DQZHAN技術(shù)訊：高壓變頻器在煤礦主通風(fēng)機(jī)設(shè)備上的應(yīng)用

煤礦企業(yè)是中國(guó)用電大戶(hù)，其生產(chǎn)所用的主要機(jī)電設(shè)備耗電所占其用電比例相當(dāng)大，像礦井主通風(fēng)機(jī)、壓風(fēng)機(jī)、主排水泵、主副井提升機(jī)及瓦斯泵站等大型機(jī)電設(shè)備(俗稱(chēng)“五大件”)用電負(fù)荷基本占到煤礦生產(chǎn)用電量的60%以上。

以2012年中國(guó)煤炭生產(chǎn)為例，全年產(chǎn)煤38.7×108 t，但全年用電量為376×108 kW˙h，用電量占國(guó)內(nèi)用電量3.49%，噸煤用電成本仍相比國(guó)外高許多。從數(shù)據(jù)分析來(lái)看，中國(guó)煤炭企業(yè)既是產(chǎn)能大戶(hù)，同時(shí)也是耗能大戶(hù)，但節(jié)能空間也潛力巨大。

1、變頻器介紹

1.1變頻器

隨著電子元器件科技水平不斷發(fā)展，絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)被廣泛應(yīng)用，科技人員通過(guò)改變電機(jī)工作電源頻率的方式來(lái)達(dá)到控制交流電動(dòng)機(jī)的電力控制，即使得變頻器順利誕生。變頻器的組成單元主要有整流單元、濾波單元、逆變單元、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元、微處理單元7個(gè)單元組成。變頻器通過(guò)控制其內(nèi)部IGBT開(kāi)斷來(lái)調(diào)整其輸出電源的電壓和頻率，匹配電機(jī)實(shí)際需要的電源電壓，從而達(dá)到節(jié)能及調(diào)速的目的。

1.2變頻器的主要用途

變頻器主要用在設(shè)備的大功率配套電機(jī)上，像大型風(fēng)機(jī)，如煤礦主通風(fēng)機(jī)、**風(fēng)動(dòng)風(fēng)機(jī)等設(shè)備，還有一些大型水泵，如煤礦主排水設(shè)備等。為能使在這些機(jī)械與電氣設(shè)備中配套的電機(jī)滿(mǎn)足使用要求，其功率參數(shù)一般選擇都留有一定裕量。當(dāng)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)下，其正常功率在滿(mǎn)足機(jī)械設(shè)備動(dòng)力驅(qū)動(dòng)外，多余轉(zhuǎn)矩造成了有功功率消耗，使得電能無(wú)端浪費(fèi)。這些設(shè)備往往通過(guò)機(jī)械方式來(lái)滿(mǎn)足所需功率要求，如風(fēng)機(jī)通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)身入口或出口擋板、水泵通過(guò)調(diào)節(jié)入口或出口的閥門(mén)開(kāi)啟角度等來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)、水的流量、壓力等參數(shù)，這些都是典型大馬拉小車(chē)的配套方式。這種配套方式，通過(guò)人為增加阻力，并以浪費(fèi)電能為代價(jià)來(lái)滿(mǎn)足使用條件的做法，與中國(guó)節(jié)能減排及“十二五”規(guī)劃背道而馳。當(dāng)電機(jī)使用變頻調(diào)速時(shí)，只要通過(guò)降低風(fēng)機(jī)或水泵的轉(zhuǎn)速即可滿(mǎn)足要求。

2、變頻器在煤礦主通風(fēng)中的應(yīng)用

2.1風(fēng)機(jī)變頻改造方案

煤礦主通風(fēng)機(jī)設(shè)備大多依據(jù)礦井用風(fēng)滿(mǎn)負(fù)荷進(jìn)行設(shè)備選型，實(shí)際應(yīng)用中，風(fēng)機(jī)大部分時(shí)間并未處于滿(mǎn)負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)行。采用變頻器后可通過(guò)變頻直接控制風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，利用變頻器PID(比例積分微分控制)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速以得到所需恒定風(fēng)量，滿(mǎn)足礦井不同時(shí)段的風(fēng)量需求。

2.2 風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能原理

主通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?gòu)膎l變?yōu)閚2時(shí)，風(fēng)量、風(fēng)壓及功率有以下公式：

