高压变频器在煤矿主扇风机的应用

1 引言

　　随着我国经济的发展，各行各业对煤炭的需求量也越来越大，各大型煤炭企业纷纷开辟新的矿井来扩大规模，并且利用各种先进技术以降低生产成本，因此变频器在煤炭行业的需求也就越来越大。

　　主扇风机是煤矿通风系统中最重要的设备，它可以说是每一个井下工作人员的呼吸要道，因此它也是煤矿安全生产中最重要的一个环节。长期以来，矿井主扇风机的功率都比较大，而且一天24h不间断运行，矿井所需的风量都是通过调节风门挡板或叶片角度来实现，根据反风及开采后期运行工况要求，所设计的通风机及拖动的电动机的功率，通常远大于煤矿正常生产所需的运行功率。风机设计的余量特别大，在相当长的时间内风机一直处在较轻负载下运行，因此，煤矿通风系统中存在着极为严重的大马拉小车现象，能源浪费非常突出。

2 现场情况简介

　　崔庄煤矿位于山东省济宁市微山县，其主扇风机担负着整个矿井的通风任务，要求安全稳定性极高，因为风机一旦停机，短时间内就将造成全矿无法正常生产，其控制方式采用调节风门开度的大小来调整风量，这样，不论生产的需求大小，风机都要全速运转，而运行工况的变化则使得能量以风门节流损失消耗掉了。不仅控制精度受到限制，而且还造成大量的能源浪费和设备损耗，从而导致生产成本增加，设备使用寿命缩短，设备维护、维修费用高居不下，针对这种情况，矿领导经过论证，最后决定选用山东新风光电子科技发展有限公司生产的jd-bp37系列的高压变频调速器，对主扇风机进行调速节能改造。

3 风光高压变频器的突出特点

　　（1）采用高速dsp（tms320f2812）作为中央处理器，运算速度更快，让控制更精准，系统升级更方便。

　　（2）飞车启动功能：能够识别电机的速度并在电机不停转的情况下直接起动。

　　（3）瞬间掉电再启动功能：运行过程中高压瞬时掉电3s内恢复，高压变频器不停机，高压恢复后变频器自动运行到掉电前的频率。

　　（4）线电压自动均衡技术（采用中性点漂移技术）：变频器某相有单元故障后，为了使线电压平衡，传统的处理方法是将另外两相的电压也降至与故障相相同的电压，而线电压自动均衡技术通过调整相与相之间的夹角，在相电压输出最大且不相等的前提下保证最大的线电压均衡输出。

　　（5）单元内电解电容因采取了公司专利技术（专利号zl 2003 20107356.2），可以将其使用寿命提高一倍；高压提升机产品采用了更长寿命的电力电容。

　　（6）运行过程中外部频率给定信号出现故障（短路或开路），整机维持故障前的运行频率不变，并能给出报警信号。

　　（7）单元串联多重化结构，模块化设计。这样igbt承受电压较低，可以有较宽的过压范围（≥1.15ue），设备可靠性更高。

　　（8）具有双路ac控制电源，一路为干式变压器变压以后的ac电源，一路为外部控制电源，这样在调试过程中，无需加入高压主电，就可以检测输出波形的正常与否。对于在现场安装调试以及人员培训很方便，同时也大大提高了培训和运行的安全性。

4 现场设备技术参数

　　电动机参数如附表所示。

　　附表 电动机参数

　　风机类型：轴流风机。

　　设备布置采用抽出式通风方式，配备反风道反风，扇风机与电动机设于主机房内，主机房为双层工业厂房，风道为半地下式。吸风侧设两个立闸门，两个水平反风门，扩散器侧两个水平反风门，每个风门各用1台风门绞车进行操纵，风门绞车采用就地操作。

　　传动方式：直接传动。

　　调节方式：手动操作风门绞车控制立闸门（改变管路阻力特性曲线）。

5 变频改造前存在的问题

　　（1）原工矿使用的是绕线式异步电机转子串电阻启动方式，启动为有级启动，启动时有冲击、不稳定，造成了大的机械冲击，导致电机寿命大大降低；

　　（2）转子串电阻启动时，控制系统复杂，故障率高，接触器、电阻器、绕线电机电刷容易损坏，维护工作量大；

　　（3）启动时电流过大，对电网冲击很大，影响电网的稳定性；

　　（4）主扇风机设计上余量大，主扇风机一直处在较轻负载下运行，由于采用档板调节，因此造成能源浪费，增加了生产成本；

　　（5）自动化程度低，影响整体系统安全性。

6 变频控制方案

　　为了满足安全生产，选用一套6kv变频器，通过切换，可以在变频器故障状态下，切换到工频状态运行，其主回路如图1所示。

　　qs1、qs2、qs3为三台高压隔离闸刀，qs1、qs3处于变频运行回路上，km1、km2为变频上电瞬间实现限流电阻切换时所用，k10为用户工、变频转换改造时对转子回路加一个转换开关。变频运行时，qs1、qs3闭合，qs2断开，k10打到变频位置；变频上电后，通过内部程序km2会自动吸合将限流电阻引入主回路以消除大电流冲击，上电3s后，km1吸合，km2断开变频可以投入运行。工频运行时，qs1、qs3断开，qs2闭合，k10打到工频位置，实现原来的串电阻启动方式。

