國產(chǎn)高壓變頻器在煤礦主扇風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用

3 礦用主扇通風(fēng)機(jī)調(diào)速方案選擇
3.1 煤礦主扇風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)方法
在煤礦生產(chǎn)中，所需風(fēng)量風(fēng)壓在不同階段有不同的要求，為滿足生產(chǎn)要求，煤礦風(fēng)機(jī)通常采用以下幾種方法調(diào)節(jié)：
（1）閘門調(diào)節(jié)；
（2）改變通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速；
（3）改變前導(dǎo)器葉片角度；
（4）軸流式通風(fēng)機(jī)改變動葉安裝角；
（5）離心式通風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)尾翼擺角；
（6）軸流式通風(fēng)機(jī)改變動葉數(shù)目；
（7）軸流式通風(fēng)機(jī)改變靜葉角度。
其中以閘門調(diào)節(jié)效率最差，它是人為的改變阻力曲線，增加風(fēng)阻，越調(diào)節(jié)性能就越惡化；前導(dǎo)器調(diào)節(jié)和尾翼擺角調(diào)節(jié)效率比閘門調(diào)節(jié)高；改變動葉安裝角和動葉數(shù)目，可改變風(fēng)機(jī)的特性曲線，使風(fēng)機(jī)在較大范圍內(nèi)以較高的效率運(yùn)行，以達(dá)到節(jié)能降耗的目的。改變通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使其在最佳工況點(diǎn)運(yùn)行，使風(fēng)機(jī)在最大的范圍內(nèi)以最高的效率運(yùn)行，節(jié)能效果最好。
烏蘭礦南二主扇風(fēng)機(jī)為兩臺對旋式軸流通風(fēng)機(jī)，一用一備。軸流式通風(fēng)機(jī)的一般性能曲線如圖1所示：

