高压变频器在煤矿主扇风机的应用

1 引言
　　随着我国经济的发展,各行各业煤炭的需求量也越来越大,各大型煤炭企业纷纷开辟新的矿井来扩大规模,并且利用各种技术降低生产成本，因此变频器在煤炭行业的需求也就越来越大。
　　主扇风机是煤矿通风系统中最重要的一部分，它可以说是每一个井下工作人员的呼吸要道，因此它也是煤矿安全生产中最重要的一个环节。长期以来，矿井主扇风机的功率都比较大，而且一天24小时不间断运行，矿井所需的风量都是通过调节风门挡板或叶片角度来实现，根据反风及开采后期运行工况要求，所设计的通风机及拖动的电动机的功率，通常远大于煤矿正常生产所需的运行功率。风机设计上余量特别大，在相当长的时间风机一直处在较轻负载下运行，因此，煤矿通风系统中存在着极为严重的大马拉小车现象，能源浪费非常突出。

2 现场简介
　　崔庄煤矿位于山东省济宁市微山县，其主扇风机担负着整个矿井的通风任务，要求安全稳定性极高，因为风机一旦停机，短时间内就将造成全矿无法正常生产，控制方式采用调节风门开度的大小来调整风量，这样，不论生产的需求大小，风机都要全速运转，而运行工况的变化则使得能量以风门节流损失消耗掉了。不仅控制精度受到限制，而且还造成大量的能源浪费和设备损耗，从而导致生产成本增加，设备使用寿命缩短，设备维护、维修费用高居不下，针对这种情况，矿领导经过论证，最后决定选用山东新风光电子科技发展有限公司生产的JD-BP37系列的高压变频调速器，现场设备如图1所示：

3 风光高压变频器的突出特点
（1）采用高速DSP（TMS320F2812）作为中央处理器，运算速度更快，让控制更精准。系统升级更方便。
（2）飞车启动功能：能够识别电机的速度并在电机不停转的情况下直接起动。
（3）瞬间掉电再启动功能：运行过程中高压瞬时掉电三秒钟内恢复，高压变频器不停机，高压恢复后变频自动运行到掉电前的频率。
（4）线电压自动均衡技术（采用中性点漂移技术）：变频器某相有单元故障后，为了使线电压平衡，传统的处理方法是将另外两相的电压也降至与故障相相同的电压，而线电压自动均衡技术通过调整相与相之间的夹角，在相电压输出最大且不相等的前提下保证最大的线电压均衡输出。
（5）单元内电解电容因采取了公司专利技术（专利号ZL 2003 2 0107356.2 ），可以将其使用寿命提高一倍；高压提升机产品采用了更长寿命的电力电容。
（6）运行过程中外部频率给定信号出现故障（短路或开路），整机维持故障前的运行频率不变，并能给出报警信号。
（7）单元串联多重化结构，模块化设计。这样IGBT承受电压较低，可以有较宽的过压范围（≥1.15Ue），设备可靠性更高。
（8）具有双路AC控制电源，一路为干式变压器变压以后的AC电源，一路为外部控制电源，这样在调试过程中，无需加入高压主电，就可以检测输出波形的正常与否。对于在现场安装调试以及人员培训很方便，同时也大大提高了培训和运行的安全性。

4 现场技术参数
　　电动机参数如下表1所示：
表1：

风机类型：轴流风机。
设备布置采用抽出式通风方式，配备反风道反风，扇风机与电动机设于主机房内，主机房为双层工业厂房，风道为半地下式。吸风侧设两个立闸门，两个水平反风门，扩散器侧两个水平反风门，每个风门各用一台风门绞车进行操纵，风门绞车采用就地操作。
传动方式：直接传动。
调节方式：手动操作风门绞车控制立闸门 （改变管路阻力特性曲线）。

5 变频改造前存在的问题
（1）原工矿使用的为转子串电阻启动方式，启动不稳定，造成了大的机械冲击，导致电机寿命大大降低；
（2）转子串电阻启动时，控制系统复杂，故障率高，接触器、电阻器、绕线电机电刷容易损坏，维护工作量大；
（3）启动时电流过大，对电网冲击很大，影响电网的稳定性；
（4）主扇风机设计上余量大，主扇风机一直处在较轻负载下运行，由于采用档板调节，因此造成能源浪费，增加了生产成本；
（5）自动化程度低，影响整体系统安全性。