Q2=Q1(n2/nl)，(1)

H2=H1(n2/nl)2，(2)

P2=P1(n2/nl)3，(3)

式(1)～(3)中，nl、nl分別為變頻前后的主通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min;Q1、Q2分別為變頻前后的每分鐘風(fēng)量，m3/min;H1、H2分別為變頻前后的風(fēng)機(jī)風(fēng)壓，Pa;P1、P2分別為變頻前后的風(fēng)機(jī)功率，kW[1]。

由(1)～(3)式可知，風(fēng)機(jī)風(fēng)量與電機(jī)轉(zhuǎn)速比成正比，風(fēng)機(jī)風(fēng)壓與電機(jī)轉(zhuǎn)速比的二次方成正比，風(fēng)機(jī)功率與電機(jī)轉(zhuǎn)速比的三次方成正比，因此，可推出表1數(shù)據(jù)。

表1 風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)關(guān)系比因素表 %

流量轉(zhuǎn)速壓力功率節(jié)約能源

1001001001000

90908172.927.1

80806451.248.8

70704934.365.7

60603621.678.4

50502512.587.5

4040166.493.6

從表1風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)關(guān)系比因素表中可看出：當(dāng)工況時(shí)間風(fēng)量下調(diào)時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速比可節(jié)約大量電能。如井下開(kāi)拓延伸暫時(shí)需滿(mǎn)負(fù)荷80%風(fēng)量時(shí)，通過(guò)變頻，僅需電機(jī)額定功率的51.2%就可滿(mǎn)足井下使用，大概可節(jié)約近一半電量。如果采用機(jī)械調(diào)節(jié)方式，未采用變頻技術(shù)，就白白耗費(fèi)了大量電能。

2.3 主通風(fēng)機(jī)采用變頻后的優(yōu)點(diǎn)

a) 采用變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，取消機(jī)械擋板等調(diào)節(jié)裝置，節(jié)能效果明顯;

b) 采用變頻器控制電機(jī)，可低功率啟動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)軟啟，避免對(duì)電網(wǎng)沖擊;

c) 變頻器具有過(guò)載、過(guò)壓、過(guò)流、欠壓、電源缺相等自動(dòng)保護(hù)功能。

3、變頻器在陽(yáng)煤一礦主通風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用

3.1國(guó)內(nèi)變頻器發(fā)展?fàn)顩r

整個(gè)高壓變頻器市場(chǎng)沒(méi)有出現(xiàn)持續(xù)爆發(fā)式增長(zhǎng)，但中國(guó)變頻器品牌已涵蓋了幾乎所有領(lǐng)域，相對(duì)國(guó)際品牌有巨大的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

本文就合康變頻在陽(yáng)煤集團(tuán)一礦中的應(yīng)用做簡(jiǎn)單介紹及分析。

3.2 合康變頻器

合康變頻公司成立于2003年，2006年成為高壓變頻器國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)起草單位之一，其憑借雄厚的技術(shù)實(shí)力、**的生產(chǎn)工藝，樹(shù)立了國(guó)內(nèi)變頻節(jié)能和控制專(zhuān)家的形象，成為行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)，其變頻器主要分為高壓及中低壓變頻器系統(tǒng)。

高壓變頻系列分為通用高壓變頻器和高性能高壓變頻器兩大系列。其中，通用高壓變頻器通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的，主要應(yīng)用于電力、礦山、冶金、水泥、石化、市政等領(lǐng)域的風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)傳動(dòng)控制;高性能髙壓變頻器運(yùn)用矢量控制及能量回饋技術(shù)，具備恒轉(zhuǎn)矩、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、調(diào)速精度高、調(diào)速范圍寬、快速制動(dòng)等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)負(fù)載制動(dòng)時(shí)能量反饋回電網(wǎng)，適用于礦井提升機(jī)、軋機(jī)、船舶驅(qū)動(dòng)及高速機(jī)車(chē)主傳動(dòng)等**領(lǐng)域。本文所述主要就是其通用高壓變頻器在煤礦主通風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用。

