引言
節(jié)能降耗已成為我國的基本國策。煤礦企業(yè)既是產(chǎn)能大戶，又是耗能大戶，許多煤礦企業(yè)都非常重視高耗能用電設(shè)備的節(jié)能技改工作。特別是主通風機，設(shè)備功率大、24h不停運轉(zhuǎn)。由于煤礦特殊的工藝要求，該設(shè)備存在很大的節(jié)能空問。在滿足礦井的通風需要的同時，又實現(xiàn)zui大程度的節(jié)能，本文通過闡述對山西某大型煤礦企業(yè)礦井主通風機采用高壓變頻改造，選用功率單元串聯(lián)多電平高壓變頻器，實現(xiàn)了主通風機的電能節(jié)約和風量無級自動調(diào)節(jié)。
1、設(shè)備的工況和節(jié)能要求
1.1、設(shè)備參數(shù)
煤礦企業(yè)主通風機為南陽防爆集團生產(chǎn)的2臺防爆對旋式軸流通風機。風機主要參數(shù)如下：
型號bdk65—10一n026
電動機額定功率／kw2x800
負壓／pa3077～120
風量／m·s60～150
額定轉(zhuǎn)速／r-min990
額定電壓／v10000
額定電流／a2x56.3
絕緣等級f級
1.2、運行情況
2臺對旋風機互為備用，單臺電機運行電流在43a左右，該風機月用電量在63萬kwh以上。
1.3、對設(shè)備節(jié)能的具體要求
根據(jù)礦井具體情況，確定了采用變頻方式進行技術(shù)改造。
(1)在不影響通風量的前提下，變頻設(shè)備應(yīng)大幅度降低原用電設(shè)備(指的是煤礦主通風機)的電能，節(jié)電量要在20％以上。
(2)在不降低的基礎(chǔ)上，能夠提高原用電設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性。
(3)變頻設(shè)備自身的使用壽命長，損耗低，日常維護量少。同時能夠降低原用電設(shè)備的維護量。
(4)變頻設(shè)備操作方便、不改變原用電設(shè)備操作工的操作習慣。操作工在簡單培訓(xùn)后就可以熟練操作變頻設(shè)備。
(5)為了滿足未來煤礦的發(fā)展需要，變頻設(shè)備容量留有一定的富裕。
2、改造方案的確定
經(jīng)過論證分析，確定了采用功率單元串聯(lián)多電平型高壓變頻器根據(jù)井下負壓值連續(xù)控制主通風機的風量的節(jié)能方案，利用1臺變頻器同時拖動1臺對旋風機的2臺電機，2臺對旋風機可以分時使用變頻。
2.1、風量調(diào)節(jié)方式的選擇
礦井生產(chǎn)過程中，井下對風量的需求和通風網(wǎng)絡(luò)特性經(jīng)常發(fā)生變化，需要經(jīng)常調(diào)節(jié)風機的工況點以適應(yīng)生產(chǎn)要求?！睹旱V安全規(guī)程》對煤礦井下的通風量有具體規(guī)定，小了不能滿足要求，大了會使采煤工作面粉塵加劇而且浪費能源，操作工人通過觀察井下的負壓值高低來判斷風量是否適合。
原系統(tǒng)主通風機的風量調(diào)節(jié)主要是改變?nèi)~片安裝角度和節(jié)流調(diào)節(jié)，但是節(jié)流調(diào)節(jié)會造成能源浪費；改變?nèi)~輪葉片安裝角度一方面需停機操作，另一方面也會使風機效率發(fā)生變化，通常需調(diào)節(jié)的幅度較大時才采用。只有根據(jù)負壓值變化自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方式不改變風機的效率，在各個工況點實現(xiàn)不停機調(diào)節(jié)風機狀態(tài)下運轉(zhuǎn)。
2.2、調(diào)速方式的選擇
(1)液力耦合器在電機和負載之間串人一個液力耦合裝置，通過液面的高低調(diào)節(jié)電機和負載之間耦合力的大小，實現(xiàn)負載的速度調(diào)節(jié)。這種調(diào)速方法實質(zhì)上是轉(zhuǎn)差功率消耗型的做法，其主要缺點是隨著轉(zhuǎn)速下降效率越來越低，并且維護工作量大。
(2)串級調(diào)速串級調(diào)速必須采用繞線式異步電動機，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，更換電機非常麻煩。這種調(diào)速方式的調(diào)速范圍一般在70％～95％，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)速電機受轉(zhuǎn)子滑環(huán)的影響，大功率無法實現(xiàn)；滑環(huán)維護工作量大；屬于落后技術(shù)。