　　这是高压变频器工变频手动切换的典型应用，qs1、qs2、qs3不能同时闭合，这三个闸刀在机械和电气上都实现了互锁。

　　另外，为了安全，变频故障信号和上一级的高压开关柜也实现互锁，实现高压故障连跳功能。

　　风光高压变频器采用功率单元串联多电平结构，由控制柜、变压器柜、单元柜和开关柜组成。

　　每个功率单元结构上完全一致，可以互换，为基本的交-直-交单相逆变电路，整流侧为二极管三相全桥，通过对igbt逆变桥进行正弦pwm控制，其电路结构见图2所示。

　　高质量电源输入：输入侧隔离变压器二次线圈经过移相，为功率单元提供电源，对于6kv而言，每相有5个功率单元串联，相当于30脉冲不可控整流输入，消除了大部分由单个功率单元所引起的谐波电流，大大抑制了网侧谐波（尤其是低次谐波）的产生。变频器引起的电网谐波电压和谐波电流含量满足ieee519-1992和gb/t14549-93《电能质量公用电网谐波》标准对谐波含量的最严格要求，无需安装输入滤波器并保护周边设备免受谐波干扰。正常调速范围内功率因数大于0.96。无需功率因数补偿电容，减少无功输入，降低供电容量。

　　完美的输出性能：单元脉宽调制叠波输出， 6kv系列每相5个单元，大大削弱了输出谐波含量，输出波形接近完美的正弦波，其输出波形如图3所示。

7 现场应用情况

　　崔庄矿选用型号jd-bp37-400f风光变频器，于2008年10月20日开始安装调试，2008年10月25日一次性投运成功。变频运行后，风门全部打开，运行频率43hz，运行电流24a，负压1700pa，不仅完全满足煤矿生产工艺要求，而且用户操作非常方便。变频器运行非常稳定。

8 节能计算

　　按工频和变频运行实际电流计算，计算数据取2008年技术测定：

　　工频运行时，风门开度为2m左右，运行电流在43a。

　　工频运行时功率和一天耗电量：

　　p1=1.732×6×43×0.77=344.08kw

　　n1=344.08×24=8257.90kw·h。

　　变频器运行时，风门全开，运行电流在24a，由变频器调节风机速度来满足风量要求。

　　变频运行时功率和一天耗电量：

　　p2=1.732×6×24×0.958=238.93kw

　　n2=238.93×24=5734.32kw·h。

　　节电率：

　　（n1-n2）/n1=（8257.90-5734.32）/8257.90=30%。

　　节约电费计算：

　　以该矿电价0.6元/ kw·h计算，工频24h耗电费：

　　8257.90×0.6=4954.74元。

　　变频24h耗电费：

　　5734.32×0.6=3440.59元。

　　变频改造后，日节约电费：

　　4954.74-3440.59=1514.15元。

　　一年以300天为标准计算，年节约电费：

　　1514.15×300=454244.4元。

9 其他效益

　　（1）实现电机软启动，减小启动冲击，降低维护费用，延长设备使用寿命；

　　（2）系统安全、可靠，具有变频故障转工频功能，确保风机连续运行；

　　（3）控制方便、灵活，自动化水平高；

　　（4）输入谐波含量小，不对电网造成污染；输出谐波含量低，适合所有改造项目的普通异步电动机；

　　（5）界面全为纯中文操作，非常符合国人特点；

　　（6）安全保护功能齐全，除了过压、过热、过载、短路等自身保护功能外，还设有外围连锁保护系统，提高了系统的安全稳定性；

　　（7）能采集各台扇风机运行的工艺参数、电器参数、电气设备运行的状况。

　　主扇风机可由plc进行控制，严格按控制程序进行控制，并对扇风机正常切换和故障切换进行控制和操作指导，且在控制柜实现硬件闭锁控制。

　　在控制站显示扇风系统工艺参数表、电气参数、设备运行状态（工作、停止、故障）以及报警参数表等。

　　自动建立数据库，对于重要的工艺参数、电气参数自动生成趋势曲线。

　　当运行风机发生故障时，利用运行记录的曲线对故障进行分析和处理。

　　在条件具备时，可实现远控，达到“无人值守”。

10 结束语

　　崔庄煤矿主扇风机经过变频改造之后，不仅达到了良好的节能效果，并且使整套通风系统的稳定性提高了一个大台阶。随着国家对节能减排工作的越来越重视，煤矿企业通过各种措施降低生产成本，其中变频技术起到了关键作用，取得了明显的经济效益和社会效益，适应了国家建设资源节约型社会的潮流。