五溝煤礦扇風(fēng)機(jī)電機(jī)高壓變頻的應(yīng)用

　　一、現(xiàn)場系統(tǒng)情況

　　煤礦因生產(chǎn)的特殊性，礦井通風(fēng)系統(tǒng)關(guān)系到礦山的安全生產(chǎn)，所以通風(fēng)系統(tǒng)在煤炭生產(chǎn)中具有舉足輕重的地位。其中主扇風(fēng)機(jī)在煤礦生產(chǎn)中有著最重要的地位，隨著開采和掘進(jìn)的不斷延伸，巷道延長，盡管風(fēng)量基本不變，但風(fēng)壓要求卻不斷增加，風(fēng)機(jī)需用功率也隨之增加。根據(jù)反風(fēng)及開采后期運(yùn)行狀況來確定的主扇風(fēng)機(jī)及拖動電動機(jī)的功率通常遠(yuǎn)大于煤礦長期開采所需的正常運(yùn)行功率。五溝煤礦主扇風(fēng)機(jī)采用500KW/6KV電動機(jī)傳動，電機(jī)采用直接啟動的方式。

　　目前采用高壓電動機(jī)直接啟動，存在以下幾個問題：

　　●電能的嚴(yán)重浪費(fèi)。煤礦的服務(wù)年限大多在60年以上，投產(chǎn)初期到井田穩(wěn)定開采一般在10年左右，這就意味著有這10年的時間里，主扇風(fēng)機(jī)一直處在較輕負(fù)載下運(yùn)行。由于工頻運(yùn)行的電動機(jī)轉(zhuǎn)速不可調(diào)節(jié)，只能通過改變風(fēng)機(jī)葉片的角度進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)，因此造成能源浪費(fèi)，增加了生產(chǎn)成本。

　　●啟動困難，機(jī)械損傷嚴(yán)重。主扇風(fēng)機(jī)采用直接啟動，啟動時間長，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。

　　●自動化程度低。主扇風(fēng)機(jī)依靠人工調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)葉片調(diào)節(jié)風(fēng)量和風(fēng)壓，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。

　　為了礦井的安全生產(chǎn)和降低生產(chǎn)成本，提升該煤礦的自動化水平，對主扇風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速改造具有非常重要的意義。

　　二、高壓變頻改造方案

　　1、主回路系統(tǒng)方案

　　考慮到現(xiàn)場設(shè)備實際運(yùn)行的情況，煤礦主扇軸流風(fēng)機(jī)變頻系統(tǒng)采用一拖二手動旁路方式，采用一臺變頻器分別單獨(dú)傳動二臺風(fēng)機(jī)中的一臺風(fēng)機(jī)的電動機(jī)，正常情況下，允許有一負(fù)載工作在變頻狀態(tài)，另一負(fù)載工作在工頻狀態(tài)，也可以兩臺都在工頻狀態(tài)；

　　該系列變頻采用若干個低壓PWM變頻功率單元串聯(lián)的方式實現(xiàn)直接高壓輸出。變頻器具有對電網(wǎng)諧波污染極小，輸入功率因數(shù)高，輸出波形質(zhì)量好，不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱、轉(zhuǎn)矩脈動、噪音、dv/dt及共模電壓等問題的特性，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機(jī)，不需要更換電機(jī)。

　　一拖二手動旁路系統(tǒng)

　　基本原理：它是由8個高壓隔離開關(guān)QS1～QS8組成（見左圖）。其中QS2和QS3,QS5和QS6安裝機(jī)械互鎖裝置；各隔離開關(guān)間有電氣互鎖。如果兩路電源同時供電，M1工作在變頻狀態(tài)，M2工作在工頻狀態(tài)時，QS3、QS7和QS4、QS5、QS8分閘，QS2、QS1和QS6處于合閘狀態(tài)；M2工作在變頻狀態(tài)，M1工作在工頻狀態(tài)時，與M1工作在變頻狀態(tài)，M2工作在工頻狀態(tài)時類似；如果檢修變頻器，QS3和QS6可以處于任一狀態(tài)，其它隔離開關(guān)都分閘，兩臺負(fù)載可以同時工頻運(yùn)行；當(dāng)一路電源檢修時，可以通過分合隔離開關(guān)使任一電機(jī)變頻運(yùn)行。

　　特點(diǎn)：正常情況下，允許有一負(fù)載工作在變頻狀態(tài)，另一負(fù)載工作在工頻狀態(tài)，也可以兩臺都在工頻狀態(tài)。

　　同時工頻運(yùn)行時1#電機(jī)通過QS7、QS3 ，2#電機(jī)通過QS8、QS6切換完成反風(fēng)功能，變頻運(yùn)行時通過變頻設(shè)備內(nèi)部設(shè)置即可完成電機(jī)轉(zhuǎn)向的正反方向的轉(zhuǎn)換完成反風(fēng)功能。

