高壓變頻器在煤礦主通風機上的應用與研究

杜 欣

（山西省陽泉煤業集團有限責任公司一礦， 山西 陽泉 045000）

引言

礦井主通風機用于向井下提供新鮮風流、排除污濁空氣和有害氣體，對煤礦的安全生產影響重大。礦井主通風機全年不間斷運行，其電耗量較大，經調查，一個礦井的主扇風機年用電量約占全礦年用電量的8%～20%，是礦山的主要用電設備之一。

目前，陽煤集團一礦南翼主扇機房現配置兩臺FBCDZ-NO.20 型對旋軸流式風機，一用一備，每臺風機配置兩臺額定電壓為6 kV、額定功率為2 kW×220 kW 的交流隔爆異步電機雙電機拖動，電控系統采用工頻定速控制，其風量和負壓控制是通過人工扭轉風葉角度來實現的，人工調節風葉角度必須在風機停機后才能進行，這種調節方式只適合較長階段的風量調節，調節起來既不安全又費時費力影響生產。可調范圍也不大（一般1°為一個單位），電機全速運行，節電不明顯。而且大多數風機設計上存在余量，如果任其運轉勢必造成電能浪費。加之，有些時候風量受季節、環境溫度和開采工序等影響，需要經常性的對風機葉片角度進行調節，因此原先的控制系統就顯得十分繁瑣，這樣造成風機系統運行效率低下，電能浪費驚人，運行狀況差，增加了維修工作量，因此，需要對一礦南翼主扇風機的電控系統進行升級改造，通過變頻器調節風葉轉速的方式來控制主扇的風量、風壓，以滿足礦井生產的實際需要，達到降低能耗，減少維修工作量的目的，使南翼主扇風機能更好地服務于井下生產，創造企業經濟效益。

1 項目目標

1.1 方案選擇

為了選擇合理的節能方案，我們調研和計算了不同風量調節方式的功率消耗情況，如圖1 所示：

圖1 不同風量調節方法功率消耗曲線圖

由上圖可見，變頻調速法在現有的幾種風量調節方法中是最理想、最有效、最節能的調節方法，而南翼主扇現在使用的調整風葉角度法，功率消耗僅次于擋板法，節能空間較大。

1.2 效益測算

應用高壓變頻調速系統，可以大大提高電機轉速的控制精度，使電機在最節能的轉速下運行。根據流體力學原理，軸功率與轉速的三次方成正比。當所需風量減少，風機轉速降低時，其功率按轉速的三次方下降。因此，精確調速的節電效果非常可觀。

2 關鍵技術

礦井主通風機采用高壓變頻調速裝置控制可以實現礦井風量有序供給和自動控制。設計中應考慮以下主要因素：

2.1 安全可靠性

1）根據主通風機的電氣參數確定最佳的S 形加速曲線，而且還要考慮到變頻器偶然性故障，具有旁路應急工頻運行方式。

2）按礦井所需風量和風壓的大小，預先調整主通風機葉片的角度，而后根據主通風機的特性曲線選定最佳運行工況點和電機最佳轉速，最后確定變頻器的運行頻率，使主通風機始終處于良好的運轉狀態。

3）主通風機須定期輪換運行，以便按周期保養維護。為保證倒機前后井下風量相同，兩臺主通風機的運行參數應調整一致。

4）按《煤礦安全規程》規定，礦井每年要進行反風演習，以保證井下發生災害時，主通風機能及時可靠地反轉，滿足井下所需的反風量。變頻器在設置頻率時，須考慮到變頻器負頻率的設定范圍。不需要按傳統的反風方式-調整風葉角度或用斷路器切換相序實現電動機反轉，只需通過人機界面將運行頻率設定到負頻率值，使主通風機先減速到零，然后轉到負頻率轉速，即可實現主通風機反風，這樣既簡化了操作程序，又提高了反風的安全性、準確性、及時性。

2.2 消除諧波污染

變頻調速裝置是一種高性價比的電氣傳動系統，變頻器的三相輸出電壓波形為SPWM 波，在異步電動機的定子電流中含有高次諧波成分，高次諧波會增加電動機的損耗使電動機效率降低、功率因數減小及降低電動機的使用壽命，因此，在選用變頻器時，要注意盡量選擇含高次諧波分量小的產品。

2.3 變頻調速控制應當與礦井安全監測系統聯網

應把變頻器的控制系統與瓦斯監測系統聯網，當井下采掘工作面瓦斯突然涌出量較大時，通過瓦斯監測系統自動調整變頻器的工作頻率，提高主通風機轉速，及時沖淡瓦斯濃度，保證礦井安全生產。

3 高壓變頻調速控制系統的改造方案

3.1 供電系統設計

變頻系統的供電電源分為動力供電和控制系統供電兩部分。動力供電均來自不同的動力開關柜，兩路電源均引自不同的母線段，保證動力供電的可靠性、連續性；控制電源均由不同母線段高壓柜內的降壓變壓器供電。

