高壓變頻器在鶴煤十礦主扇風機上的應用

1引言

眾所周知，礦用主扇風機是煤礦的“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，盡管風量基本不變，但井下所需的風壓要求卻不斷增加，風機需用功率也隨之增加。鶴煤十礦南風井通風機采用軸流式通風機，該類型風機采用交流隔爆異步電機拖動。該類型風機傳統(tǒng)的調節(jié)系統(tǒng)是根據風量所需的多少，靠調節(jié)葉片角度來實現(xiàn)的，這種調節(jié)必須在風機停機時才能進行，只適合較長階段的風量調節(jié)，調節(jié)起來也不方便，可調范圍也不大。啟動困難，機械損傷嚴重。主扇風機采用水電阻啟動，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，更不具備風量的自動實時調節(jié)功能。而高壓電動機在啟動過程中所產生的單軸轉矩現(xiàn)象使風機產生較大的機械振動應力，嚴重影響到電動機、風機及其它機械的使用壽命。自動化程度低。因礦井通風系統(tǒng)變化，目前雖然風機葉片角度已調到最小，這樣造成風機系統(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，已經成熟地應用到工業(yè)生產的各個行業(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，為保證礦井生產的安全，降低生產成本，提高自動化程度，對主扇風機的變頻改造就成為事在必行的工作。

經過礦領導多方調研、比較，最后選擇同山東新風光電子科技發(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 變頻器的結構

(1)系統(tǒng)主回路：內部是由十五個相同的功率單元模塊構成，每五個模塊為一組，分別對應高壓回路的三相，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。經整流、濾波后由2個IGBT以PWM方法進行控制(如圖2所示)，產生設定的頻率波形。變頻器中所有的功率單元，電路的拓撲結構相實行模塊化的設計，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，經光/電轉換，送到控制信號處理器，由控制電路處理器接收到相應的指令后，發(fā)出相應的IGBT的驅動信號，驅動電路接到相應的驅動信號后，發(fā)出相應的驅動電壓送到IGBT控制極，從而操作IGBT關斷和開通，輸出相應波形。

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

2.2 變頻器工作原理

(1)變頻器調速原理

按照電機學的基本原理，電機的轉速滿足如下的關系式：

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

從式中看出，電機的同步轉速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)，電機的實際轉速n約等于電機的同步轉速n0，所以調節(jié)了電機的供電頻率f，就能改變電機的實際轉速。電機的滑差s和負載有關，負載越大則滑差增加，所以電機的實際轉速還會隨負載的增加而略有下降。

(2)變頻器結構原理

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脈沖的整流電路結構，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化為可以進行頻率可調節(jié)的三相交流電，其電壓和頻率按照V/F的設定進行相應的調節(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，提高電機的轉換效率。因此多重疊加的應用，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主扇風機系統(tǒng)變頻節(jié)能分析

主扇風機屬于煤礦通風輔機設備中的高能耗設備，其輸出功率不能隨機組負荷變化而變化，只有通過改變風葉的角度來調整風壓和風量，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，采用高壓變頻技術對煤礦重要用電設備進行技術改造，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，年生產能力60萬噸。由于十礦地質條件復雜，巷道變形嚴重，生產后期風阻較大，所以根據礦通風部門提供的數據，南翼風機按照容易期風量2332m3/min、風壓2400Pa，困難期5524 m3/min、風壓4000Pa設計。南翼通風機采用兩臺軸流式通風機互為備用，風機啟動方式為串水電阻降壓啟動。主扇風機為航空工業(yè)沈陽發(fā)動機研究所風機廠生產的AGF606-2.2-1.3-2軸流式通風機，轉速為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，轉速984 r/min。由于建礦時間短，實際需要風量較小，投入運行后通過調整風葉角度在-150運行，由十礦南翼風機特性曲線可看出，風機在全速運行時工作在低效區(qū)內(附圖6)。通風設備存在較大裕量。經公司測試中心測試，2#風機風量64.71 m3/S、風機負壓2750Pa、風機工況效率60.16%、電動機工況功率209.20KW。(由風機特性曲線圖也能夠直接看出運行效率運離高效區(qū)域)針對礦井實際的風量需求，采用調節(jié)風葉角度實現(xiàn)風量調整，存在電能嚴重浪費。

3.2南翼風機采用變頻器技術分析

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

同時為防止變頻器發(fā)生重大故障，不能運行，設計了工頻旁路電路，在重大故障時系統(tǒng)可將電動機投入工頻運行，以確保生產的連續(xù)性，避免了不可預料的事故發(fā)生。

3.3采用變頻風機后的效益分析

(1)經濟效益

根據上述，改造后風機效率為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)

變頻技術改造后可預見的年直接經濟效益：

改造前通風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)