國產高壓變頻器在煤礦主扇風機中的應用

3 礦用主扇通風機調速方案選擇
3.1 煤礦主扇風機的調節方法
在煤礦生產中，所需風量風壓在不同階段有不同的要求，為滿足生產要求，煤礦風機通常采用以下幾種方法調節：
（1）閘門調節；
（2）改變通風機轉速；
（3）改變前導器葉片角度；
（4）軸流式通風機改變動葉安裝角；
（5）離心式通風機調節尾翼擺角；
（6）軸流式通風機改變動葉數目；
（7）軸流式通風機改變靜葉角度。
其中以閘門調節效率最差，它是人為的改變阻力曲線，增加風阻，越調節性能就越惡化；前導器調節和尾翼擺角調節效率比閘門調節高；改變動葉安裝角和動葉數目，可改變風機的特性曲線，使風機在較大范圍內以較高的效率運行，以達到節能降耗的目的。改變通風機轉速，使其在最佳工況點運行，使風機在最大的范圍內以最高的效率運行，節能效果最好。
烏蘭礦南二主扇風機為兩臺對旋式軸流通風機，一用一備。軸流式通風機的一般性能曲線如圖1所示：

其中壓力曲線有駝峰，工況點如在駝峰右側區域時，通風機的工作狀態是穩定的；工況點如在駝峰左側區域，通風機的工作狀態就很難穩定，此時風壓、流量發生波動，當工況點移至左下部時，流量、風壓有激烈脈動，并引起整個風機裝置強烈振動，稱這種現象為喘振。喘振可能使風機裝置遭到破壞，因此通風機不允許在喘振狀態下運行。為了避免風機在小流量時發生喘振現象，對風機進行變頻改造是首選方案，并且當風機速度變化不超過20%，效率基本無變化，使用變頻調速后就可以使風機在小流量段高效運行，不僅不會使風機喘振，還擴大了風機高效運行的工作范圍，由于風機在投運的初始階段所需風量相對風機風量都比較小，甚至小很多，因此在風機投運的初始階段采用變頻調速就顯得尤為重要。
該礦原來的主扇風機采用工頻運行，在運行中一般采用改變導葉角度和改變檔板角度調節通風量，因此通風效率較低，造成能源浪費，增加了生產成本。又由于主扇風機設計的余量特別大，在相當長的時間主扇風機一直處在較輕負載下運行，能源浪費更加突出。
當主扇風機采用電抗器啟動時，由于電網容量有限，故主扇風機起動時只能先起動一級風機，風機起動正常后再起動另一級風機，起動時間長，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。而高壓電動機在啟動過程中所產生的單軸轉矩現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。
綜合以上幾點，為了礦井的安全生產、降低生產成本和減小對風機的沖擊，南二主扇風機采用調節電機轉速方法最佳方案。
3.2 以往采用的調速方式
至上世紀末，高壓電機要實現調速，主要采用以下三種方式：
（1）液力耦合器方式。即在電機和負載之間串入一個液力耦合裝置，通過液面的高低調節電機和負載之間耦合力的大小，實現負載的速度調節。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、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，而現在工業現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%左右，調速范圍窄。容易造成對電網的諧波污染，功率因數低；串級調速電機受轉子滑環的影響，不能做到很大功率，滑環維護工作量大，屬于落后技術。
（3）高—低變頻方式
變頻器為低壓變頻器，采用輸入降壓變壓器，先把電網電壓降低，然后采用一臺低壓變頻器實現變頻；對于電機，則有兩種辦法，一種辦法是采用低壓電機；另一種辦法，則是仍采用原來的高壓電機，需要在變頻器和電機之間增加一臺升壓變壓器，即高—低—高變頻方式。這是當時高壓變頻技術未成熟時的一種過渡技術。這種做法由于采用低壓變頻器，容量也比較小，對電網側的諧波較大。
通過對以上高壓電機調速方式比較，寧夏煤業集團烏蘭礦決定采用高壓變頻器對主扇通風機進行改造。
經過多方比較性價比，通過招標方式，選用了山東新風光電子科技發展有限公司生產的jd-bp37-560f型高壓變頻器，一拖一控制，共計4臺高壓變頻器。改造取得了成功。現對改造作一介紹。

