1 引言

　　隨著我國經濟的發展，各行各業對煤炭的需求量也越來越大，各大型煤炭企業紛紛開辟新的礦井來擴大規模，并且利用各種先進技術以降低生產成本，因此變頻器在煤炭行業的需求也就越來越大。

　　主扇風機是煤礦通風系統中最重要的設備，它可以說是每一個井下工作人員的呼吸要道，因此它也是煤礦安全生產中最重要的一個環節。長期以來，礦井主扇風機的功率都比較大，而且一天24h不間斷運行，礦井所需的風量都是通過調節風門擋板或葉片角度來實現，根據反風及開采后期運行工況要求，所設計的通風機及拖動的電動機的功率，通常遠大于煤礦正常生產所需的運行功率。風機設計的余量特別大，在相當長的時間內風機一直處在較輕負載下運行，因此，煤礦通風系統中存在著極為嚴重的大馬拉小車現象，能源浪費非常突出。

2 現場情況簡介

　　崔莊煤礦位于山東省濟寧市微山縣，其主扇風機擔負著整個礦井的通風任務，要求安全穩定性極高，因為風機一旦停機，短時間內就將造成全礦無法正常生產，其控制方式采用調節風門開度的大小來調整風量，這樣，不論生產的需求大小，風機都要全速運轉，而運行工況的變化則使得能量以風門節流損失消耗掉了。不僅控制精度受到限制，而且還造成大量的能源浪費和設備損耗，從而導致生產成本增加，設備使用壽命縮短，設備維護、維修費用高居不下，針對這種情況，礦領導經過論證，最后決定選用山東新風光電子科技發展有限公司生產的jd-bp37系列的高壓變頻調速器，對主扇風機進行調速節能改造。

3 風光高壓變頻器的突出特點

　　（1）采用高速dsp（tms320f2812）作為中央處理器，運算速度更快，讓控制更精準，系統升級更方便。

　　（2）飛車啟動功能：能夠識別電機的速度并在電機不停轉的情況下直接起動。

　　（3）瞬間掉電再啟動功能：運行過程中高壓瞬時掉電3s內恢復，高壓變頻器不停機，高壓恢復后變頻器自動運行到掉電前的頻率。

　　（4）線電壓自動均衡技術（采用中性點漂移技術）：變頻器某相有單元故障后，為了使線電壓平衡，傳統的處理方法是將另外兩相的電壓也降至與故障相相同的電壓，而線電壓自動均衡技術通過調整相與相之間的夾角，在相電壓輸出最大且不相等的前提下保證最大的線電壓均衡輸出。

　　（5）單元內電解電容因采取了公司專利技術（專利號zl 2003 20107356.2），可以將其使用壽命提高一倍；高壓提升機產品采用了更長壽命的電力電容。

　　（6）運行過程中外部頻率給定信號出現故障（短路或開路），整機維持故障前的運行頻率不變，并能給出報警信號。

　　（7）單元串聯多重化結構，模塊化設計。這樣igbt承受電壓較低，可以有較寬的過壓范圍（≥1.15ue），設備可靠性更高。

　　（8）具有雙路ac控制電源，一路為干式變壓器變壓以后的ac電源，一路為外部控制電源，這樣在調試過程中，無需加入高壓主電，就可以檢測輸出波形的正常與否。對于在現場安裝調試以及人員培訓很方便，同時也大大提高了培訓和運行的安全性。

4 現場設備技術參數

　　電動機參數如附表所示。

　　附表 電動機參數

　　風機類型：軸流風機。

　　設備布置采用抽出式通風方式，配備反風道反風，扇風機與電動機設于主機房內，主機房為雙層工業廠房，風道為半地下式。吸風側設兩個立閘門，兩個水平反風門，擴散器側兩個水平反風門，每個風門各用1臺風門絞車進行操縱，風門絞車采用就地操作。

　　傳動方式：直接傳動。

　　調節方式：手動操作風門絞車控制立閘門（改變管路阻力特性曲線）。

5 變頻改造前存在的問題

　　（1）原工礦使用的是繞線式異步電機轉子串電阻啟動方式，啟動為有級啟動，啟動時有沖擊、不穩定，造成了大的機械沖擊，導致電機壽命大大降低；

　　（2）轉子串電阻啟動時，控制系統復雜，故障率高，接觸器、電阻器、繞線電機電刷容易損壞，維護工作量大；

　　（3）啟動時電流過大，對電網沖擊很大，影響電網的穩定性；

　　（4）主扇風機設計上余量大，主扇風機一直處在較輕負載下運行，由于采用檔板調節，因此造成能源浪費，增加了生產成本；

　　（5）自動化程度低，影響整體系統安全性。

6 變頻控制方案

　　為了滿足安全生產，選用一套6kv變頻器，通過切換，可以在變頻器故障狀態下，切換到工頻狀態運行，其主回路如圖1所示。

　　qs1、qs2、qs3為三臺高壓隔離閘刀，qs1、qs3處于變頻運行回路上，km1、km2為變頻上電瞬間實現限流電阻切換時所用，k10為用戶工、變頻轉換改造時對轉子回路加一個轉換開關。變頻運行時，qs1、qs3閉合，qs2斷開，k10打到變頻位置；變頻上電后，通過內部程序km2會自動吸合將限流電阻引入主回路以消除大電流沖擊，上電3s后，km1吸合，km2斷開變頻可以投入運行。工頻運行時，qs1、qs3斷開，qs2閉合，k10打到工頻位置，實現原來的串電阻啟動方式。