　　2、控制系統(tǒng)方案

　　變頻系統(tǒng)控制方式可以采用下述4種方式，現(xiàn)場用戶可以根據(jù)實際情況采用相應(yīng)的一種或幾種控制方式。

　　A、閉環(huán)控制方式

　　變頻系統(tǒng)可以根據(jù)現(xiàn)場要求在變頻操作界面上設(shè)定需要的壓力或流量值、或通過模擬給定形式給定需要的壓力或流量值，變頻設(shè)備根據(jù)設(shè)定值和現(xiàn)場壓力或流量的反饋值自動閉環(huán)控制調(diào)節(jié)設(shè)備轉(zhuǎn)速，使系統(tǒng)壓力或流量值運(yùn)行在要求的設(shè)定值。

　　B、本控開環(huán)控制方式

　　變頻系統(tǒng)可以通過本控方式在變頻設(shè)備控制柜監(jiān)控界面手動設(shè)定負(fù)載設(shè)備需要運(yùn)行的轉(zhuǎn)速值，變頻設(shè)備自動將負(fù)載設(shè)備傳動到要求轉(zhuǎn)速值。

　　C、總線控制方式

　　變頻系統(tǒng)也可以通過RS485、Profibus/Device Net 與工廠控制系統(tǒng)通訊進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。

　　D、遠(yuǎn)控開環(huán)控制方式

　　變頻調(diào)速系統(tǒng)可由現(xiàn)場DCS監(jiān)控操作系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，根據(jù)運(yùn)行工況按設(shè)定程序，實現(xiàn)對負(fù)載設(shè)備電動機(jī)轉(zhuǎn)速控制。

　　具體控制接口情況如下：

　　變頻系統(tǒng)和現(xiàn)場DCS監(jiān)控操作系統(tǒng)進(jìn)行通訊連接，從現(xiàn)場DCS監(jiān)控操作系統(tǒng)上發(fā)出變頻器的啟動、停機(jī)等信號。變頻器反饋以下信號接入到現(xiàn)場監(jiān)控操作系統(tǒng)上： (1)報警及故障信息：重故障報警、輕故障報警；(2)調(diào)速裝置的狀態(tài)信息：待機(jī)狀態(tài)、正常運(yùn)行狀態(tài)、故障狀態(tài)、系統(tǒng)旁路狀態(tài)；（3）電機(jī)電流、轉(zhuǎn)速、電壓等。

　　以下為變頻器與現(xiàn)場DCS監(jiān)控操作系統(tǒng)系統(tǒng)具體接口：

　　1）．變頻器需要提供的開關(guān)量輸出6：

　　(1) 變頻器待機(jī)狀態(tài)指示：表示變頻器已待命，具備啟動條件。

　　(2) 變頻器運(yùn)行狀態(tài)指示：表示變頻器正在運(yùn)行。

　　(3) 變頻器控制狀態(tài)指示：節(jié)點(diǎn)閉合表示變頻器控制權(quán)為現(xiàn)場遠(yuǎn)程控制；節(jié)點(diǎn)斷開表示變頻器控制權(quán)為本地變頻器控制。

　　(4) 變頻器輕故障指示：表示變頻器產(chǎn)生報警信號。

　　(5) 變頻器重故障指示：表示變頻器發(fā)生重故障，立即關(guān)斷輸出切斷高壓。

　　(6)電機(jī)在工頻旁路：表示風(fēng)機(jī)電動機(jī)處于工頻旁路狀態(tài)。

　　以上所有數(shù)字量采用無源接點(diǎn)輸出，定義為接點(diǎn)閉合時有效。除特別注明外，接點(diǎn)容量均為AC220V、3A/DC24V，1A。

　　2）．變頻器需要提供的模擬量2路：

　　(1) 變頻器輸出轉(zhuǎn)速

　　(2) 電機(jī)電流

　　變頻器提供2路4～20mADC的電流源輸出（變頻器供電），帶負(fù)載能力均為250Ω。

　　3）．需要提供給變頻器的模擬量1路：

　　(1)變頻器轉(zhuǎn)速給定值

　　現(xiàn)場提供1路4～20mADC二線制電流源輸出，帶載能力必須大于250Ω，4～20mADC對應(yīng)轉(zhuǎn)速低高限，須呈線性關(guān)系。