其中壓力曲線有駝峰，工況點(diǎn)如在駝峰右側(cè)區(qū)域時，通風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)是穩(wěn)定的；工況點(diǎn)如在駝峰左側(cè)區(qū)域，通風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)就很難穩(wěn)定，此時風(fēng)壓、流量發(fā)生波動，當(dāng)工況點(diǎn)移至左下部時，流量、風(fēng)壓有激烈脈動，并引起整個風(fēng)機(jī)裝置強(qiáng)烈振動，稱這種現(xiàn)象為喘振。喘振可能使風(fēng)機(jī)裝置遭到破壞，因此通風(fēng)機(jī)不允許在喘振狀態(tài)下運(yùn)行。為了避免風(fēng)機(jī)在小流量時發(fā)生喘振現(xiàn)象，對風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻改造是首選方案，并且當(dāng)風(fēng)機(jī)速度變化不超過20%，效率基本無變化，使用變頻調(diào)速后就可以使風(fēng)機(jī)在小流量段高效運(yùn)行，不僅不會使風(fēng)機(jī)喘振，還擴(kuò)大了風(fēng)機(jī)高效運(yùn)行的工作范圍，由于風(fēng)機(jī)在投運(yùn)的初始階段所需風(fēng)量相對風(fēng)機(jī)風(fēng)量都比較小，甚至小很多，因此在風(fēng)機(jī)投運(yùn)的初始階段采用變頻調(diào)速就顯得尤為重要。
該礦原來的主扇風(fēng)機(jī)采用工頻運(yùn)行，在運(yùn)行中一般采用改變導(dǎo)葉角度和改變檔板角度調(diào)節(jié)通風(fēng)量，因此通風(fēng)效率較低，造成能源浪費(fèi)，增加了生產(chǎn)成本。又由于主扇風(fēng)機(jī)設(shè)計的余量特別大，在相當(dāng)長的時間主扇風(fēng)機(jī)一直處在較輕負(fù)載下運(yùn)行，能源浪費(fèi)更加突出。
當(dāng)主扇風(fēng)機(jī)采用電抗器啟動時，由于電網(wǎng)容量有限，故主扇風(fēng)機(jī)起動時只能先起動一級風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)起動正常后再起動另一級風(fēng)機(jī)，起動時間長，啟動電流大，對電動機(jī)的絕緣有著較大的威脅，嚴(yán)重時甚至燒毀電動機(jī)。而高壓電動機(jī)在啟動過程中所產(chǎn)生的單軸轉(zhuǎn)矩現(xiàn)象使風(fēng)機(jī)產(chǎn)生較大的機(jī)械振動應(yīng)力，嚴(yán)重影響到電動機(jī)、風(fēng)機(jī)及其它機(jī)械的使用壽命。
綜合以上幾點(diǎn)，為了礦井的安全生產(chǎn)、降低生產(chǎn)成本和減小對風(fēng)機(jī)的沖擊，南二主扇風(fēng)機(jī)采用調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速方法最佳方案。
3.2 以往采用的調(diào)速方式
至上世紀(jì)末，高壓電機(jī)要實(shí)現(xiàn)調(diào)速，主要采用以下三種方式：
（1）液力耦合器方式。即在電機(jī)和負(fù)載之間串入一個液力耦合裝置，通過液面的高低調(diào)節(jié)電機(jī)和負(fù)載之間耦合力的大小，實(shí)現(xiàn)負(fù)載的速度調(diào)節(jié)。這種調(diào)速方法實(shí)質(zhì)上是轉(zhuǎn)差功率消耗型的做法，其主要缺點(diǎn)是隨著轉(zhuǎn)速下降效率越來越低、維護(hù)工作量大。
（2）串級調(diào)速。串級調(diào)速必須采用繞線式異步電動機(jī)，將轉(zhuǎn)子繞組的一部分能量通過整流、逆變再送回到電網(wǎng)，而現(xiàn)在工業(yè)現(xiàn)場幾乎都采用鼠籠式異步電動機(jī)，更換電機(jī)非常麻煩。這種調(diào)速方式的調(diào)速范圍一般在70%-95%左右，調(diào)速范圍窄。容易造成對電網(wǎng)的諧波污染，功率因數(shù)低；串級調(diào)速電機(jī)受轉(zhuǎn)子滑環(huán)的影響，不能做到很大功率，滑環(huán)維護(hù)工作量大，屬于落后技術(shù)。
（3）高—低變頻方式
變頻器為低壓變頻器，采用輸入降壓變壓器，先把電網(wǎng)電壓降低，然后采用一臺低壓變頻器實(shí)現(xiàn)變頻；對于電機(jī)，則有兩種辦法，一種辦法是采用低壓電機(jī)；另一種辦法，則是仍采用原來的高壓電機(jī)，需要在變頻器和電機(jī)之間增加一臺升壓變壓器，即高—低—高變頻方式。這是當(dāng)時高壓變頻技術(shù)未成熟時的一種過渡技術(shù)。這種做法由于采用低壓變頻器，容量也比較小，對電網(wǎng)側(cè)的諧波較大。
通過對以上高壓電機(jī)調(diào)速方式比較，寧夏煤業(yè)集團(tuán)烏蘭礦決定采用高壓變頻器對主扇通風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造。
經(jīng)過多方比較性價比，通過招標(biāo)方式，選用了山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的jd-bp37-560f型高壓變頻器，一拖一控制，共計4臺高壓變頻器。改造取得了成功。現(xiàn)對改造作一介紹。

