主通風機變頻器在新義煤礦的設計及應用

摘 要：利用高壓變頻調速技術改變設備的運行工況，實現不停機調節礦井所需風壓、風量，提高了系統的自動化程度。

關鍵詞：風機；變頻；礦井

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.24.054

1 應用高壓變頻器的必要性

在煤炭企業的主通風機設計選型時有一定富裕度，電動機的選型一直存在“大馬拉小車”的現象，而電動機自身只能工頻運行，不能跟隨負荷波動進行自我調節，風機只有通過改變葉片的角度來調整，這導致了設備的運行效率較低，并且有浪費大量電能。

礦井風機的選型一般是按煤礦開采過程中通風阻力最大階段來選擇風機型號的。按實際通風參數配備主扇風機電機功率，其計算方法為：

N-所需功率，指1、2級電機的總功率（kW）

Pst-煤礦通風阻力最大階段總阻力（Pa）

Q-煤礦通風阻力最大階段總風量（m3/s）

ηst-按Pst、Q參數查本樣本的實際運行工況效率

K-功率富裕系數，一般取K=1.1～1.15

按上述求出總功率N，根據N/2的值，并參考電機功率等級系列，選配兩臺同功率電機，必須使N1+N2≥N，作為對旋風機額定功率的選型依據。

傳統調節系統是根據所需風量，靠調節葉片角度和風門開度來實現。從主扇風機選型的過程和煤炭生產的實際情況中可以看出，主扇風機工頻運行存在以下幾個問題： （1）電能浪費嚴重，大型煤礦的服務年限大多在幾十年以上，從初建到井田穩定開采一般在十年以上，一般主扇風機余量特別大，因此它相當長的時間處在較輕負載下運行。通過風葉和調節板調節只能大致調整負載，不能微調，從而造成能源浪費，增加了生產成本。（2）啟動困難，易造成機械損壞，主風機由直接起動或降壓起動，起動時間長，啟動電流大，容易導致電機絕緣降低，甚至燒壞電機。在啟動過程中，電機產生的單軸扭矩使風機產生更大的機械振動應力，嚴重影響電機、風機等的使用壽命。 （3）自動化程度低，沒有實時自動調節功能。

2 新義煤礦主通風機概況

（1）主通風機參數（共2臺，一用一備），設備型號：FBCDZ№34/2×630；

電機型號：YBF450M1-8；額定功率（kW）：2*630kW；額定流量 （m3/h）：468000-1116000m3/h；

額定電壓（kV）：6 kV；額定電流（A）：82.7A；轉速（ r/min）：590；壓力 （kPa）：250-4500kPa；功率因數：0.87；效率：0.89。

3 系統方案設計說明

（1）系統一次回路原理。該項目電氣系統基本不改變原配電系統，只在原來的基礎上增加2臺變頻器，2套變頻器旁路柜，1套PLC控制柜，作為一個變頻運行的子系統。1#變頻器采用一拖二的方式，驅動1#風機的1#電機和2#電機；2#變頻器以一拖二方式驅動2#風機的1#電機和2#電機。

工頻旁路運行時，保持原系統的操作不變，系統原微機綜保設備和在線監控系統正常使用。在變頻運行時，屏蔽原2、4、15、17號柜微機綜保的保護功能，通過新增的霍爾傳感器采集每臺電機的運行電流，由變頻器實現對兩臺電機的單獨保護；并提供可將電流信號引至原DCS的標準RS458接口。該子系統的高壓電源：1#變頻器和1#旁路柜的進線引自（5）1#風機反向柜；2#變頻器和2#旁路柜的進線引自（14）2#風機反向柜。

變頻器出線連接：1#變頻器出線接入原（2）1#風機1#電機電源柜和（4）1#風機2#電機電源柜。工頻旁路運行時，原系統啟動方式不變，原（1）1#風機1#電機電抗器啟動柜和（3）1#風機2#電機電抗器啟動柜正常使用；變頻運行時，直接將1、3號柜的電抗器旁路即可。2#變頻器出線接入原（15）2#風機1#電機電源柜和（17）2#風機2#電機電源柜。工頻旁路運行時，原系統啟動方式不變，原（16）2#風機1#電機電抗器啟動柜和（18）2#風機2#電機電抗器啟動柜正常使用，變頻運行時，直接將16、18號柜的電抗器旁路即可。一次系統原理圖如下所示：

