礦用對旋軸流主通風(fēng)機的變頻改造

　　一、礦井和礦用對旋軸流通風(fēng)機概述

　　星村煤礦位于山東省曲阜市境內(nèi)，生產(chǎn)系統(tǒng)按照120萬噸/年裝備，為全隱蔽型井田。井田內(nèi)主要有第四系、侏羅系和石炭二疊系含煤地層，煤層埋藏較深，采用立井開拓方式。礦井通風(fēng)方式采用中央并列式。副井進(jìn)風(fēng)，主井回風(fēng)。兩臺對旋軸流風(fēng)機，一用一備。

　　將一個葉輪裝在另一個葉輪的后面，而葉輪的轉(zhuǎn)向彼此相反，稱為對旋型軸流通風(fēng)機，或者對置式軸流風(fēng)機。煤礦所使用的對旋軸流風(fēng)機因其主要由該通風(fēng)機采用兩級葉輪對旋式結(jié)構(gòu)，兩級葉輪分別由容量及相同型號電動機驅(qū)動，兩個葉輪旋轉(zhuǎn)方向相反，從進(jìn)風(fēng)口看，第一級葉輪順時針方向旋轉(zhuǎn)，第二級葉輪則按逆時針方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)空氣流入第一級葉輪獲得能量后并經(jīng)第二級葉輪排出，第二級葉輪兼?zhèn)淦胀ㄝS流風(fēng)機中靜葉的功能，在獲得正直圓周方向速度風(fēng)量的同時，增加氣流的能量，從而達(dá)到了高效率，高風(fēng)壓。

　　我礦主通風(fēng)機為湘潭平安電氣生產(chǎn)的BD-II系列彎掠組合正交型隔爆對旋軸流式主通風(fēng)機。型號為BD-II-8-NO.27。一用一備，每臺風(fēng)機配置兩臺450kW、10kV防爆型鼠籠電機。電機采用了南陽防爆集團(tuán)的風(fēng)機用高壓隔爆型三相異步電動機。電機型號為YBF630M-8。電機電壓為10kV，轉(zhuǎn)速為744轉(zhuǎn)/分，額定電流33.9A.。通過調(diào)節(jié)風(fēng)機葉片角度和風(fēng)道擋板來完成風(fēng)量的調(diào)節(jié)。

　　二、礦用對旋軸流通風(fēng)機變頻改造的必要性

　　礦用對旋軸流通風(fēng)機(俗稱“主通風(fēng)機”)是煤礦的“呼吸系統(tǒng)”的中樞，須24小時不間斷運行。由于煤礦企業(yè)受復(fù)雜的生產(chǎn)條件和環(huán)境影響，在設(shè)備選型上煤礦根據(jù)反風(fēng)及開采后期運行工況所設(shè)計的通風(fēng)機及拖動的電動機的功率，遠(yuǎn)大于煤礦正常生產(chǎn)所需的運行功率，造成了大馬拉小車的普遍現(xiàn)象，耗能相當(dāng)嚴(yán)重。如何降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，提高勞動生產(chǎn)效率是煤炭生產(chǎn)企業(yè)需要解決的主要問題。

　　從通風(fēng)機選型的過程和煤炭生產(chǎn)的實際情況，對旋軸流通風(fēng)機在恒速運行中存在以下問題：

　　1.電能的嚴(yán)重浪費
　　主扇風(fēng)機設(shè)計上余量大，主扇風(fēng)機一直處在較輕負(fù)載下運行。由于采用檔板調(diào)節(jié)，因此造成能源浪費，增加了生產(chǎn)成本。

　　2.啟動困難，機械損傷嚴(yán)重 
　　主扇風(fēng)機采用直接啟動，啟動時間長，啟動電流大，對電動機的絕緣有著較大的威脅，嚴(yán)重時甚至燒毀電動機。而高壓電動機在啟動過程中所產(chǎn)生的單軸轉(zhuǎn)矩現(xiàn)象使風(fēng)機產(chǎn)生較大的機械振動應(yīng)力，嚴(yán)重影響到電動機、風(fēng)機及其它機械的使用壽命。

　　3.自動化程度低
　　主扇風(fēng)機依靠人工調(diào)節(jié)檔板，更不具備風(fēng)量的自動實時調(diào)節(jié)功能，自動化程度低。在故障狀態(tài)下，如風(fēng)流短路，將對礦井正常生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響。

　　高壓變頻器作為一種新型的電力變換裝置，已經(jīng)成熟地應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)的各個行業(yè)，不但啟動容易，節(jié)能效果顯著，而且對電機的保護(hù)功能齊全。因此，為保證礦井生產(chǎn)的安全，降低生產(chǎn)成本，提高自動化程度，對旋軸流通風(fēng)機的變頻改造就成為事在必行的工作。

　　三、高壓變頻器的技術(shù)特點

　　為克服以上存在的問題，我們決定對主通風(fēng)機進(jìn)行變頻改造。根據(jù)論證分析和現(xiàn)在高壓變頻的技術(shù)現(xiàn)狀，我們采用了利德華福公司的HARSVERT-A10/070功率單元串聯(lián)多電平高壓變頻器。利用一臺變頻器直接拖動一臺風(fēng)機的兩臺電機的改造方案。HARSVERT-A系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用單元串聯(lián)多電平技術(shù)，屬高-高電壓源型變頻器，直接10kV輸入，直接10kV高壓輸出。變頻器主要由移相變壓器、功率模塊和控制器組成。它采用了新型IGBT功率器件，全數(shù)字化微機控制。具有可靠性高、易操作、性能穩(wěn)定等特點。