4 山東新風(fēng)光電子jd-bp37-560f高壓變頻器
4.1 jd-bp37-560f高壓變頻器的主要性能指標(biāo)
變頻器功率： 560kw；
輸入頻率： 50hz；
輸入電壓： 6.0kv±20%；
輸出電壓: 三相正弦波電壓0～6kv；
輸出頻率: 0-60hz；
頻率分辨率: 0.01hz；
加速時間: 可按工藝要求設(shè)定；
減速時間: 可按工藝要求設(shè)定；
故障診斷及檢測: 自動檢測,自動定位；
網(wǎng)側(cè)功率因數(shù): 0.95(高速時);
過載保護(hù): 150%1min；
防護(hù)等級: ip20；
環(huán)境濕度: 90%,無凝結(jié)。
4.2 性能特點(diǎn)
（1）高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用直接“高—高”變換形式，為單元串聯(lián)多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)有多組功率模塊并聯(lián)而成。
（2）變頻裝置控制采用led鍵盤控制和人機(jī)界面控制兩種控制方式，兩種方式互為備用，兩種方式從就地界面上可以進(jìn)行增、減負(fù)荷，開停機(jī)等操作。裝置保留至少一年的故障記錄。
（3）變頻器能提供兩種通訊功能：標(biāo)準(zhǔn)的rs-485和有觸摸屏處理器擴(kuò)展的通訊接口。
（4）在20～100%的調(diào)速范圍內(nèi)，變頻系統(tǒng)在不加任何功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)那闆r下，本機(jī)輸入端功率因數(shù)達(dá)到0.95。
（5）變頻裝置對輸出電纜的長度無任何要求，變頻裝置保護(hù)電機(jī)不受共模電壓及dv/dt應(yīng)力的影響。
（6）變頻裝置輸出電流諧波不大于2%，符合ieee 519 1992及我國供電部門對電壓失真最嚴(yán)格的要求，高于國標(biāo)gb14549-93對諧波失真的要求。變頻裝置輸出波形不會引起電機(jī)的諧振，轉(zhuǎn)矩脈動小于0.1%。變頻器可自動跳過共振點(diǎn)。
（7）變頻裝置對電網(wǎng)反饋的電流諧波不大于4%，符合ieee 519 1992及我國供電部門對電壓失真最嚴(yán)格的要求，高于國標(biāo)gb14549-93對諧波失真的要求。
（8）變頻裝置對電網(wǎng)電壓的波動有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，在-10%～+10%電網(wǎng)電壓波動時必須滿載輸出，可以承受30%的電網(wǎng)電壓下降而降額繼續(xù)運(yùn)行，能滿足煤礦的電壓大幅波動的要求。
（9）變頻裝置設(shè)以下保護(hù)：過電壓、過電流、欠電壓、缺相保護(hù)、短路保護(hù)、失速保護(hù)、變頻器過載、電機(jī)過載保護(hù)、半導(dǎo)體器件的過熱保護(hù)、瞬時停電保護(hù)等，聯(lián)跳至輸入側(cè)6kv開關(guān)。保護(hù)的性能符合國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。并提供故障、斷電、停機(jī)等報警。
（10）變頻裝置帶故障自診斷功能，對所發(fā)生的故障類型及故障位置提供中文指示，就地顯示并遠(yuǎn)方報警，便于運(yùn)行人員和檢修人員辨別和解決所出現(xiàn)的問題。變頻裝置有對環(huán)境溫度的監(jiān)控，當(dāng)溫度超過變頻器允許的環(huán)境溫度時，變頻器提供報警。
（11）系統(tǒng)可在電子噪聲，射頻干擾及振動的環(huán)境中連續(xù)運(yùn)行，能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)對電磁兼容的規(guī)定。

5 變頻改造主回路接線
變頻裝置與主扇風(fēng)機(jī)的連接方式如圖2所示。以其中一臺主扇風(fēng)機(jī)變頻器接線為例，6kv電源經(jīng)變頻裝置輸入刀閘k1到高壓變頻裝置，變頻裝置輸出經(jīng)出線刀閘k2送至電動機(jī)；6kv電源還可以經(jīng)旁路刀閘k3后由km直接起動電動機(jī)。進(jìn)出線刀閘（k1、k2）和旁路刀閘（k3）的作用是：一旦變頻裝置出現(xiàn)故障，即可馬上斷開進(jìn)出線刀閘，將變頻裝置隔離，手動合旁路刀閘，在工頻電源下起動電機(jī)運(yùn)行。虛線框內(nèi)為手動旁路開關(guān)柜。

