高压变频器在鹤煤十矿主扇风机上的应用

1引言

众所周知，矿用主扇风机是煤矿的“呼吸系统”的中枢，须24小时不间断运行。随着开采和掘进的不断延伸，巷道延长，尽管风量基本不变，但井下所需的风压要求却不断增加，风机需用功率也随之增加。鹤煤十矿南风井通风机采用轴流式通风机，该类型风机采用交流隔爆异步电机拖动。该类型风机传统的调节系统是根据风量所需的多少，靠调节叶片角度来实现的，这种调节必须在风机停机时才能进行，只适合较长阶段的风量调节，调节起来也不方便，可调范围也不大。启动困难，机械损伤严重。主扇风机采用水电阻启动，启动电流大，对电动机的绝缘有着较大的威胁，严重时甚至烧毁电动机，更不具备风量的自动实时调节功能。而高压电动机在启动过程中所产生的单轴转矩现象使风机产生较大的机械振动应力，严重影响到电动机、风机及其它机械的使用寿命。自动化程度低。因矿井通风系统变化，目前虽然风机叶片角度已调到最小，这样造成风机系统运行效率低下，而且电能浪费惊人，运行状况差，增加了维修工作量，对矿井正常生产造成严重影响。

高压变频器作为一种新型的电力变换装置，已经成熟地应用到工业生产的各个行业，不但启动容易，节能效果显著，而且对电机的保护功能齐全。因此，为保证矿井生产的安全，降低生产成本，提高自动化程度，对主扇风机的变频改造就成为事在必行的工作。

经过矿领导多方调研、比较，最后选择同山东新风光电子科技发展有限公司合作。本文将从JD-BP37-710F(710KW/6KV)高压变频器的工作原理及实际运行状况两方面分析河南鹤壁鹤煤集团十矿主扇风机的节能情况。

2高压变频器的工作原理

2.1 变频器的结构

(1)系统主回路：内部是由十五个相同的功率单元模块构成，每五个模块为一组，分别对应高压回路的三相，单元供电由干式移相变压器进行供电，原理如图1。

(2)功率单元构成：功率单元是一种单相桥式变换器，由输入干式变压器的副边绕组供电。经整流、滤波后由2个IGBT以PWM方法进行控制(如图2所示)，产生设定的频率波形。变频器中所有的功率单元，电路的拓扑结构相实行模块化的设计，控制通过光纤发送至单元控制板。原理框图如图3所示。

(3)功率单元控制：来自主控制器的控制光信号，经光/电转换，送到控制信号处理器，由控制电路处理器接收到相应的指令后，发出相应的IGBT的驱动信号，驱动电路接到相应的驱动信号后，发出相应的驱动电压送到IGBT控制极，从而操作IGBT关断和开通，输出相应波形。

功率单元中的状态信息将被收集到应答信号电路中进行处理，集中后经电/光转换器变换，以光信号向主控制器发送。

2.2 变频器工作原理

(1)变频器调速原理

按照电机学的基本原理，电机的转速满足如下的关系式：

n=(1-s)60f/p=n0×(1-s)(P：电机极对数;f：电机运行频率;s：滑差)

从式中看出，电机的同步转速n0正比于电机的运行频率(n0=60f/p)，由于滑差s一般情况下比较小(0-0.05)，电机的实际转速n约等于电机的同步转速n0，所以调节了电机的供电频率f，就能改变电机的实际转速。电机的滑差s和负载有关，负载越大则滑差增加，所以电机的实际转速还会随负载的增加而略有下降。

(2)变频器结构原理

以6kV输出电压等级为例，每相由五个额定电压为690V的功率单元串联而成，输出相电压最高可达3450V，线电压达6kV左右。改变每相功率单元的串联个数或功率单元的输出电压等级，就可以实现不同电压等级的高压输出。每个功率单元分别由输入变压器的一组副边供电，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。二次绕组采用延边三角形接法，实现多重化，以达到降低输入谐波电流的目的。对于6kV电压等级变频器而言，给15个功率单元供电的15个二次绕组每三个一组，分为5个不同的相位组，互差12度电角度，形成30脉冲的整流电路结构，输入电流波形接近正弦波，这种等值裂相供电方式使总的谐波电流失真低至1%左右，变频器输入的功率因数可达到0.95以上。原理如图4所示。

(3)变频器输出波形叠加原理：

高压变频器在运行后，将输入的工频的三相高压交流电转化为可以进行频率可调节的三相交流电，其电压和频率按照V/F的设定进行相应的调节，保持电机在不同的频率下运行，而定子磁心中的主磁通常保持在额定水准，提高电机的转换效率。因此多重叠加的应用，高压变频器输出电压的谐波含量很低，已达到常规供电电压允许的谐波含量，同时输出电压的dV/dt较小，不会增加电机绕组的应力，可以向普通标准型交流电动机供电，不需要降容或加输出滤波电抗器，保证了高压设备的通用性。多电平单元串联叠加的三相波形如图5所示。

