国产高压变频器在煤矿主扇风机中的应用

3 矿用主扇通风机调速方案选择
3.1 煤矿主扇风机的调节方法
在煤矿生产中，所需风量风压在不同阶段有不同的要求，为满足生产要求，煤矿风机通常采用以下几种方法调节：
（1）闸门调节；
（2）改变通风机转速；
（3）改变前导器叶片角度；
（4）轴流式通风机改变动叶安装角；
（5）离心式通风机调节尾翼摆角；
（6）轴流式通风机改变动叶数目；
（7）轴流式通风机改变静叶角度。
其中以闸门调节效率最差，它是人为的改变阻力曲线，增加风阻，越调节性能就越恶化；前导器调节和尾翼摆角调节效率比闸门调节高；改变动叶安装角和动叶数目，可改变风机的特性曲线，使风机在较大范围内以较高的效率运行，以达到节能降耗的目的。改变通风机转速，使其在最佳工况点运行，使风机在最大的范围内以最高的效率运行，节能效果最好。
乌兰矿南二主扇风机为两台对旋式轴流通风机，一用一备。轴流式通风机的一般性能曲线如图1所示：

其中压力曲线有驼峰，工况点如在驼峰右侧区域时，通风机的工作状态是稳定的；工况点如在驼峰左侧区域，通风机的工作状态就很难稳定，此时风压、流量发生波动，当工况点移至左下部时，流量、风压有激烈脉动，并引起整个风机装置强烈振动，称这种现象为喘振。喘振可能使风机装置遭到破坏，因此通风机不允许在喘振状态下运行。为了避免风机在小流量时发生喘振现象，对风机进行变频改造是首选方案，并且当风机速度变化不超过20%，效率基本无变化，使用变频调速后就可以使风机在小流量段高效运行，不仅不会使风机喘振，还扩大了风机高效运行的工作范围，由于风机在投运的初始阶段所需风量相对风机风量都比较小，甚至小很多，因此在风机投运的初始阶段采用变频调速就显得尤为重要。
该矿原来的主扇风机采用工频运行，在运行中一般采用改变导叶角度和改变档板角度调节通风量，因此通风效率较低，造成能源浪费，增加了生产成本。又由于主扇风机设计的余量特别大，在相当长的时间主扇风机一直处在较轻负载下运行，能源浪费更加突出。
当主扇风机采用电抗器启动时，由于电网容量有限，故主扇风机起动时只能先起动一级风机，风机起动正常后再起动另一级风机，起动时间长，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。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。
综合以上几点，为了矿井的安全生产、降低生产成本和减小对风机的冲击，南二主扇风机采用调节电机转速方法最佳方案。
3.2 以往采用的调速方式
至上世纪末，高压电机要实现调速，主要采用以下三种方式：
（1）液力耦合器方式。即在电机和负载之间串入一个液力耦合装置，通过液面的高低调节电机和负载之间耦合力的大小，实现负载的速度调节。这种调速方法实质上是转差功率消耗型的做法，其主要缺点是随着转速下降效率越来越低、维护工作量大。
（2）串级调速。串级调速必须采用绕线式异步电动机，将转子绕组的一部分能量通过整流、逆变再送回到电网，而现在工业现场几乎都采用鼠笼式异步电动机，更换电机非常麻烦。这种调速方式的调速范围一般在70%-95%左右，调速范围窄。容易造成对电网的谐波污染，功率因数低；串级调速电机受转子滑环的影响，不能做到很大功率，滑环维护工作量大，属于落后技术。
（3）高—低变频方式
变频器为低压变频器，采用输入降压变压器，先把电网电压降低，然后采用一台低压变频器实现变频；对于电机，则有两种办法，一种办法是采用低压电机；另一种办法，则是仍采用原来的高压电机，需要在变频器和电机之间增加一台升压变压器，即高—低—高变频方式。这是当时高压变频技术未成熟时的一种过渡技术。这种做法由于采用低压变频器，容量也比较小，对电网侧的谐波较大。
通过对以上高压电机调速方式比较，宁夏煤业集团乌兰矿决定采用高压变频器对主扇通风机进行改造。
经过多方比较性价比，通过招标方式，选用了山东新风光电子科技发展有限公司生产的jd-bp37-560f型高压变频器，一拖一控制，共计4台高压变频器。改造取得了成功。现对改造作一介绍。

