摘要：為了實現(xiàn)節(jié)能降耗，山西煤炭運銷集團針對高壓主通風機進行技術改造。根據(jù)設備的具體工藝情況，并且分析比較各種可能的技術方案，確定了采用高壓變頻技術的最佳解決方案。通過對改造前后主通風機運行情況的對比分析，得出改造后電能大幅度降低、提高了主通風機的控制水平的結論。

關鍵詞：煤礦主通風機；節(jié)能；高壓變頻器；功率單元串聯(lián)多電平

引言：節(jié)能降耗已成為我國的基本國策。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備的節(jié)能技改工作。特別是主通風機，設備功率大、24 h不停運轉。由于煤礦特殊的工藝要求，該設備存在很大的節(jié)能空問。在滿足礦井的通風需要的同時，又實現(xiàn)最大程度的節(jié)能，本文通過闡述對山西煤炭運銷集團礦井主通風機采用高壓變頻改造，選用功率單元串聯(lián)多電平高壓變頻器，實現(xiàn)了主通風機的電能節(jié)約和風量無級自動調節(jié)。

1、設備的工況和節(jié)能要求

1.1、設備參數(shù)

   煤礦企業(yè)主通風機為南陽防爆集團生產(chǎn)的2臺防爆對旋式軸流通風機。風機主要參數(shù)如下：

   * 型號：BDK65—10一N026

   * 電動機額定功率／kW：2 x 800

   * 負壓／Pa：3077～120

   * 風量／m •s：60～150

   * 額定轉速／r-min：990

   * 額定電壓／V：10000

   * 額定電流／A：2x 56.3

   * 絕緣等級：F級

1.2、運行情況

   2臺對旋風機互為備用，單臺電機運行電流在43 A左右，該風機月用電量在63萬kWh以上。

1.3、對設備節(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行技術改造。

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

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

   (3)變頻設備自身的使用壽命長，損耗低，日常維護量少。同時能夠降低原用電設備的維護量。

   (4)變頻設備操作方便、不改變原用電設備操作工的操作習慣。操作工在簡單培訓后就可以熟練操作變頻設備。

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

   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)井下負壓值連續(xù)控制主通風機的風量的節(jié)能方案，利用1臺變頻器同時拖動1臺對旋風機的2臺電機，2臺對旋風機可以分時使用變頻。

2.1、風量調節(jié)方式的選擇

   礦井生產(chǎn)過程中，井下對風量的需求和通風網(wǎng)絡特性經(jīng)常發(fā)生變化，需要經(jīng)常調節(jié)風機的工況點以適應生產(chǎn)要求。《煤礦安全規(guī)程》對煤礦井下的通風量有具體規(guī)定，小了不能滿足要求，大了會使采煤工作面粉塵加劇而且浪費能源，操作工人通過觀察井下的負壓值高低來判斷風量是否適合。

原系統(tǒng)主通風機的風量調節(jié)主要是改變?nèi)~片安裝角度和節(jié)流調節(jié)，但是節(jié)流調節(jié)會造成能源浪費；改變?nèi)~輪葉片安裝角度一方面需停機操作，另一方面也會使風機效率發(fā)生變化，通常需調節(jié)的幅度較大時才采用。只有根據(jù)負壓值變化自動調節(jié)轉速的方式不改變風機的效率，在各個工況點實現(xiàn)不停機調節(jié)風機高效狀態(tài)下運轉。

 

2．2、調速方式的選擇

   (1)液力耦合器在電機和負載之間串人一個液力耦合裝置，通過液面的高低調節(jié)電機和負載之間耦合力的大小，實現(xiàn)負載的速度調節(jié)。這種調速方法實質上是轉差功率消耗型的做法，其主要缺點是隨著轉速下降效率越來越低，并且維護工作量大。

   (2)串級調速 串級調速必須采用繞線式異步電動機，將轉子繞組的一部分能量通過整流、逆變再送回到電網(wǎng)，而現(xiàn)在工業(yè)現(xiàn)場幾乎都采用鼠籠式異步電動機，更換電機非常麻煩。這種調速方式的調速范圍一般在70％ ～95％，調速范圍窄。容易造成對電網(wǎng)的諧波污染，功率因數(shù)低；串級調速電機受轉子滑環(huán)的影響，大功率無法實現(xiàn)；滑環(huán)維護工作量大；屬于落后技術。

   (3)變頻調速方式(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調節(jié)三相異步電機的轉速。這種調速方式調速范圍寬、設備使用壽命長、自身能耗低、日常維護量少。缺點是設備造價比較高，但是隨著高壓變頻器大規(guī)模的推廣，其造價正在逐步降低。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

   高壓變頻技術由于現(xiàn)有的電力電子器件耐壓不足，所以每臺產(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，當前常用的高壓變頻器主要有以下幾類技術

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臺低壓變頻器實現(xiàn)變頻；對于電機，則有2種辦法：①改用低壓電機；②仍采用原來的高壓電機，需要在變頻器和電機之間再增加1臺升壓變壓器，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，對電網(wǎng)側的諧波較大。