　　這是高壓變頻器工變頻手動切換的典型應用，qs1、qs2、qs3不能同時閉合，這三個閘刀在機械和電氣上都實現了互鎖。

　　另外，為了安全，變頻故障信號和上一級的高壓開關柜也實現互鎖，實現高壓故障連跳功能。

　　風光高壓變頻器采用功率單元串聯多電平結構，由控制柜、變壓器柜、單元柜和開關柜組成。

　　每個功率單元結構上完全一致，可以互換，為基本的交-直-交單相逆變電路，整流側為二極管三相全橋，通過對igbt逆變橋進行正弦pwm控制，其電路結構見圖2所示。

　　高質量電源輸入：輸入側隔離變壓器二次線圈經過移相，為功率單元提供電源，對于6kv而言，每相有5個功率單元串聯，相當于30脈沖不可控整流輸入，消除了大部分由單個功率單元所引起的諧波電流，大大抑制了網側諧波（尤其是低次諧波）的產生。變頻器引起的電網諧波電壓和諧波電流含量滿足ieee519-1992和gb/t14549-93《電能質量公用電網諧波》標準對諧波含量的最嚴格要求，無需安裝輸入濾波器并保護周邊設備免受諧波干擾。正常調速范圍內功率因數大于0.96。無需功率因數補償電容，減少無功輸入，降低供電容量。

　　完美的輸出性能：單元脈寬調制疊波輸出， 6kv系列每相5個單元，大大削弱了輸出諧波含量，輸出波形接近完美的正弦波，其輸出波形如圖3所示。

7 現場應用情況

　　崔莊礦選用型號jd-bp37-400f風光變頻器，于2008年10月20日開始安裝調試，2008年10月25日一次性投運成功。變頻運行后，風門全部打開，運行頻率43hz，運行電流24a，負壓1700pa，不僅完全滿足煤礦生產工藝要求，而且用戶操作非常方便。變頻器運行非常穩定。

8 節能計算

　　按工頻和變頻運行實際電流計算，計算數據取2008年技術測定：

　　工頻運行時，風門開度為2m左右，運行電流在43a。

　　工頻運行時功率和一天耗電量：

　　p1=1.732×6×43×0.77=344.08kw

　　n1=344.08×24=8257.90kw·h。

　　變頻器運行時，風門全開，運行電流在24a，由變頻器調節風機速度來滿足風量要求。

　　變頻運行時功率和一天耗電量：

　　p2=1.732×6×24×0.958=238.93kw

　　n2=238.93×24=5734.32kw·h。

　　節電率：

　　（n1-n2）/n1=（8257.90-5734.32）/8257.90=30%。

　　節約電費計算：

　　以該礦電價0.6元/ kw·h計算，工頻24h耗電費：

　　8257.90×0.6=4954.74元。

　　變頻24h耗電費：

　　5734.32×0.6=3440.59元。

　　變頻改造后，日節約電費：

　　4954.74-3440.59=1514.15元。

　　一年以300天為標準計算，年節約電費：

　　1514.15×300=454244.4元。

9 其他效益

　　（1）實現電機軟啟動，減小啟動沖擊，降低維護費用，延長設備使用壽命；

　　（2）系統安全、可靠，具有變頻故障轉工頻功能，確保風機連續運行；

　　（3）控制方便、靈活，自動化水平高；

　　（4）輸入諧波含量小，不對電網造成污染；輸出諧波含量低，適合所有改造項目的普通異步電動機；

　　（5）界面全為純中文操作，非常符合國人特點；

　　（6）安全保護功能齊全，除了過壓、過熱、過載、短路等自身保護功能外，還設有外圍連鎖保護系統，提高了系統的安全穩定性；

　　（7）能采集各臺扇風機運行的工藝參數、電器參數、電氣設備運行的狀況。

　　主扇風機可由plc進行控制，嚴格按控制程序進行控制，并對扇風機正常切換和故障切換進行控制和操作指導，且在控制柜實現硬件閉鎖控制。

　　在控制站顯示扇風系統工藝參數表、電氣參數、設備運行狀態（工作、停止、故障）以及報警參數表等。

　　自動建立數據庫，對于重要的工藝參數、電氣參數自動生成趨勢曲線。

　　當運行風機發生故障時，利用運行記錄的曲線對故障進行分析和處理。

　　在條件具備時，可實現遠控，達到“無人值守”。

10 結束語

　　崔莊煤礦主扇風機經過變頻改造之后，不僅達到了良好的節能效果，并且使整套通風系統的穩定性提高了一個大臺階。隨著國家對節能減排工作的越來越重視，煤礦企業通過各種措施降低生產成本，其中變頻技術起到了關鍵作用，取得了明顯的經濟效益和社會效益，適應了國家建設資源節約型社會的潮流。