礦井主扇風機采用高壓變頻調速后效益分析

摘要：礦井主扇風機是煤礦生產中主要的用電負荷之一，風機是按照礦井最大用風量進行選型設計。根據規程要求對井下需求供風量進行計算，流量達到15516m3/min就能滿足井下供風要求。為了節約能源的消耗，對主扇風機進行高壓變頻改造，改造后風機運行穩定，大大地節約了能源的消耗。

關鍵詞：礦井通風機；變頻器；變頻調速

中圖分類號：TD633 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）26-0084-02

1 概述

我公司使用兩臺通風機是沈陽通鼓風機廠生產的型號為K4-73-01№32F的離心式主通風機，各配有一臺Y630-12G型電動機，額定電壓6kV，功率1200kW，額定電流150A，轉速580r/min，一臺工作，一臺備用，該風機的額定流量為20000m3/min。負壓2300Pa，所需流量為

15516m3/min。

2 主扇風機采用高壓變頻調速可行性分析

范各莊風機主要技術參數表如表1所示：

表1

設備名稱 離心式風機 生產

廠家 沈陽通鼓風機廠

通風機

銘牌參數 型號 K4-73-01№32F

額定流量（m3/min） 20000

工作壓力（kPa） 2.4

轉速（r/min） 580

葉輪直徑（m） 3.2

軸功率（kW） 1200

額定效率（%） 85

電動機

銘牌參數 型號 Y630-12G-2/Y630-12G-1

額定功率（kW） 1200

定子電壓（V） 6000

定子電流（A） 150

轉速（r/min） 496

功率因數 0.81

如圖1所示，是通過調節風機的轉速來改變風機特性的曲線，從圖中可以看到：當風機轉速調至n1時，風壓-風量曲線與管網特性曲線R相交于點M1，風機的風量、風壓分別為Q1、H1；相應的當風機轉速調至n2時，風壓-風量曲線與管網特性曲線R相交于點M2，風機的風量、風壓分別為Q2、H2。n1>n2，根據特性曲線可以看出，當轉速降低，流量降低，同時風機壓力也隨之降低，風機內部壓力也隨之下降。這樣就可以使用高壓變頻器，通過改變頻率來改變風機的轉速，這種方法不必改造風機本身，只需由外部調節風機轉速，風機檔板能夠保持全開的位置不變，同時能夠實現無級線性調節風量，適用于需要風機連續運行、連調節的場合。

圖1 調節風機轉速改變風機的特性曲線

3 高壓變頻改造技術方案

高壓變頻器工作原理：三相6kV高壓交流電通過高壓開關柜送至干式隔離移相變壓器，供給每相5個共計15個單相IGBT逆變器功率單元，采用Y形連接，每相上的5個功率單元輸出的SPWM波相疊加后，將形成線電壓為6kV的高質量的正選波輸出，供給電動機。通過控制此輸出正弦波的電壓幅值和頻率，來控制電動機的轉速。

圖2 曲型系統連接電路

系統連接電路：如圖2所示是高壓變頻系統的典型的電路連接示意圖，通過此圖可以看出高壓變頻系統的整個工作過程：通過高壓隔離開關K1變壓器的原邊能夠連接到母線電網上，而母線電壓經過多組副邊繞組降壓移項后，輸入到高壓變頻器，高壓電動機的工作就是有高壓變頻器的輸出直接驅動的。

高壓變頻器主電路：圖3所示就是高壓變頻器的主電路。圖4和圖5分別為實測的高壓變頻器輸入電壓波形和電流波形。

圖3 變壓變頻器主電路

圖4 高壓變頻器輸和電壓波形

圖5 高壓變頻器輸入電流波形

電壓疊加原理：將多個功率單元的輸出電壓相互疊加就形成了高壓變頻器的輸出電壓。例如由5級功率單元疊加形成的6kV高壓變頻器的電壓疊加原理如圖6所示：

圖6 高壓變頻器電壓疊加原理

當電網電壓為6kV時，變壓器的副邊輸出電壓即功率單元的輸入電壓為690V，每個功率單元的最高輸出電壓也為690V，同一相的五個單元串聯后，相電壓為690V×5=3450V，由于三相連接成星型，那么線電壓便等于1.732×3450V≈6000V，達到電網電壓的水平。

圖6所示，是多個功率單元串聯后所得到的階梯正弦PWM波形。

圖7所示，是實測得到的高壓變頻器輸出電壓波形和電流波形。

正弦PWM波形因為正弦度好、du/dt值小。

圖7 功率單無輸出波形及輸出相電壓波形

高壓變頻器的系統組成：高壓變頻調速系統的組成包括功率柜和變壓器柜、旁路柜。

4 風機應用高壓變頻器后取得的效果

（1）變頻器控制電源可以實現雙路同時供電，保證控制電安全可靠。（2）變頻器除具有遠程控制外還可以實現本機控制，即可通過變頻器本機控制操作面板選擇“本機/遠程”控制。（3）變頻器具有過流、短路、接地、過壓、超溫、通信故障、控制電源故障等保護功能。（4）高壓變頻器自身功率因數高，無需額外的無功補償裝置。（5）變頻器與現有風機控制系統配套使用。（6）能夠實現現場、礦調度室遠程監控變頻器與風機的運行狀況。（7）根據GB12497《三相異步電動機經濟運行》強制性國家標準實施監督指南中的計算公式可計算出年節約電能消耗：

P=[0.45+0.55（Q/Qn）]

Pe=[0.45+0.55×257/333]×1200=1079kW

式中：

Q——風機實際風量

Qn——風機額定風量

Pe——電機額定功率

節電率由公式k=1-（Q/Qn）3/[0.45+0.55（Q/Qn）2]=1-0.773/[0.45+0.55（0.772）]=0.41

年節電：1079×0.41×24×330=350.3728萬度，每度按0.5元/度計算，年可節電：350.3728×0.5=174.1864萬元。

5 結語

采用高壓變頻調速裝置，風機得到高效運轉，減少了風機負荷，節電效果顯著，年節電350萬kWh。采用變頻調節后，系統實現軟啟動，減少了對電網的沖擊，減輕了起動對風機葉片、電機的機械損傷；大幅度降低風機噪音和振動，減少了噪聲對環境的污染，具有一定推廣應用價值。

參考文獻

[1] 朱榮花，于勵鵬.礦井通風機與通風系統的經濟運行分析[J].煤礦安全，2009，（8）.

[2] 榮信.RHVC系列高壓變頻器用戶手冊.

[3] 李峰，李永強，王偉.淺析礦井通風機采用變頻的節能效果[J].才智，2008，（14）.

作者簡介：宋長喜（1963—），河北唐山人，開灤能源化工股份有限公司范各莊礦業分公司生產部機電副總，電氣高級工程師。