（2）系統控制方案。I、通過對現有設備6kV高壓動力系統和煤礦實際生產工藝、自動化控制水平、DCS控制現狀等情況具體的分析、研究，綜合其中存在的問題，以“優先保證系統安全可靠，結構合理，提供最佳的方案”的原則，按照一拖一自動旁路方案，結構圖如圖3：

II、方案說明： 本方案原理是由3個真空接觸器和2個高壓隔離開關組成旁路柜。高壓開關用原有高壓開關，電動機M（見上圖3）。要求KM4和KM3、KM1之間不能同時閉合，具有互鎖工程。工頻運行時，QS1和QS2斷開， KM4閉合；變頻運行時，KM4斷開，QS1和QS2閉合，KM1和KM3閉合。

III、功能： 將高壓變頻器串聯進原有的正反轉柜和電動機之間，正常工作采用變頻回路，KM4斷開，QS1和QS2閉合，KM1和KM3閉合；工頻運行時，采用原有的啟動方式。在變頻器檢修時，OF斷開，確保變頻器和原有開關柜有明顯斷開點，能夠提高安全系數。

IV、控制方式：本地、遠程兩種控制方式。

V、通訊聯系：RHVC高壓變頻器預留標準的RS485通訊接口，支持Profibus通訊協議，并支持以太網組網；預留模擬量AI/AO接口，可實現閉環控制。

4 預期效果

（1）節能。根據采掘進度及需求風量，通過變頻調速，改變電機轉速，實現高效率的供風需求，具體節能計算如下。

風機型號：FBCDZNo36/2×630； 風量：Q = 223.3m3/s ；

負壓：P = 3250Pa； 安裝角0°

電機運行參數：

Ⅰ級電機電壓：6.267kV Ⅰ級電機電流：68A

Ⅱ級電機電壓：6.255kV Ⅱ級電機電流：74A

平均電機功率因數：0.65

節能計算（電機效率按0.93計算）：

電機軸功率計算： + = 930.8321kW

風機功率計算： = 725.725kW

風機效率計算： = 77.96%

風阻曲線H=R×Q2得出R=0.0652

改造后風機效率η按80%計算，變頻器效率為96%，年運行時間為8760h，按照風量降低比例，節能量如下：

（2） 減少了對電網的沖擊，延長設備使用壽命。采用變頻調節后，系統實現低頻啟動，電機啟動電流小，啟動時間相應延長，降低了對電網的沖擊，減少了了機械振動應力，減輕了電機機械損傷，有效的延長了電機的使用壽命。

（3）減少維護量和降低維護成本。電機啟動電流小，穩定了電網，供電電源經過變頻器后，減少了諧波，降低了因供電電源波動產生的機械振動對電機和風機的損害，延長易損部件的保養和更換時間，減少維護量，降低維護成本，同時提高了功率因數。

（4）人性化設計，操作簡單。操作界面設計人性化，通俗易懂，調速系統在運轉設備與備用設備之間實現計算機聯鎖控制，機組實現自動運行和相應的保護及故障報警，操作工作由手動轉變為監控，完全實現無人操作，大大降低了勞動強度，提高了生產效率，為優化運營提供了可靠保證。

5 結束語

利用高壓變頻調速技術改變設備的運行工況，實現不停機調節礦井所需風壓、風量，提高了系統的自動化程度，在滿足安全生產的前提下，節約電能，并且減少了因調節風葉角度導致風葉連接部位松動的概率和因調節風葉角度導致啟停風機所造成的經濟損失，提高了設備運行壽命，達到了節能降耗的目的。

作者簡介：高濤（1983-），男，本科，工程師，機電科副科長，研究方向：礦山機電。