　　1.功率模塊結(jié)構(gòu)：功率單元結(jié)構(gòu)原理是由不可控二極管整流的三相全控橋、低壓絕緣柵雙極型晶閘管（IGBT）逆變橋、電容器組等元件組成的控制回路，為基本的交-直-交單相逆變電路，通過對IGBT逆變橋進(jìn)行正弦脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制，可得到功率單元輸出的PWM波形。每個功率單元結(jié)構(gòu)一致，可以任意互換，而且當(dāng)某個功率單元出現(xiàn)故障時，封鎖該功率單元IGBT的觸發(fā)信號，然后讓旁路SCR導(dǎo)通，將這個功率單元隔離出去，而不影響其他功率單元的運行。

　　2.輸入側(cè)結(jié)構(gòu)：輸入側(cè)由移相變壓器給每個功率模塊供電，移相變壓器的副邊繞組分為三組，根據(jù)電壓等級和功率模塊串聯(lián)級數(shù)，為48脈沖構(gòu)成多級相疊加的整流方式，可以大大改善網(wǎng)側(cè)的電流波形（網(wǎng)側(cè)電壓電流諧波指標(biāo)滿足IEEE519-1992和GB/T14549-93的要求）。使其負(fù)載下的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近于1，無需任何功率因數(shù)補償、諧波抑制裝置。

　　3.輸出側(cè)結(jié)構(gòu)：輸出側(cè)由每個功率模塊的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機供電，通過對每個單元的PWM波形進(jìn)行重組，可得到階梯正弦PWM波形。這種波形正弦度好，dv/dt小，對電纜和電機的絕緣無損壞，無須輸出濾波器，就可以延長輸出電纜長度，可直接用于普通電機。同時，電機的諧波損耗大大減少，消除負(fù)載機械軸承和葉片的振動。

　　4.控制器：控制器由DSP芯片、嵌入式人機界面和PLC共同構(gòu)成。DSP芯片實現(xiàn)PWM控制。嵌入式人機界面提供友好的全中文WINDOWS監(jiān)控和操作界面，同時可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制，輸入輸出波形采集。內(nèi)置PLC則用于柜體內(nèi)開關(guān)信號的邏輯處理，可以和用戶現(xiàn)場靈活接口，滿足用戶的特殊需要。

　　控制器與功率單元之間采用光纖通訊技術(shù)，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統(tǒng)具有極高的安全性，同時具有很好的抗電磁干擾性能，可靠性大大提高。另外，交流220V控制電源掉電時，控制器可由配備的UPS繼續(xù)供電，變頻器可以保持運行。

　　四、改造后的主要應(yīng)用效果

　　1．變頻起動對電網(wǎng)沒有任何沖擊。由于變頻器改造后風(fēng)機可以實現(xiàn)變頻軟起動，避免了起動電流的沖擊，減少了對電網(wǎng)電壓的任何沖擊，而且還可以隨時起動或停止，這體現(xiàn)了高壓變頻器作為軟起動器的作用。

　　2．按需調(diào)節(jié)風(fēng)量，避免浪費。變頻改造后，風(fēng)機的送風(fēng)量不再需要由風(fēng)門來調(diào)節(jié)，而是通過變頻調(diào)節(jié)風(fēng)機的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)，調(diào)節(jié)范圍可以從0%—100%；因而可以根據(jù)生產(chǎn)需要隨意調(diào)節(jié)風(fēng)量。

　　3．變頻器運行中，如果需要機組切換，直接點擊人機界面中的“啟動1#”或者“啟動2#”進(jìn)行切換。

　　4．變頻器運行過程中，可以一鍵反風(fēng)功能，減少了操作員工的工作，縮短了工作時間，提高了工作效率。

　　5．變頻節(jié)能運行，節(jié)約了大量能源。由于變頻改造后不再使風(fēng)機一直處于滿負(fù)荷工作狀態(tài)，節(jié)能率高達(dá)30%以上。

　　6．需要注意的是煤礦對旋風(fēng)機變頻調(diào)速后，一般情況下要求兩臺電機的運行頻率盡量一致，從而保證電機轉(zhuǎn)速一致。避免一臺轉(zhuǎn)速高，一臺轉(zhuǎn)速低，形成風(fēng)阻，影響風(fēng)機的正常運行。

　　五、運行效果

　　變頻器于2008 年5月30日安裝完成，6月3日投入運行。變頻器顯示采用中文圖形人機界面，觸摸屏操作，生動直觀，并且配備有上位監(jiān)控計算機，變頻器的運行狀態(tài)一目了然，各種運行數(shù)據(jù)和報警信息可在觸摸屏和上位機上查詢，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(fēng)機可以同時起動，可在短時間內(nèi)起動至高速，達(dá)到所需風(fēng)量?？s短的起動時間確保了生產(chǎn)安全，實現(xiàn)了一鍵反風(fēng)，反風(fēng)操作比以前簡單可靠，完全可滿足10min內(nèi)實現(xiàn)反風(fēng)的要求。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，滿載時網(wǎng)側(cè)電流諧波總?cè)萘啃∮?% ，風(fēng)機以低于額定轉(zhuǎn)速運行，不僅節(jié)約了能源，減少了維護(hù)費用，還降低了風(fēng)機的運行噪聲，經(jīng)濟(jì)效益良好。

　　由此可見，礦用通風(fēng)機采用變頻調(diào)速，不但實現(xiàn)了軟起停，節(jié)約了電能，而且可根據(jù)巷道的風(fēng)量需求方便的進(jìn)行調(diào)速，應(yīng)用效果是十分理想的。變頻運行時，風(fēng)機效率為80%，其節(jié)電率在30%以上，節(jié)能效果十分明顯。