4 山東新風光電子jd-bp37-560f高壓變頻器
4.1 jd-bp37-560f高壓變頻器的主要性能指標
變頻器功率： 560kw；
輸入頻率： 50hz；
輸入電壓： 6.0kv±20%；
輸出電壓: 三相正弦波電壓0～6kv；
輸出頻率: 0-60hz；
頻率分辨率: 0.01hz；
加速時間: 可按工藝要求設定；
減速時間: 可按工藝要求設定；
故障診斷及檢測: 自動檢測,自動定位；
網側功率因數: 0.95(高速時);
過載保護: 150%1min；
防護等級: ip20；
環境濕度: 90%,無凝結。
4.2 性能特點
（1）高壓變頻調速系統采用直接“高—高”變換形式，為單元串聯多電平拓撲結構，主體結構有多組功率模塊并聯而成。
（2）變頻裝置控制采用led鍵盤控制和人機界面控制兩種控制方式，兩種方式互為備用，兩種方式從就地界面上可以進行增、減負荷，開停機等操作。裝置保留至少一年的故障記錄。
（3）變頻器能提供兩種通訊功能：標準的rs-485和有觸摸屏處理器擴展的通訊接口。
（4）在20～100%的調速范圍內，變頻系統在不加任何功率因數補償的情況下，本機輸入端功率因數達到0.95。
（5）變頻裝置對輸出電纜的長度無任何要求，變頻裝置保護電機不受共模電壓及dv/dt應力的影響。
（6）變頻裝置輸出電流諧波不大于2%，符合ieee 519 1992及我國供電部門對電壓失真最嚴格的要求，高于國標gb14549-93對諧波失真的要求。變頻裝置輸出波形不會引起電機的諧振，轉矩脈動小于0.1%。變頻器可自動跳過共振點。
（7）變頻裝置對電網反饋的電流諧波不大于4%，符合ieee 519 1992及我國供電部門對電壓失真最嚴格的要求，高于國標gb14549-93對諧波失真的要求。
（8）變頻裝置對電網電壓的波動有較強的適應能力，在-10%～+10%電網電壓波動時必須滿載輸出，可以承受30%的電網電壓下降而降額繼續運行，能滿足煤礦的電壓大幅波動的要求。
（9）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，聯跳至輸入側6kv開關。保護的性能符合國家有關標準的規定。并提供故障、斷電、停機等報警。
（10）變頻裝置帶故障自診斷功能，對所發生的故障類型及故障位置提供中文指示，就地顯示并遠方報警，便于運行人員和檢修人員辨別和解決所出現的問題。變頻裝置有對環境溫度的監控，當溫度超過變頻器允許的環境溫度時，變頻器提供報警。
（11）系統可在電子噪聲，射頻干擾及振動的環境中連續運行，能滿足國家標準對電磁兼容的規定。

5 變頻改造主回路接線
變頻裝置與主扇風機的連接方式如圖2所示。以其中一臺主扇風機變頻器接線為例，6kv電源經變頻裝置輸入刀閘k1到高壓變頻裝置，變頻裝置輸出經出線刀閘k2送至電動機；6kv電源還可以經旁路刀閘k3后由km直接起動電動機。進出線刀閘（k1、k2）和旁路刀閘（k3）的作用是：一旦變頻裝置出現故障，即可馬上斷開進出線刀閘，將變頻裝置隔離，手動合旁路刀閘，在工頻電源下起動電機運行。虛線框內為手動旁路開關柜。

圖2 主扇風機變頻主回路圖

6 高壓變頻器如何在風機的高效區進行調速
（1）根據礦井生產實際情況，用戶提出礦井近期（或初期）所需的風量、負壓。
（2）根據當前風機運行情況，作出目前及后期礦井通風網路阻力曲線，求出較準確的礦井通風網路阻力系統及網組曲線方程。
（3）確定風機直徑及轉速后，根據廠家提供的產品特性曲線，作出風路阻力曲線，并根據風機所需的風量和負壓，找出前后期工況點，必須使工況點運行在高效區，即系統效率在80%左右。如果工況點出現在低效區，可以調整風機的的動葉角度使其處于高效區。風機葉片安裝角度可以通過公式計算和作圖，按兩者相結合的方法確定；作風路特性曲線找工況點，可以由圖查得平均角度，亦可通過計算求得。根據上述方法初算出的角度，對照礦井阻力曲線和風機性能曲線作出的工況點，再確定葉片安裝角度。在實際應用中,風機轉速大于50%的情況下,可以滿足用戶井下對風量及負壓的要求,且風機運行在高效區。

7 變頻運行情況
7.1 變頻器及其負載
變頻器為我公司生產的jd-bp37-560f風機變頻器，主扇風機為湘潭風機廠生產的對旋式通風機，參數如下：
型號：bd-ⅱ-10-no:32；
電動機額定功率：2×400kw；
靜壓：3800-800pa；
風量：150-255m3/s；
反風率：60%；
額定轉速：539 r/min；
電源頻率：50hz；
額定電壓：6000v；
額定電流：53.5a；
絕緣等級：f級；
變頻器于4月30日安裝完成，5月3日投入運行。
7.2 變頻運行
變頻投入運行以來一直穩定運行，輸出頻率、電壓和電流穩定，風機運行穩定，變頻器網側實測功率因數為0.976，效率均高于96%，滿載時網側電流諧波總容量小于3%，輸出電流諧波小于4%，均低于國家標準。風機以低于額定轉速運行，噪聲降低磨損減輕，減少了維護費用，經濟效益良好。
7.3 變頻操作
變頻器顯示采用中文圖形界面，觸摸屏操作，生動直觀，變頻器的運行狀態一目了然，各種運行數據可在觸摸屏上查詢，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3min之內起動至高速，短時間內達到所需風量。由于烏蘭礦屬于高瓦斯礦井，主扇風機停機10min就是重大事故，簡便的操作和短的起動時間確保了生產安全。并且反風比以前操作簡單可靠，完全可滿足10min內實現反風的要求。
7.4 運行數據
變頻器運行數據如附表所示：
2006年5月16日，功率因數：0.976

附表 變頻器運行數據