(3)變頻調(diào)速方式(根據(jù)公式n=60f(1一s)／p)通過高壓變頻器改變電源頻率來調(diào)節(jié)三相異步電機的轉(zhuǎn)速。這種調(diào)速方式調(diào)速范圍寬、設(shè)備使用壽命長、自身能耗低、日常維護量少。缺點是設(shè)備造價比較高，但是隨著高壓變頻器大規(guī)模的推廣，其造價正在逐步降低。通過以上分析可見高壓變頻方式zui為合適。
2.3、高壓變頻器種類的選擇
高壓變頻技術(shù)由于現(xiàn)有的電力電子器件耐壓不足，所以每臺產(chǎn)品均需要使用大量的電力電子器件。這些器件組合的多樣性，使得高壓變頻電路組合也很多，當前常用的高壓變頻器主要有以下幾類技術(shù)
方案：
(1)高低高方式
即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1臺低壓變頻器實現(xiàn)變頻；對于電機，則有2種辦法：①改用低壓電機；②仍采用原來的高壓電機，需要在變頻器和電機之間再增加1臺升壓變壓器，即高一低一高變頻方式。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。
(2)三電平電壓型高壓變頻調(diào)速方式
三電平電壓源型高壓變頻技術(shù)通過*的二極管鉗位(或者其他的鉗位)方法，可以使系統(tǒng)的輸出電壓增加一個電平，與兩電平相比較，這種方式的相電壓可以有3個電平輸出，故稱為三電平。同時每個電力電子器件所承受的耐壓只有直流母線電壓的一半，所以采用這種方式，可以使電力電子器件的耐壓要求降低一半，當采用一些高壓的全控型器件，如高壓igbri1、igct、ⅲci1、gto晶閘管時，可以直接實現(xiàn)高壓輸出。由于控制上難度較大，這種方法目前應(yīng)用比較少，技術(shù)尚不成熟，所以不采用。
(3)功率單元串聯(lián)式多電平高壓變頻方式
功率單元串聯(lián)式多電平高壓變頻產(chǎn)品是在輸入端設(shè)置1臺輸入隔離變壓器，將輸入高壓交流電變成多組低壓交流電，每組低壓交流電分別輸入到1個功率單元，經(jīng)整流濾波為直流電后，再經(jīng)逆變成為交流電，各功率單元的交流信號在逆變側(cè)串聯(lián)成為高壓交流輸出供給高壓電動機。為了減少輸入諧波，變壓器的每個二次繞組的相位1次錯開1個角度，形成多脈沖、多重化整流方式。其逆變輸出采用多重pwm方式，輸出諧波非常小。這種方式采用低壓器件實現(xiàn)高壓變頻輸出，器件無需串聯(lián)，輸入輸出諧波非常小，是一種成熟穩(wěn)定的高壓變頻技術(shù)。
本次改造選用的就是功率單元串聯(lián)式多電平高壓變頻器產(chǎn)品。
2.4、控制方式的選擇
由于進行的是設(shè)備節(jié)能改造，所以在保證穩(wěn)定性的前提下，成本是優(yōu)先考慮的。一拖二方式在性能上基本與一對一方式相同，工程造價上降低50％以上的費用。以下是2種方式的介紹：
(1)一對一的方式
一對一的方式即變頻器與電機一對一方式。由于對旋風機為2臺風機首尾相對放置，那么1臺對旋風機就需要2臺變頻器。這種方式的優(yōu)點是控制簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定性高。由于4ookw以下的高壓變頻器原材料成本幾乎一樣，所以這樣的工程造價將非常大。如果把備用的對旋風機也全部配齊的話，整個工程造價將又翻一倍。
(2)一拖二的方式
一拖二方式就是1臺變頻同時拖動1臺對旋風機的2臺電機，2臺對旋風機可以分時使用該變頻器。這種方式缺點是控制系統(tǒng)復(fù)雜，安裝調(diào)試時間長。但是優(yōu)點是整個工程造價低(比一對一方式降低一半以上費用)，設(shè)備使用率高。
3、高壓變頻設(shè)備介紹
通過對各方面比較，決定采用高壓變頻器對主通風機進行改造。選用了深圳市英威騰電氣股份有限公司生產(chǎn)chh100-1600-10的高壓變頻器。
(1)高壓變頻器的主要性能指標
變頻器容量／kva1900
輸入頻率／hz0～50
額定輸入電壓／kv10．0(±10％)
輸出頻率范圍／hz一50～+50
過載能力／％120(1min)；150立即保護