3.2 實現變頻、工頻兩種方式可靠切換

正常情況下變頻系統根據礦井所需風量，適時調整主通風機電機轉速，滿足礦井井下風量需求，當高壓變頻調速裝置發生故障時，可由變頻運行方式自動切換至工頻應急方式供電，保證主通風機設備運行安全可靠。

3.3 實現遠程監控

通過本地操作界面實現變頻系統所有的運行控制、參數修改、狀態顯示和故障查詢等功能，并通過變頻系統的接口，連接到遠程工控機可實現相同的功能。

3.4 變頻器容量的選擇

按變頻器所驅動的通風機電機的最大功率，并留有一定裕量，即Se=KiPmax/cosφ。

式中：Se為所選變頻器的容量，kVA；Ki為富裕系數，取1.1～1.4；Pmax為主通風機電動機的最大功率,kW；cosφ 為電動機的功率因數

陽煤一礦南翼主扇為對旋軸流式通風機，主電機為雙電機拖動式通風機，負載性質屬于典型的輕載啟動。主通風機電控方式采用高壓變頻器是最佳的，通過對市場上的高壓變頻器選型，最終選擇由新風光電子科技股份有限公司生產的JD-BP37-560F型交流電動機高壓變頻器，此變頻器額定功率為560 kW，可滿足南翼主扇2×220 kW 雙電機拖動對旋軸流式通風機的實際需要。

4 高壓變頻調速系統的結構原理

4.1 高壓變頻器的結構原理（如圖2 所示）

圖2 高壓變頻器主回路圖

高壓變頻調速系統是由移相變壓器、功率單元和控制器組成，有15 個功率單元，每5 個功率單元串聯構成一組，為基本的交-直-交單相逆變電路。

4.2 功率單元的工作原理

功率單元的整流側為六支二極管實現三相全波整流，通過對IGBT 逆變橋進行正弦PWM 控制，每個功率單元完全一樣，可以互換，這不但調試、維修方便，而且備份也十分經濟，假如某一單元發生故障，該單元的輸出端能自動通過軟件控制IGBT 的兩個上橋導通實現旁路故障單元而整機可以降額工作，而不影響運行。功率單元原理圖如圖3 所示。

每個功率單元都承受全部的電機電流、1/5 的相電壓、1/15 的輸出功率。15 個單元在變壓器上都有自己獨立的三相輸入繞組。輸出側由每個單元的U、V 輸出端子相互串接而成星型接法給電機供電，通過對每個單元的PWM 波形進行重組，得到階PWM波形。這種波形正弦度好，dV/dt 小，可減少對電纜和電機的絕緣損壞，同時，電機的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機械振動，減小了軸承和葉片的機械應力。

圖3 功率單元原理圖

控制器核心由高速32 位DSP 和一體化人機界面協同運算來實現，精心設計的算法可以保證電機達到最優的運行性能。提供友好的全中文監控和操作界面，同時可以實現外控監控和網絡化控制。PLC控制器用于柜體內開關信號的邏輯處理，以及與現場各種操作信號和狀態信號的協調，增強了系統的靈活性。

控制器及各單元控制板采用32 位DSP、大規模集成電路和表面焊接技術，系統具有極高的可靠性。

另外，控制器與功率單元之間采用多通道光纖通訊技術，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統具有極高的安全性，同時具有很好的抗電磁干擾性能。

5 應用效果分析

2018 年12 月，陽煤一礦南翼主扇高壓變頻調速裝置投入使用，運行6 個月來，運行效率明顯提升，大大提升了礦井通風系統的安全性、穩定性和可靠性，同時，帶來的經濟效益和社會效益也相當可觀。

1）風機啟動時頻率低、轉速低，電流小且平穩，實現軟啟動。避免了原先用工頻啟動時的大電流大轉矩對電機、電纜、開關及機械設備的不利沖擊，不僅延長了電機等設備的使用壽命，也減輕了軸承的磨損，提高了設備的安全性和可靠性。

2）節電效果顯著。改造前風機運行效率低，在60%以下，采用高壓變頻調速裝置后，風機效率提高到85%以上，年節電 47.3 萬kWh，按 0.5 元 /kWh 計算，每年可節省用電費用23.65 萬元。

3）高可靠性、易操作。高壓變頻器柜的觸摸屏，采用中文界面，便于掌控運行狀態，風機可以根據礦井通風需要隨時調速運行，徹底減少了人工調整風葉角度帶來的工作量，使風機始終運行在高效區。風機調節風量時，不需要再調整葉片角度，減少了人工調整風葉角度的工作量，同時，還可以實現風機的遠程聯網控制，實現無人操作。同時，中文易識別，有利于故障排除快速排除。

4）減少了對電網的沖擊。采用變頻調節后，系統實現軟啟動，電機啟動電流不超過額定電流，啟動時間相應延長，對電網無沖擊，延長了電機及風機的使用壽命。

5）維護量減少。采用高壓變頻調速系統后，風機的振動、噪音和溫度明顯降低，不僅有效延長了密封、軸承的使用壽命，而且也延長了通風機的檢修周期，減少了檢修維護量，節約了大量維護費用。