6 变频控制方案
　　为了满足安全生产，选用一套6KV变频调速器，通过切换，可以在变频器故障状态下，切换到工频状态运行，其主回路如下图2所示：

　　QS1、QS2、QS3为三台高压隔离闸刀，QS1、QS3处于变频运行回路上，KM1、KM2为变频上电瞬间实现限流电阻切换时所用，K10为用户工、变频转换改造时加的一个转换开关。变频运行时，QS1、QS3闭合， QS2断开，K10打到变频位置；变频上电后，通过内部程序KM2会自动吸合将限流电阻引入主回路以消除大电流冲击，上电3S后，KM1吸合，KM2断开变频可以投入运行。工频运行时，QS1、QS3断开，QS2闭合，K10打到工频位置，实现原来的串电阻启动方式。
　　这是高压变频器工变频手动切换的典型应用，QS1、QS2、QS3不能同时闭合，这三个闸刀在机械和电气上都实现了互锁。
　　另外，为了安全，变频故障信号和上一级的高压开关柜也实现互锁，实现高压故障连跳功能。
　　风光高压变频器采用功率单元串联多电平结构，由控制柜、变压器柜、单元柜和开关柜组成。
　　每个功率单元结构上完全一致，可以互换，为基本的交-直-交单相逆变电路，整流侧为二极管三相全桥，通过对IGBT逆变桥进行正弦PWM控制，其电路结构见下图3所示，

　　高质量电源输入：输入侧隔离变压器二次线圈经过移相，为功率单元提供电源对于6KV而言相当于30脉冲不可控整流输入，消除了大部分由单个功率单元所引起的谐波电流，大大抑制了网侧谐波（尤其是低次谐波）的产生。变频器引起的电网谐波电压和谐波电流含量满足IEEE 519-1992和GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》对谐波含量最严格要求，无需安装输入滤波器并保护周边设备免受谐波干扰。正常调速范围内功率因数大于0.96。无需功率因数补偿电容，减少无功输入，降低供电容量。
　　完美的输出性能：单元脉宽调制叠波输出， 6KV系列每相5个单元，大大削弱了输出谐波含量，输出波形几近完美的正弦波，其输出波形如下图4所示：

7 现场应用情况
　　崔庄矿选用型号JD-BP37-400F风光变频器，于2008年10月20日开始安装调试，2008年10月25日一次性投运成功。变频运行后，风门全部打开，运行频率43Hz，运行电流24A，负压1700Pa,不仅完全满足煤矿生产工艺要求,而且用户操作非常方便。变频器运行非常稳定。

8 节能计算
按工频和变频运行实际电流计算，计算数据取2008年技术测定：
工频运行时，风门开度为2m左右，运行电流在43A。
工频运行时功率和一天耗电量：
P1= 1.732×6×43×0.77=344.08KW
N1=344.08×24=8257.90KW•h。
变频器运行时，风门全开，运行电流在24A，由变频器调节风机速度来满足风量要求。
变频运行时功率和一天耗电量：
P2=1.732×6×24×0.958=238.93KW
N2=238.93×24=5734.32KW•h。
节电率：
（N1-N2）/N1=（8257.90-5734.32）/8257.90=30%。
节约电费计算：
以该矿电价0.6元/ KW•h计算，工频24小时耗电费：
8257.90×0.6=4954.74元。
变频24小时耗电费：
5734.32×0.6=3440.59元。
变频改造后，日节约电费：
4954.74-3440.59=1514.15元。
一年以300天为标准计算，年节约电费：
1514.15×300=454244.4元。

9 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，非常符合国人特点；
（6） 安全保护功能齐全，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）采集各台扇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。
自动建立数据库，对于重要的工艺参数、电气参数自动生成趋势曲线。
当运行风机发生故障时，利用运行记录的曲线对故障进行分析和处理。
在条件具备时，可实现远控，达到“无人值守”。

10 结束语
崔庄煤矿主扇风机经过变频改造之后,不仅达到了良好的节能效果,并且使整套通风系统的稳定性提高了一个大台阶。随着国家对节能减排工作的越来越重视，煤矿企业通过各种措施降低生产成本，其中变频技术起到了关键作用，取得了明显的经济效益和社会效益，适应了国家建设资源节约型社会的潮流。