性能滿足相關(guān)指標：ieee519—1992((電源系統(tǒng)諧波控制推薦規(guī)程和要求》；gb／t14549—1993(電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》。
(2)性能主要特點
①高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用直接“高一高”變換形式，為單元串聯(lián)多電平拓撲結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)有多組功率模塊并聯(lián)而成；采用單元串聯(lián)疊波技術(shù)、空問矢量控制的正弦波pwm調(diào)制方法。
②變頻裝置控制采用led鍵盤控制和人機界面控制2種控制方式，2種方式互為備用，2種方式從就地界面上可以進行增、減負荷，開停機等操作。裝置保留至少一個月的故障記錄。
③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)補償?shù)那闆r下，本機輸入端功率因數(shù)達到0．97以上，減少無功輸入，降低了供電容量。
④變頻裝置對電網(wǎng)電壓的波動有較強的適應(yīng)能力，在一10％～+10％電網(wǎng)電壓波動時能滿載輸出?？梢猿惺?5％的電網(wǎng)電壓下降而正常繼續(xù)運行，能適應(yīng)煤礦電壓大幅波動的電網(wǎng)環(huán)境。
⑤變頻裝置設(shè)以下保護：過電壓、過電流、欠電壓、缺相保護，短路保護，失速保護，變頻器過載、電機過載保護，半導(dǎo)體器件的過熱保護，瞬時停電保護等，聯(lián)跳至輸入側(cè)10kv開關(guān)。保護的性能符合國家有關(guān)標準的規(guī)定，并提供故障、斷電、停機等報警。
(3)具體控制方案
如圖1所示，此系統(tǒng)由qf、qf1～qf4，高壓變頻器、自動切換柜(qs1～qs4，km1～km4組成)、電動機m1～m4組成。高壓開關(guān)柜為變頻器饋電，并為其提供保護，保護主要有速斷保護、過載保護、過電壓保護，其整定值根據(jù)變頻器額定值計算。變頻器與高壓柜之間的聯(lián)鎖關(guān)系有：
①合閘閉鎖將變頻器“合閘允許”信號串聯(lián)于高壓開關(guān)合閘回路。變頻器故障或不能就緒時，高壓開關(guān)(斷路器qf)合閘不允許。
②故障分閘將變頻器“高壓分斷”信號并聯(lián)于高壓開關(guān)分閘回路。當變頻器出現(xiàn)故障時，分斷變頻器高壓輸入。
③隔離開關(guān)、真空接觸器以及高壓斷路器之間的閉鎖關(guān)系km1與km4電氣互鎖；km1與km3,電氣互鎖；km2與km3電氣互鎖；km2與km4,電氣互鎖；控制同一臺電機的高壓斷路器和真空接觸器同時只允許一個閉合，如qf閉合，則km1不允許合閘，km1合閘，則qf不允許合閘。
④當m1正轉(zhuǎn)m2同時反轉(zhuǎn)時，即拖動一臺對旋通風機變頻運行時，斷開qf1、qf2，分別合上qs1、qs2、km1、km2：、qf；當變頻器出現(xiàn)故障時，由另一臺對旋式風機運行，即斷開qf、km1、km2、qs1、qs2，合上qf3、qf4、km3、km4。
⑤當變頻器出現(xiàn)故障或需要檢修時，只要斷開qf和qs1～qs4即可。變頻器具有反風功能。柜門上有1～4風機運行指示，km1～km4,分閘和合閘指示。
圖1電氣控制電路圖
4、變頻設(shè)備運行情況
變頻器于2011年6月30日安裝完成，7月3日投入運行。變頻器顯示采用中文圖形界面，觸摸屏操作，生動直觀，變頻器的運行狀態(tài)一目了然，各種運行數(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行情況。變頻器操作簡單，兩級風機可以同時起動，可在3min之內(nèi)起動至高速，短時間內(nèi)達到所需風量?？s短的起動時間確保了生產(chǎn)安全。反風操作比以前簡單可靠，*可滿足1omin內(nèi)實現(xiàn)反風的要求。根據(jù)實測累計節(jié)約電能50586kwh／d。變頻器投入運行以來一直運行穩(wěn)定，輸出頻率、電壓和電流符合要求，變頻器網(wǎng)側(cè)實測功率因數(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∮?％。