗：

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元計算，年節(jié)約電費為：

(627223×0.55)/10000=34.5(萬元)

式中：H1——風(fēng)機變頻前風(fēng)機負壓，取2750Pa

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

H2——風(fēng)機變頻后風(fēng)機負壓，取2780Pa

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

η1——風(fēng)機變頻前的工況效率，60%

η2——風(fēng)機變頻后的工況效率，93%

r——風(fēng)機運行一天的時間，24 h

T——風(fēng)機年運行天數(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：

通過公式計算現(xiàn)在線路功率因數(shù)：

計算變頻改造后的電流：(變頻后功率因數(shù)按0.975計算)

風(fēng)機變頻改造前、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0.55元計算，年節(jié)約電費為：

2274183.6×5%×0.55=6.25萬元

總計節(jié)約電量：34.5+6.25=40.75萬元

年節(jié)電率為：

(2)其他效益

①實現(xiàn)電機軟啟動，減小啟動沖擊，降低維護費用，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)機連續(xù)運行;

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，適合所有改造項目的普通異步電動機;

⑤界面全為純中文操作，操作簡單，使用方便;

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

⑦采集各風(fēng)機運行的工藝參數(shù)、電器參數(shù)、電氣設(shè)備運行的狀況。

主扇風(fēng)機可由PLC進行控制，嚴格按控制程序進行控制，并對扇風(fēng)機正常切換和故障切換進行控制和操作指導(dǎo)，且在控制柜實現(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)備運行狀態(tài)(工作、停止、故障)以及報警參數(shù)表等。

4結(jié)論

通過對主扇風(fēng)機變頻節(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、維修費用，直接和間接經(jīng)濟效益十分明顯。