3.3 合康變頻器的應(yīng)用

陽(yáng)煤集團(tuán)一礦主通風(fēng)機(jī)選用軸流通風(fēng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式采用變頻*佳。電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)端子電壓不僅要保證通風(fēng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求，還需同時(shí)在配電母線(xiàn)上引起的壓降不影響同一母線(xiàn)上其它用電設(shè)備正常工作，且電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)還須滿(mǎn)足電動(dòng)機(jī)制造廠(chǎng)的啟動(dòng)要求[2]。

該系統(tǒng)控制單元主要由變頻電源柜(K1、K4)、變頻器(BP1、BP2)、變頻輸出柜(K3、K6)、工頻應(yīng)急柜(K2、K5)四部分組成。系統(tǒng)中K1、K4電源柜是變頻器單元供給單元，合閘則提供電源，斷閘則斷開(kāi)電源;BP1、BP2為變頻控制系統(tǒng)核心單元，分別對(duì)1號(hào)、2號(hào)主通風(fēng)機(jī)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速;K3、K6變頻輸出柜主要起輸出側(cè)隔作用。K2、K3及K5、K6斷路器分別相互閉鎖，非工況下嚴(yán)禁K2、K5合閘。在BP1、BP2變頻器出現(xiàn)故障或檢修時(shí)，可閉合K2、K5實(shí)現(xiàn)同步自動(dòng)切換功能，保證主通風(fēng)機(jī)在工頻狀態(tài)下運(yùn)行，不中斷礦井通風(fēng)需求(工頻應(yīng)急系統(tǒng)作為變頻調(diào)速的后備系統(tǒng))。該系統(tǒng)兩套變頻器，1個(gè)正常使用1臺(tái)備用，變頻運(yùn)行時(shí)，對(duì)應(yīng)工頻應(yīng)急柜必須處于斷開(kāi)狀態(tài)。

3.4 投用主通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速裝置使用效果分析

該礦采用合康HIVERT-Y06/600變頻對(duì)主通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)，自投運(yùn)以來(lái)，該變頻器的使用收到了良好效果。具體優(yōu)點(diǎn)如下：

a) 減少了對(duì)電網(wǎng)的沖擊，并同時(shí)具備軟啟動(dòng)功能[3]。變頻器使用使得電機(jī)啟動(dòng)電流不超其額定電流，啟動(dòng)時(shí)間相應(yīng)延長(zhǎng)，對(duì)電網(wǎng)無(wú)沖擊，啟動(dòng)平穩(wěn)，低速運(yùn)行，風(fēng)機(jī)的振動(dòng)、噪音和溫度明顯降低，延長(zhǎng)了電機(jī)及風(fēng)機(jī)的使用壽命，進(jìn)一步提高了主扇風(fēng)機(jī)**性;

b) 備用工況回路增強(qiáng)系統(tǒng)**性。如果變頻系統(tǒng)出現(xiàn)故障，為保障風(fēng)機(jī)不間斷運(yùn)行，可將其切換到工頻運(yùn)行，保證主通風(fēng)機(jī)不停風(fēng);

c) 高壓變頻器采用單元串聯(lián)多電平方式，諧波成分小，功率因數(shù)高。采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行過(guò)程控制，**可靠，維護(hù)量小;

d) 節(jié)電效果顯著。一般機(jī)械調(diào)風(fēng)裝置的主要通風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率在55%以下，而采用變頻調(diào)速裝置后，風(fēng)機(jī)效率可提高到78%以上，尤其在礦井基建中前景廣闊。

4、結(jié)語(yǔ)

陽(yáng)煤一礦主通風(fēng)機(jī)采用變頻技術(shù)后，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)速率更平穩(wěn)，運(yùn)行電流明顯減小，具有很明顯節(jié)電能力;同時(shí)實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動(dòng)功能，避免了用工頻啟動(dòng)時(shí)大電流大轉(zhuǎn)矩對(duì)電網(wǎng)的沖擊，不僅延長(zhǎng)了電機(jī)等設(shè)備的使用壽命，也減輕了軸承磨損，提高了設(shè)備可靠性。在礦上通風(fēng)機(jī)設(shè)備通過(guò)變頻改造后，不僅在性能上得到很大提升，且有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化及無(wú)人值守。雖然變頻改造需要很大成本，但改造費(fèi)用可通過(guò)節(jié)省電費(fèi)收回。