1引言

　　隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各行各業(yè)煤炭的需求量也越來越大，各大型煤炭企業(yè)紛紛開辟新的礦井來擴(kuò)大規(guī)模，并且利用各種技術(shù)降低生產(chǎn)成本，因此變頻器在煤炭行業(yè)的需求也就越來越大。

　　主扇風(fēng)機(jī)是煤礦通風(fēng)系統(tǒng)中最重要的一部分，它可以說是每一個(gè)井下工作人員的呼吸要道，因此它也是煤礦安全生產(chǎn)中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。長期以來，礦井主扇風(fēng)機(jī)的功率都比較大，而且一天24小時(shí)不間斷運(yùn)行，礦井所需的風(fēng)量都是通過調(diào)節(jié)風(fēng)門擋板或葉片角度來實(shí)現(xiàn)，根據(jù)反風(fēng)及開采后期運(yùn)行工況要求，所設(shè)計(jì)的通風(fēng)機(jī)及拖動(dòng)的電動(dòng)機(jī)的功率，通常遠(yuǎn)大于煤礦正常生產(chǎn)所需的運(yùn)行功率。風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)上余量特別大，在相當(dāng)長的時(shí)間風(fēng)機(jī)一直處在較輕負(fù)載下運(yùn)行，因此，煤礦通風(fēng)系統(tǒng)中存在著極為嚴(yán)重的大馬拉小車現(xiàn)象，能源浪費(fèi)非常突出。

　　2 用戶介紹

　　山西焦煤集團(tuán)正興煤業(yè)有限公司于2009年8月由山西焦煤集團(tuán)投資有限公司作為主體企業(yè)，重組整合偏關(guān)縣五座煤礦而成，下有九鑫礦、閆家溝礦兩座礦井。九鑫礦生產(chǎn)能力為120萬噸/年，其主扇風(fēng)機(jī)擔(dān)負(fù)著整個(gè)礦井的通風(fēng)任務(wù)，要求安全穩(wěn)定性極高，因?yàn)轱L(fēng)機(jī)一旦停機(jī)，短時(shí)間內(nèi)就將造成全礦無法正常生產(chǎn)，控制方式采用調(diào)節(jié)風(fēng)門開度的大小來調(diào)整風(fēng)量，這樣，不論生產(chǎn)的需求大小，風(fēng)機(jī)都要全速運(yùn)轉(zhuǎn)，而運(yùn)行工況的變化則使得能量以風(fēng)門節(jié)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(fèi)，從而導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加，設(shè)備使用壽命縮短，設(shè)備維護(hù)、維修費(fèi)用高居不下，針對(duì)這種情況，礦領(lǐng)導(dǎo)經(jīng)過論證，最后決定選用山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP34系列中壓變頻調(diào)速器4套對(duì)主扇風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制，改造取得了成功。

　　九鑫礦主扇風(fēng)機(jī)為兩臺(tái)，一用一備，現(xiàn)場1#、2#通風(fēng)機(jī)設(shè)備參數(shù)相同，下面表1、表2給出1#風(fēng)機(jī)基本參數(shù)。現(xiàn)場主扇風(fēng)機(jī)如圖1所示。

　　3 風(fēng)光牌JD-BP34-270F中壓三電平變頻器介紹

　　風(fēng)光牌JD-BP34-270F中壓三電平變頻器采用高速DSP和CPLD芯片作為主控器件，主電路采用三電平或稱中點(diǎn)箝位拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。友好人機(jī)界面可以設(shè)置各種參數(shù)及實(shí)時(shí)監(jiān)測運(yùn)行狀態(tài)。國內(nèi)第一個(gè)成功研制三電平變頻器的廠商，產(chǎn)品榮獲山東省科技進(jìn)步獎(jiǎng)。

　　3.1 產(chǎn)品性能特點(diǎn)

　　(1)主電路采用三電平或稱中點(diǎn)箝位拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不但能輸出較高電壓，而且能降低輸出電壓諧波成分和電壓變化率dv/dt，輸出波形良好。