4 山东新风光电子jd-bp37-560f高压变频器
4.1 jd-bp37-560f高压变频器的主要性能指标
变频器功率： 560kw；
输入频率： 50hz；
输入电压： 6.0kv±20%；
输出电压: 三相正弦波电压0～6kv；
输出频率: 0-60hz；
频率分辨率: 0.01hz；
加速时间: 可按工艺要求设定；
减速时间: 可按工艺要求设定；
故障诊断及检测: 自动检测,自动定位；
网侧功率因数: 0.95(高速时);
过载保护: 150%1min；
防护等级: ip20；
环境湿度: 90%,无凝结。
4.2 性能特点
（1）高压变频调速系统采用直接“高—高”变换形式，为单元串联多电平拓扑结构，主体结构有多组功率模块并联而成。
（2）变频装置控制采用led键盘控制和人机界面控制两种控制方式，两种方式互为备用，两种方式从就地界面上可以进行增、减负荷，开停机等操作。装置保留至少一年的故障记录。
（3）变频器能提供两种通讯功能：标准的rs-485和有触摸屏处理器扩展的通讯接口。
（4）在20～100%的调速范围内，变频系统在不加任何功率因数补偿的情况下，本机输入端功率因数达到0.95。
（5）变频装置对输出电缆的长度无任何要求，变频装置保护电机不受共模电压及dv/dt应力的影响。
（6）变频装置输出电流谐波不大于2%，符合ieee 519 1992及我国供电部门对电压失真最严格的要求，高于国标gb14549-93对谐波失真的要求。变频装置输出波形不会引起电机的谐振，转矩脉动小于0.1%。变频器可自动跳过共振点。
（7）变频装置对电网反馈的电流谐波不大于4%，符合ieee 519 1992及我国供电部门对电压失真最严格的要求，高于国标gb14549-93对谐波失真的要求。
（8）变频装置对电网电压的波动有较强的适应能力，在-10%～+10%电网电压波动时必须满载输出，可以承受30%的电网电压下降而降额继续运行，能满足煤矿的电压大幅波动的要求。
（9）变频装置设以下保护：过电压、过电流、欠电压、缺相保护、短路保护、失速保护、变频器过载、电机过载保护、半导体器件的过热保护、瞬时停电保护等，联跳至输入侧6kv开关。保护的性能符合国家有关标准的规定。并提供故障、断电、停机等报警。
（10）变频装置带故障自诊断功能，对所发生的故障类型及故障位置提供中文指示，就地显示并远方报警，便于运行人员和检修人员辨别和解决所出现的问题。变频装置有对环境温度的监控，当温度超过变频器允许的环境温度时，变频器提供报警。
（11）系统可在电子噪声，射频干扰及振动的环境中连续运行，能满足国家标准对电磁兼容的规定。

5 变频改造主回路接线
变频装置与主扇风机的连接方式如图2所示。以其中一台主扇风机变频器接线为例，6kv电源经变频装置输入刀闸k1到高压变频装置，变频装置输出经出线刀闸k2送至电动机；6kv电源还可以经旁路刀闸k3后由km直接起动电动机。进出线刀闸（k1、k2）和旁路刀闸（k3）的作用是：一旦变频装置出现故障，即可马上断开进出线刀闸，将变频装置隔离，手动合旁路刀闸，在工频电源下起动电机运行。虚线框内为手动旁路开关柜。

图2 主扇风机变频主回路图

6 高压变频器如何在风机的高效区进行调速
（1）根据矿井生产实际情况，用户提出矿井近期（或初期）所需的风量、负压。
（2）根据当前风机运行情况，作出目前及后期矿井通风网路阻力曲线，求出较准确的矿井通风网路阻力系统及网组曲线方程。
（3）确定风机直径及转速后，根据厂家提供的产品特性曲线，作出风路阻力曲线，并根据风机所需的风量和负压，找出前后期工况点，必须使工况点运行在高效区，即系统效率在80%左右。如果工况点出现在低效区，可以调整风机的的动叶角度使其处于高效区。风机叶片安装角度可以通过公式计算和作图，按两者相结合的方法确定；作风路特性曲线找工况点，可以由图查得平均角度，亦可通过计算求得。根据上述方法初算出的角度，对照矿井阻力曲线和风机性能曲线作出的工况点，再确定叶片安装角度。在实际应用中,风机转速大于50%的情况下,可以满足用户井下对风量及负压的要求,且风机运行在高效区。

7 变频运行情况
7.1 变频器及其负载
变频器为我公司生产的jd-bp37-560f风机变频器，主扇风机为湘潭风机厂生产的对旋式通风机，参数如下：
型号：bd-ⅱ-10-no:32；
电动机额定功率：2×400kw；
静压：3800-800pa；
风量：150-255m3/s；
反风率：60%；
额定转速：539 r/min；
电源频率：50hz；
额定电压：6000v；
额定电流：53.5a；
绝缘等级：f级；
变频器于4月30日安装完成，5月3日投入运行。
7.2 变频运行
变频投入运行以来一直稳定运行，输出频率、电压和电流稳定，风机运行稳定，变频器网侧实测功率因数为0.976，效率均高于96%，满载时网侧电流谐波总容量小于3%，输出电流谐波小于4%，均低于国家标准。风机以低于额定转速运行，噪声降低磨损减轻，减少了维护费用，经济效益良好。
7.3 变频操作
变频器显示采用中文图形界面，触摸屏操作，生动直观，变频器的运行状态一目了然，各种运行数据可在触摸屏上查询，便于操作人员及时了解变频器的运行情况。变频器操作简单，两级风机可以同时起动，可在3min之内起动至高速，短时间内达到所需风量。由于乌兰矿属于高瓦斯矿井，主扇风机停机10min就是重大事故，简便的操作和短的起动时间确保了生产安全。并且反风比以前操作简单可靠，完全可满足10min内实现反风的要求。
7.4 运行数据
变频器运行数据如附表所示：
2006年5月16日，功率因数：0.976

附表 变频器运行数据