圖2 主扇風(fēng)機(jī)變頻主回路圖

6 高壓變頻器如何在風(fēng)機(jī)的高效區(qū)進(jìn)行調(diào)速
（1）根據(jù)礦井生產(chǎn)實(shí)際情況，用戶提出礦井近期（或初期）所需的風(fēng)量、負(fù)壓。
（2）根據(jù)當(dāng)前風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況，作出目前及后期礦井通風(fēng)網(wǎng)路阻力曲線，求出較準(zhǔn)確的礦井通風(fēng)網(wǎng)路阻力系統(tǒng)及網(wǎng)組曲線方程。
（3）確定風(fēng)機(jī)直徑及轉(zhuǎn)速后，根據(jù)廠家提供的產(chǎn)品特性曲線，作出風(fēng)路阻力曲線，并根據(jù)風(fēng)機(jī)所需的風(fēng)量和負(fù)壓，找出前后期工況點(diǎn)，必須使工況點(diǎn)運(yùn)行在高效區(qū)，即系統(tǒng)效率在80%左右。如果工況點(diǎn)出現(xiàn)在低效區(qū)，可以調(diào)整風(fēng)機(jī)的的動葉角度使其處于高效區(qū)。風(fēng)機(jī)葉片安裝角度可以通過公式計算和作圖，按兩者相結(jié)合的方法確定；作風(fēng)路特性曲線找工況點(diǎn)，可以由圖查得平均角度，亦可通過計算求得。根據(jù)上述方法初算出的角度，對照礦井阻力曲線和風(fēng)機(jī)性能曲線作出的工況點(diǎn)，再確定葉片安裝角度。在實(shí)際應(yīng)用中,風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速大于50%的情況下,可以滿足用戶井下對風(fēng)量及負(fù)壓的要求,且風(fēng)機(jī)運(yùn)行在高效區(qū)。

7 變頻運(yùn)行情況
7.1 變頻器及其負(fù)載
變頻器為我公司生產(chǎn)的jd-bp37-560f風(fēng)機(jī)變頻器，主扇風(fēng)機(jī)為湘潭風(fēng)機(jī)廠生產(chǎn)的對旋式通風(fēng)機(jī)，參數(shù)如下：
型號：bd-ⅱ-10-no:32；
電動機(jī)額定功率：2×400kw；
靜壓：3800-800pa；
風(fēng)量：150-255m3/s；
反風(fēng)率：60%；
額定轉(zhuǎn)速：539 r/min；
電源頻率：50hz；
額定電壓：6000v；
額定電流：53.5a；
絕緣等級：f級；
變頻器于4月30日安裝完成，5月3日投入運(yùn)行。
7.2 變頻運(yùn)行
變頻投入運(yùn)行以來一直穩(wěn)定運(yùn)行，輸出頻率、電壓和電流穩(wěn)定，風(fēng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，變頻器網(wǎng)側(cè)實(shí)測功率因數(shù)為0.976，效率均高于96%，滿載時網(wǎng)側(cè)電流諧波總?cè)萘啃∮?SPAN lang=EN-US>3%，輸出電流諧波小于4%，均低于國家標(biāo)準(zhǔn)。風(fēng)機(jī)以低于額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，噪聲降低磨損減輕，減少了維護(hù)費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)效益良好。
7.3 變頻操作
變頻器顯示采用中文圖形界面，觸摸屏操作，生動直觀，變頻器的運(yùn)行狀態(tài)一目了然，各種運(yùn)行數(shù)據(jù)可在觸摸屏上查詢，便于操作人員及時了解變頻器的運(yùn)行情況。變頻器操作簡單，兩級風(fēng)機(jī)可以同時起動，可在3min之內(nèi)起動至高速，短時間內(nèi)達(dá)到所需風(fēng)量。由于烏蘭礦屬于高瓦斯礦井，主扇風(fēng)機(jī)停機(jī)10min就是重大事故，簡便的操作和短的起動時間確保了生產(chǎn)安全。并且反風(fēng)比以前操作簡單可靠，完全可滿足10min內(nèi)實(shí)現(xiàn)反風(fēng)的要求。
7.4 運(yùn)行數(shù)據(jù)
變頻器運(yùn)行數(shù)據(jù)如附表所示：
2006年5月16日，功率因數(shù)：0.976

附表 變頻器運(yùn)行數(shù)據(jù)