3 对710KW主扇风机系统变频节能分析

主扇风机属于煤矿通风辅机设备中的高能耗设备，其输出功率不能随机组负荷变化而变化，只有通过改变风叶的角度来调整风压和风量，造成很大部分能量消耗在节流损失中。针对以上能源浪费的现象，采用高压变频技术对煤矿重要用电设备进行技术改造，是节能降耗提高电机使用效率的有效途径。

3.1现场情况介绍：

鹤煤十矿是一个新建矿井，年生产能力60万吨。由于十矿地质条件复杂，巷道变形严重，生产后期风阻较大，所以根据矿通风部门提供的数据，南翼风机按照容易期风量2332m3/min、风压2400Pa，困难期5524 m3/min、风压4000Pa设计。南翼通风机采用两台轴流式通风机互为备用，风机启动方式为串水电阻降压启动。主扇风机为航空工业沈阳发动机研究所风机厂生产的AGF606-2.2-1.3-2轴流式通风机，转速为990r/min。配备电动机型号为Y5001-6，额定功率710KW，额定电压为6000V，额定电流为83.81A，转速984 r/min。由于建矿时间短，实际需要风量较小，投入运行后通过调整风叶角度在-150运行，由十矿南翼风机特性曲线可看出，风机在全速运行时工作在低效区内(附图6)。通风设备存在较大裕量。经公司测试中心测试，2#风机风量64.71 m3/S、风机负压2750Pa、风机工况效率60.16%、电动机工况功率209.20KW。(由风机特性曲线图也能够直接看出运行效率运离高效区域)针对矿井实际的风量需求，采用调节风叶角度实现风量调整，存在电能严重浪费。

3.2南翼风机采用变频器技术分析

根据上述情况，根据风机厂家提供的技术参数跟图纸，获得风机的运行特性，能够在n〈569pm，n〉775rpm的范围内长期运行，转速在690r/min的风机特性曲线图(附图6)，根据690r/min的特性曲线，制定风机预计工矿点。降低风机转速到690r/min，同时改变风机叶角度到-80，使之特性曲线达到高效区域，根据实际测量的数据效率达到93.45%。由特性曲线图上可看出负压2780Pa，风量约75.71m3/S，完全符合现在生产需要。

同时为防止变频器发生重大故障，不能运行，设计了工频旁路电路，在重大故障时系统可将电动机投入工频运行，以确保生产的连续性，避免了不可预料的事故发生。

3.3采用变频风机后的效益分析

(1)经济效益

根据上述，改造后风机效率为93.45%

此时，电动机工况功率：

P1=(H×Q×η2×ηd)/1000

=(2780×75.71×0.93×0.85)/1000

=166(kW)

变频技术改造后可预见的年直接经济效益：

改造前通风机运行工况点年功率消耗：

E1=(H1×Q1×r×T)/(1000×η1)

=(2750×65×24×365)/ (1000×0.60)

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

采用变频技术后通风机运行工况点年功率消耗：

E2=(H2×Q2×r×T)/(1000×η2)

=(2780×75.71×24×365)/ (1000×0.93)

=1982527(kW.h)

年节电：E1 -E2=2609750-1982527=627223(kW·h)

每度按0.55元计算，年节约电费为：

(627223×0.55)/10000=34.5(万元)

式中：H1——风机变频前风机负压，取2750Pa

Q1——风机变频前风机风量，取65 m3/S

H2——风机变频后风机负压，取2780Pa

Q2——风机变频后风机风量，取75.71 m3/S

η1——风机变频前的工况效率，60%

η2——风机变频后的工况效率，93%

r——风机运行一天的时间，24 h

T——风机年运行天数，365天

理论分析采用变频技术后供电线路功率因数与无功消耗：

通过公式计算现在线路功率因数：

 

 

 

 

 

 

计算变频改造后的电流：(变频后功率因数按0.975计算)

 

 

 

 

 

 

风机变频改造前、后供电线路无功功率为：

 

 

 

 

式中：I1、I2——功率因数提高前、后的电流

cosφ1——变频改造前功率因数

cosφ2——变频改造后功率因数

p1——变频改造前供电功率

p2——变频改造后供电功率

提高功率因数后比现在运行供电线路减少的无功功率：

 

 

年线路无功功率传输为259.61×24×365=2274183.6kva

按线路损失5%，电费0.55元计算，年节约电费为：

2274183.6×5%×0.55=6.25万元

总计节约电量：34.5+6.25=40.75万元

年节电率为：

 

(2)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，操作简单，使用方便;

⑥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采集各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。

4结论

通过对主扇风机变频节能改造，改调节风叶角度调节改为变频调速是可行的，能够提高电机使用效率，取得了显著的节能效果，性能稳定,可靠性高，既节约了能源，又满足了生产工艺要求，并且大大减少了设备维护、维修费用，直接和间接经济效益十分明显。