　　(2)輸出端采用三相RLC低通濾波器，將變頻器輸出的三相SPWM波濾成正弦波，有利于保護(hù)電機(jī)。

　　(3)采用先進(jìn)的高速DSP和CPLD芯片作為主控器件，保證變頻器的穩(wěn)定運(yùn)行。易于操作的人機(jī)界面可實(shí)現(xiàn)各種參數(shù)的設(shè)置及運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控。

　　(4)不受電網(wǎng)波動(dòng)影響，電機(jī)側(cè)電壓穩(wěn)定。增加低頻啟動(dòng)電壓可以補(bǔ)償線路損耗，適應(yīng)遠(yuǎn)距離傳輸(最遠(yuǎn)達(dá)3000m以上)。

　　(5)保護(hù)功能齊全。設(shè)有過壓、欠壓、硬件過流、2倍過流、過載、欠載、溫升過高及失速等保護(hù)，并配有電機(jī)保護(hù)儀，變頻器一旦保護(hù)，會(huì)立即保存故障數(shù)據(jù)，便于查找分析，有效保護(hù)變頻器及電機(jī)。

　　(6)內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器，可開/閉環(huán)運(yùn)行。

　　3.2產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范

　　3.3風(fēng)光牌JD-BP34-270F中壓三電平變頻器有關(guān)設(shè)計(jì)

　　本文僅對(duì)該變頻系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)簡述如下，與380V級(jí)通用變頻器相同部分不再贅述。

　　(1)主電路與功率器件的選擇

　　在PWM電壓型380V級(jí)變頻器中，一般采用兩電平電路。若用兩電平電路實(shí)現(xiàn)1140V的輸出勢必要用昂貴的高壓管或采用低壓管串聯(lián)結(jié)構(gòu)，由于器件串聯(lián)動(dòng)態(tài)均壓問題不易解決，應(yīng)盡量避免。

　　本設(shè)計(jì)的整機(jī)方塊圖如圖2所示。

　　圖2 整機(jī)主回路

　　其中主電路部分采用三電平電路或稱中心點(diǎn)部位(NeturalPointClamped-Npc)方式，它不但能輸出較高電壓，而且能降低輸出諧波和電壓變化率(dv/dt)，良好的波形正是本設(shè)計(jì)的目標(biāo)之一。圖中的功率開關(guān)器件選用西門子的雙單元IGBT模塊(300A/1700V)，采用兩模塊并聯(lián)，整流橋采用300A/1600V雙單元，整流后由兩組大電容器相串聯(lián)組成濾波器，電解電容采用10000UF/400VDC，六串四并，如圖電容器的連接點(diǎn)即本電路的中心點(diǎn)(三電平的中間電平)。主回路可控硅延時(shí)導(dǎo)通，選用350A/1600V的模塊。

　　(2)載波頻率的選擇

　　提高載波頻率對(duì)改善波形、降低噪聲大有好處，可是載波頻率提高，會(huì)使開關(guān)損耗增加，所以選擇時(shí)必須權(quán)衡利弊，本設(shè)備中載波頻率選為2.0kHz，選擇這個(gè)值時(shí)考慮到了輸出端LC低通濾波器電感鐵芯的重量因素。

　　(3)變頻器有關(guān)參數(shù)設(shè)置如表4所示。

　　4改造主回路控制方案

　　正興煤業(yè)九鑫礦主扇風(fēng)機(jī)為兩臺(tái)，一用一備。風(fēng)機(jī)電機(jī)變頻器采用一拖一控制，風(fēng)光中壓變頻調(diào)速系統(tǒng)由一次回路進(jìn)線柜、變頻單元柜組成。變頻運(yùn)行時(shí)，變頻器為電機(jī)提供全面的保護(hù)。如果變頻器在運(yùn)行中出現(xiàn)故障，立即將備用風(fēng)機(jī)投入運(yùn)行，保證煤礦通風(fēng)生產(chǎn)要求。1#風(fēng)機(jī)中壓變頻器柜一次回路如圖3所示。

　　DL：用戶負(fù)荷開關(guān)

