煤礦主通風機改造中高壓變頻器的應用

周永杰

（山西焦煤集團有限責任公司東曲煤礦機電科外維一隊，山西 古交 030200）

引言

在國家相關政策的積極引導下，煤礦企業也越來越重視礦用高能耗設備的節能技改。在礦用大型機電設備中主通風設備功率較大，一般情況下24 h不停運轉，該設備節能技改必將為其余高能耗設備改造提供成功經驗，并使煤礦生產高能耗問題得到一定程度緩解。

1 設備運行情況

某煤礦以南陽防爆集團所生產的BDK68-10-NO26 型防爆對旋式軸流通風機為主通風機，該設備額定功率2×160 kW，負壓3 075～120 Pa，風量60～150 m3/s，額定轉速590 r/min，額定電壓6 000 V，額定電流2×22 A，絕緣等級達到F 級。該煤礦兩臺風機互為備用，在單臺風機運行工況下月耗電量至少16×104kWh。為響應節能降耗的生產要求，該煤礦決定進行變頻技術改造：風量既定的基礎上變頻設備能使主通風機電能能耗降低至少20%，并能使原設備運行的穩定性和安全性顯著提升，維護量大大減少；變頻設備在不改變原用電設備操作習慣的基礎上，可大大簡化操作過程，且變頻設備容量包括一定的富裕值設定[1]。

2 改造方案

經過多方論證，該煤礦決定改用功率單元串聯的多電平型高壓變頻器，并通過井下負壓連續控制主通風機風量，1 臺變頻器能同時拖動2 臺對旋風機電機，以達到節能降耗的目的。

2.1 風量調節及調速方式

煤礦井下生產對通風網絡特性和風量有較高要求，必須進行風機工況的實時調整，某煤礦原通風系統主要依靠葉片安裝角度改變及節流進行風量調節，這種調節方式很容易造成能源浪費，葉輪葉片安裝角度的調整既會引起通風設備停機，又會導致風機效率發生改變。《煤礦安全規程》對井下通風量有具體規定，并要求操作人員根據對井下負壓值的判斷進行風量調節[2]，這種做法不改變風機運行效率，也無須停機，便能使風機處于高效運行狀態。

與液力耦合裝置調速及串級調速等方式不同，變頻調速方式主要借助高壓變頻器使電源頻率改變以調節三相異步電機轉速，設備自身能耗低、壽命長，調速范圍不受限；變頻調速器造價較高，但隨著高壓變頻技術的推廣應用，其購置費用呈下降趨勢。

2.2 高壓變頻器選擇

考慮到當前電力電子器件耐壓性不良，每臺高壓變頻器在生產過程中都要使用大量電力電子器件，此類器件組合形式較多，所對應的高壓變頻器類型也有多種，如高-低-高變頻方式、三電平電壓型高壓變頻方式、功率單元串聯式多電平高壓變頻方式等。功率單元串聯式多電平高壓變頻方式高壓變頻輸出主要通過低壓器件完成，無須進行器件之間的串聯，輸入輸出諧波小，技術成熟穩定，該煤礦主通風機改造中主要采用此種高壓變頻器產品。

2.3 控制方式選擇

該煤礦主通風機節能技改過程中必須在確保風機性能穩定的基礎上考慮成本，借鑒相關經驗，變頻器和電機一對一控制方式與一拖二控制方式工效、性能基本相同，但前者造價比后者大約高出50%，若將備用對旋風機全部配齊，造價將翻升一倍。為此，該煤礦主通風機節能技改過程中，選擇1 臺變頻器同時拖動2 臺對旋風機電機的一拖二控制方式。

3 高壓變頻器的應用

3.1 高壓變頻設備

通過以上對煤礦主通風機改造中多方面的比較，某煤礦最終決定采用國產HYVERT-Y06/048 型高壓變頻器進行主通風機改造，該型號高壓變頻器容量為500 kVA，額定輸入頻率0～50 Hz，額定輸入電壓6.0 kV±0.2×6.0 kV，額定輸出頻率-50～50 Hz，60 s 過載能力120%，且其性能全部符合《電源系統諧波控制推薦規程及要求》（IEEE 519—1992）及《電能質量共用電網諧波》（GB/T14549—1993）要求[3]。

某煤礦所選用的高壓變頻器采用高-高變頻方式，其主體結構所包括的功率模塊通過并聯方式連接，其調速范圍在設計值的20%～100%時，在原有功率因數補償情況下，變頻器輸入段功率因數至少為0.97，能有效降低無功輸入，減小供電容量。所采用的變頻系統適應電網電壓波動能力較強，并能在電網電壓下降30%后仍正常運行；變頻系統按照國家相關標準提供過（欠）電壓、過電流、短路及失速、電機及變頻器過載、瞬時停電、元器件過熱等方面的保護以及故障報警。其電路控制系統主要由斷路器QF、高壓變頻器、自動切換柜QS 和KM、電動機M組成，具體見圖1。其中，高壓變頻器合閘信號和高壓開關合閘回路串聯，如遇變頻器故障，則高壓開關合閘閉鎖；高壓變頻器分斷信號則與高壓開關分閘回路并聯，變頻器發生故障后分閘、高壓輸入。高壓開關柜主要起到向變頻器饋電以及向其提供過載、過電壓、速斷保護等功能的作用，根據變頻器額定值進行高壓開關柜整定值確定。高壓變頻器電路控制系統中KM1和KM3電氣之間、KM1與KM4電氣之間、KM2與KM3之間及KM2與KM4之間均為互相閉鎖關系；其中控制一臺電機的真空接觸器與高壓斷路器僅允許閉合其中1 個；僅拖動1 臺對旋通風機變頻運行時，M1正向轉動M2反向轉動，此時應將QF1、QF2斷開，并閉合QS1、QS2、KM1、KM2、QF；如遇變頻器故障，則另一臺對旋式風機啟動，QF、KM1、KM2、QS1、QS2將斷開，QF3、QF4、KM3、KM4將閉合。

圖1 高壓變頻器電氣控制電路圖

3.2 設備運行效果

某煤礦高壓變頻器于2021 年初安裝完成并投運，變頻器為中文顯示界面，觸屏操作，便于各種運行數據的存儲、查詢和共享；設備操作簡單，可同時起動兩級風機，并能在1～3 min 內達到最高運行速度和所需最大風量，安全性與效率性有保證；反風操作也較原風機簡單可靠，在8～10 min 內便能滿足煤礦生產對反風方面的要求。根據對該煤礦高壓變頻器數月以來運行數據的統計分析，其電能節約量可達到20 585 kWh/d，且高壓變頻器自投運以來性能十分穩定，實測變頻器網側功率因數達0.977，滿載工況下網側電流諧波容量均在3%以下，輸出電流諧波則不超過4%，均符合國家相關節能降耗標準。