   (2) 三電平電壓型高壓變頻調速方式

   三電平電壓源型高壓變頻技術通過獨特的二極管鉗位(或者其他的鉗位)方法，可以使系統(tǒng)的輸出電壓增加一個電平，與兩電平相比較，這種方式的相電壓可以有3個電平輸出，故稱為三電平。同時每個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，當采用一些高壓的全控型器件，如高壓IGBrI1、IGCT、ⅢCI1、GTO晶閘管時，可以直接實現(xiàn)高壓輸出。由于控制上難度較大，這種方法目前應用比較少，技術尚不成熟，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)品是在輸入端設置1臺輸入隔離變壓器，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在逆變側串聯(lián)成為高壓交流輸出供給高壓電動機。為了減少輸入諧波，變壓器的每個二次繞組的相位1次錯開1個角度，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現(xiàn)高壓變頻輸出，器件無需串聯(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。

   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

   由于進行的是設備節(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一方式相同，工程造價上降低50％以上的費用。以下是2種方式的介紹：

   (1) 一對一的方式

   一對一的方式即變頻器與電機一對一方式。由于對旋風機為2臺風機首尾相對放置，那么1臺對旋風機就需要2臺變頻器。這種方式的優(yōu)點是控制簡單，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將非常大。如果把備用的對旋風機也全部配齊的話，整個工程造價將又翻一倍。

   (2) 一拖二的方式

   一拖二方式就是1臺變頻同時拖動1臺對旋風機的2臺電機，2臺對旋風機可以分時使用該變頻器。這種方式缺點是控制系統(tǒng)復雜，安裝調試時間長。但是優(yōu)點是整個工程造價低(比一對一方式降低一半以上費用)，設備使用率高。

3、高壓變頻設備介紹

通過對各方面比較，決定采用高壓變頻器對主通風機進行改造。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

變頻器容量／kVA: 2500

輸入頻率／Hz:0～50

額定輸入電壓／kV:10．0(±10％)

輸出頻率范圍／Hz:0～120

過載能力／％:120(1 min)；200立即保護

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

(2)性能主要特點

   ① 高壓變頻調速系統(tǒng)采用直接“高一高”變換形式，為單元串聯(lián)多電平拓撲結構，主體結構有多組功率模塊并聯(lián)而成；采用單元串聯(lián)疊波技術、空問矢量控制的正弦波PWM調制方法。

   ② 變頻裝置控制采用LED鍵盤控制和人機界面控制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行增、減負荷，開停機等操作。裝置保留至少一個月的故障記錄。

   ③ 在20％ ～100％ 的調速范圍內(nèi)，變頻系統(tǒng)在不加任何功率因數(shù)補償?shù)那闆r下，本機輸入端功率因數(shù)達到0．97以上，減少無功輸入，降低了供電容量。

   ④ 變頻裝置對電網(wǎng)電壓的波動有較強的適應能力，在一10％ ～+10％電網(wǎng)電壓波動時能滿載輸出。可以承受35％的電網(wǎng)電壓下降而正常繼續(xù)運行，能適應煤礦電壓大幅波動的電網(wǎng)環(huán)境。

   ⑤ 變頻裝置設以下保護：過電壓、過電流、欠電壓、缺相保護，短路保護，失速保護，變頻器過載、電機過載保護，半導體器件的過熱保護，瞬時停電保護等，聯(lián)跳至輸入側10 kV開關。保護的性能符合國家有關標準的規(guī)定，并提供故障、斷電、停機等報警。

(3) 具體控制方案

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

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

   ② 故障分閘將變頻器“高壓分斷”信號并聯(lián)于高壓開關分閘回路。當變頻器出現(xiàn)故障時，分斷變頻器高壓輸入。

   ③ 隔離開關、真空接觸器以及高壓斷路器之間的閉鎖關系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；控制同一臺電機的高壓斷路器和真空接觸器同時只允許一個閉合，如QF閉合，則KM1 不允許合閘，KM 1合閘，則QF 不允許合閘。

   ④ 當M1 正轉M2 同時反轉時，即拖動一臺對旋通風機變頻運行時，斷開QF1、QF2，分別合上QS1 、Q S2、KM1 、KM2：、QF；當變頻器出現(xiàn)故障時，由另一臺對旋式風機運行，即斷開QF、KM1 、KM2、QS1 、QS2，合上QF3、QF4、KM3、KM4。

   ⑤ 當變頻器出現(xiàn)故障或需要檢修時，只要斷開QF和QS1 ～QS4即可。變頻器具有反風功能。柜門上有1～4 風機運行指示，KM1 ～KM4,分閘和合閘指示。

圖1 電氣控制電路圖

4、變頻設備運行情況

   變頻器于2011年6月30日安裝完成，7月3日投入運行。變頻器顯示采用中文圖形界面，觸摸屏操作，生動直觀，變頻器的運行狀態(tài)一目了然，各種運行數(shù)據(jù)可在觸摸屏上查詢，便于操作人員及時了解變頻器的運行情況。變頻器操作簡單，兩級風機可以同時起動，可在3 min之內(nèi)起動至高速，短時間內(nèi)達到所需風量。   縮短的起動時間確保了生產(chǎn)安全。反風操作比以前簡單可靠，完全可滿足1Omin內(nèi)實現(xiàn)反風的要求。根據(jù)實測累計節(jié)約電能50586 kWh／d。變頻器投入運行以來一直運行穩(wěn)定，輸出頻率、電壓和電流符合要求，變頻器網(wǎng)側實測功率因數(shù)為0．976，效率均高于96％ ，滿載時網(wǎng)側電流諧波總容量小于3％ 。

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