高壓變頻器在鶴煤十礦主扇風(fēng)機上的應用

1引言

眾所周知，礦用主扇風(fēng)機是煤礦的“呼吸系統”的中樞，須24小時(shí)不間斷運行。隨著(zhù)開(kāi)采和掘進(jìn)的不斷延伸，巷道延長(cháng)，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(lèi)型風(fēng)機采用交流隔爆異步電機拖動(dòng)。該類(lèi)型風(fēng)機傳統的調節系統是根據風(fēng)量所需的多少，靠調節葉片角度來(lái)實(shí)現的，這種調節必須在風(fēng)機停機時(shí)才能進(jìn)行，只適合較長(cháng)階段的風(fēng)量調節，調節起來(lái)也不方便，可調范圍也不大。啟動(dòng)困難，機械損傷嚴重。主扇風(fēng)機采用水電阻啟動(dòng)，啟動(dòng)電流大，對電動(dòng)機的絕緣有著(zhù)較大的威脅，嚴重時(shí)甚至燒毀電動(dòng)機，更不具備風(fēng)量的自動(dòng)實(shí)時(shí)調節功能。而高壓電動(dòng)機在啟動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的單軸轉矩現象使風(fēng)機產(chǎn)生較大的機械振動(dòng)應力，嚴重影響到電動(dòng)機、風(fēng)機及其它機械的使用壽命。自動(dòng)化程度低。因礦井通風(fēng)系統變化，目前雖然風(fēng)機葉片角度已調到最小，這樣造成風(fēng)機系統運行效率低下，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)成熟地應用到工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)行業(yè)，不但啟動(dòng)容易，節能效果顯著(zhù)，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(dòng)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(guò)礦領(lǐng)導多方調研、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(shí)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)系統主回路：內部是由十五個(gè)相同的功率單元模塊構成，每五個(gè)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(jìn)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(jīng)整流、濾波后由2個(gè)IGBT以PWM方法進(jìn)行控制(如圖2所示)，產(chǎn)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(shí)行模塊化的設計，控制通過(guò)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(lái)自主控制器的控制光信號，經(jīng)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(dòng)信號，驅動(dòng)電路接到相應的驅動(dòng)信號后，發(fā)出相應的驅動(dòng)電壓送到IGBT控制極，從而操作IGBT關(guān)斷和開(kāi)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(jìn)行處理，集中后經(jīng)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(xué)的基本原理，電機的轉速滿(mǎn)足如下的關(guān)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(shí)際轉速n約等于電機的同步轉速n0，所以調節了電機的供電頻率f，就能改變電機的實(shí)際轉速。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(shí)際轉速還會(huì )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(gè)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(xiàn)電壓達6kV左右。改變每相功率單元的串聯(lián)個(gè)數或功率單元的輸出電壓等級，就可以實(shí)現不同電壓等級的高壓輸出。每個(gè)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(shí)現多重化，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(gè)功率單元供電的15個(gè)二次繞組每三個(gè)一組，分為5個(gè)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(jìn)行頻率可調節的三相交流電，其電壓和頻率按照V/F的設定進(jìn)行相應的調節，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，已達到常規供電電壓允許的諧波含量，同時(shí)輸出電壓的dV/dt較小，不會(huì )增加電機繞組的應力，可以向普通標準型交流電動(dòng)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(fēng)機系統變頻節能分析

主扇風(fēng)機屬于煤礦通風(fēng)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(guò)改變風(fēng)葉的角度來(lái)調整風(fēng)壓和風(fēng)量，造成很大部分能量消耗在節流損失中。針對以上能源浪費的現象，采用高壓變頻技術(shù)對煤礦重要用電設備進(jìn)行技術(shù)改造，是節能降耗提高電機使用效率的有效途徑。

3.1現場(chǎng)情況介紹：

鶴煤十礦是一個(gè)新建礦井，年生產(chǎn)能力60萬(wàn)噸。由于十礦地質(zhì)條件復雜，巷道變形嚴重，生產(chǎn)后期風(fēng)阻較大，所以根據礦通風(fēng)部門(mén)提供的數據，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(dòng)方式為串水電阻降壓?jiǎn)?dòng)。主扇風(fēng)機為航空工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機研究所風(fēng)機廠(chǎng)生產(chǎn)的AGF606-2.2-1.3-2軸流式通風(fēng)機，轉速為990r/min。配備電動(dòng)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(shí)間短，實(shí)際需要風(fēng)量較小，投入運行后通過(guò)調整風(fēng)葉角度在-150運行，由十礦南翼風(fēng)機特性曲線(xiàn)可看出，風(fēng)機在全速運行時(shí)工作在低效區內(附圖6)。通風(fēng)設備存在較大裕量。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(dòng)機工況功率209.20KW。(由風(fēng)機特性曲線(xiàn)圖也能夠直接看出運行效率運離高效區域)針對礦井實(shí)際的風(fēng)量需求，采用調節風(fēng)葉角度實(shí)現風(fēng)量調整，存在電能?chē)乐乩速M。

3.2南翼風(fēng)機采用變頻器技術(shù)分析

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

同時(shí)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(shí)系統可將電動(dòng)機投入工頻運行，以確保生產(chǎn)的連續性，避免了不可預料的事故發(fā)生。

3.3采用變頻風(fēng)機后的效益分析

(1)經(jīng)濟效益

根據上述，改造后風(fēng)機效率為93.45%

此時(shí)，電動(dòng)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)改造后可預見(jiàn)的年直接經(jīng)濟效益：

改造前通風(fēng)機運行工況點(diǎn)年功率消耗：

E1=(H1×Q1×r×T)/(1000×η1)

=(2750×65×24×365)/ (1000×0.60)

=2609750(kW.h)