　　1#、2#BPQ：JD-BP34-270F中壓變頻器

　　D：220kW/1140V異步電動(dòng)機(jī)

　　圖4 中壓變頻器運(yùn)行照片

　　圖5 人機(jī)界面運(yùn)行圖

　　5 現(xiàn)場應(yīng)用情況

　　正興煤業(yè)九鑫礦主扇風(fēng)機(jī)選用型號(hào)JD-BP34-270F風(fēng)光變頻器4套，于2012年7月2日一次性投運(yùn)成功。變頻運(yùn)行后，風(fēng)門全部打開，運(yùn)行頻率26Hz左右，不僅完全滿足煤礦生產(chǎn)工藝要求，而且用戶操作非常方便。變頻器運(yùn)行穩(wěn)定。變頻器現(xiàn)場運(yùn)行如圖4所示，人機(jī)界面運(yùn)行如圖5所示，變頻器運(yùn)行參數(shù)記錄如表5所示。

　　風(fēng)機(jī)采用變頻器改造投入運(yùn)行后，輸入電流從72A下降到30A左右，風(fēng)機(jī)電機(jī)功率從113.7kW下降到56.9kW，節(jié)電率為(113.7kW-56.9kW)/113.7kW=50%。

　　變頻改造的其他優(yōu)點(diǎn)：

　　(1)采用變頻器后啟動(dòng)風(fēng)機(jī)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)變頻軟啟動(dòng)，避免了啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)及控制設(shè)備的沖擊，可以有效地延長電氣設(shè)備的使用周期。

　　(2)按需調(diào)節(jié)風(fēng)量，調(diào)速范圍寬且調(diào)速精度高，避免浪費(fèi)。進(jìn)行變頻改造后，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量不再需要通過改變?nèi)~片角度來調(diào)節(jié)，而是由變頻器通過調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)，調(diào)節(jié)線性度好，因而可以根據(jù)井下生產(chǎn)需要隨時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)量，避免了浪費(fèi)。

　　(3)降低了風(fēng)機(jī)的工作強(qiáng)度，延長了使用壽命。進(jìn)行變頻改造后，風(fēng)機(jī)的大部分時(shí)間工作在低速狀態(tài)下，因而大大降低了風(fēng)機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度和電氣沖擊，大大延長了風(fēng)機(jī)壽命，提高了風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行系數(shù)和運(yùn)行周期。

　　(4)變頻器具有短路、過載、過壓、欠壓、缺相等各種保護(hù)，有效地保護(hù)了電機(jī)。

　　(5)改善了現(xiàn)場工作環(huán)境，由于降低了風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，風(fēng)機(jī)噪聲大大降低，深受現(xiàn)場工作人員的歡迎。

　　(6)減少了反風(fēng)中的操作環(huán)節(jié)，以前反風(fēng)需要操作系統(tǒng)的立式風(fēng)門、水平風(fēng)門以及反風(fēng)風(fēng)門，工序繁多而且經(jīng)常出現(xiàn)倒錯(cuò)風(fēng)門的事故。現(xiàn)在使用軸流式風(fēng)機(jī)和變頻器控制后，反風(fēng)時(shí)極其簡單，只要在人機(jī)界面上將運(yùn)行頻率調(diào)整為負(fù)的頻率，電機(jī)就會(huì)先減速至零點(diǎn)然后再反轉(zhuǎn)到所調(diào)頻率，這期間不用再調(diào)整整個(gè)風(fēng)門系統(tǒng)，減少了工作量，降低了操作過程中的故障率。

　　6結(jié)束語

　　正興煤業(yè)九鑫礦主扇風(fēng)機(jī)經(jīng)過變頻改造之后，不僅達(dá)到了良好的節(jié)能效果，并且使整套通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高了一個(gè)大臺(tái)階。隨著國家對(duì)節(jié)能減排工作的越來越重視，煤礦企業(yè)通過各種措施降低生產(chǎn)成本，其中變頻技術(shù)起到了關(guān)鍵作用，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，適應(yīng)了國家建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)的潮流。