　　4）．需要提供給變頻器的開關(guān)量有2路：

　　(1) 啟動指令：干接點(diǎn)，3秒脈沖閉合時有效，變頻器開始運(yùn)行。

　　(2) 停機(jī)指令：干接點(diǎn)，3秒脈沖閉合時有效，變頻器正常停機(jī)。

　　5、變頻器與其他電氣設(shè)備接口

　　1）．變頻器給高壓開關(guān)柜的有2路：

　　(1)高壓緊急分?jǐn)啵鹤冾l器出現(xiàn)重故障時，自動分?jǐn)喔邏洪_關(guān)，閉點(diǎn)有效。

　　(2)高壓合閘允許：變頻器自檢通過或系統(tǒng)處于工頻狀態(tài)，具備上高壓條件，閉點(diǎn)有效。

　　以上所有數(shù)字量采用無源接點(diǎn)輸出，定義為接點(diǎn)閉合時有效。除特別注明外，接點(diǎn)容量均為DC220V，3A。

　　2）．高壓開關(guān)柜給變頻器的狀態(tài)信號1路：

　　(1)高壓開關(guān)分閘信號：高壓開關(guān)處于分?jǐn)鄷r，輔助節(jié)點(diǎn)閉合；1個。

　　變頻系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

　　變頻系統(tǒng)，既可以變頻調(diào)速運(yùn)行，也可以投工頻運(yùn)行；

　　為變頻器提供的交流220V控制電源掉電時，變頻器可以通過內(nèi)部配置UPS供電使控制系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行達(dá)30分鐘；現(xiàn)場如果采用交、直流220V雙路供電時，變頻裝置能按照交流電源優(yōu)先的原則進(jìn)行交、直流無擾切換供電，保證供電可靠性。

　　在現(xiàn)場速度給定信號掉線時，變頻器提供報警的同時，可按原轉(zhuǎn)速繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，維持機(jī)組的工況不變；

　　3、有關(guān)變頻改造后風(fēng)機(jī)效率情況說明

　　風(fēng)機(jī)設(shè)備工頻運(yùn)行時，為保證生產(chǎn)工藝要求的壓力及流量值，一般通過改變風(fēng)門擋板的開度滿足要求，相應(yīng)的風(fēng)道風(fēng)阻曲線也會發(fā)生變化；故工頻運(yùn)行擋板調(diào)節(jié)方式是一種保持風(fēng)機(jī)特性曲線及效率范圍不變，改變風(fēng)道風(fēng)阻曲線來滿足實際工藝需求的方式，由于風(fēng)道風(fēng)阻曲線的變化就有可能會出現(xiàn)風(fēng)機(jī)運(yùn)行在低效率區(qū)的情況。

　　主扇風(fēng)機(jī)變頻改造后，其各轉(zhuǎn)速點(diǎn)的壓力和流量曲線相對工頻時的曲線是平行往下移動的，相應(yīng)的各速度點(diǎn)的風(fēng)機(jī)高效運(yùn)行區(qū)也是跟著各轉(zhuǎn)速點(diǎn)的壓力和流量曲線移動的；變頻改造后，在保持風(fēng)道風(fēng)阻曲線不變的情況下，通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到滿足工藝要求壓力和流量的目的；故變頻運(yùn)行調(diào)節(jié)方式是一種保持風(fēng)道風(fēng)阻曲線不變，改變壓力和流量曲線來滿足實際工藝需求的方式，由于風(fēng)機(jī)效率曲線是跟著各轉(zhuǎn)速點(diǎn)的壓力和流量曲線移動變化的，故變頻改造后能保證風(fēng)機(jī)一直運(yùn)行在高效率區(qū)。

　　4、系統(tǒng)散熱方案

　　高壓變頻器屬于大型電子設(shè)備，對環(huán)境要求比較嚴(yán)格。統(tǒng)計多臺設(shè)備的運(yùn)行情況，由于現(xiàn)場環(huán)境溫度過高而引起的設(shè)備故障比例較大，因此總結(jié)了三種方案為：1、加裝風(fēng)道；2、加裝空調(diào)；3、加裝空冷器。三種方案各有其適用的范圍。

　　1、加裝風(fēng)道。常規(guī)的設(shè)計是在機(jī)柜上面安裝風(fēng)道，將變頻器產(chǎn)生的熱量直接排放到室外，由變頻器室的進(jìn)風(fēng)口不斷補(bǔ)充冷風(fēng)，對系統(tǒng)進(jìn)行冷卻。在使用中需要注意的是如果變頻器柜頂風(fēng)機(jī)距出風(fēng)口較近（小于2米，中間無轉(zhuǎn)折），出風(fēng)口可不加裝輔助排風(fēng)機(jī)，否則需加裝排風(fēng)機(jī)。如果進(jìn)風(fēng)口的現(xiàn)場施工存在不便，風(fēng)道需有轉(zhuǎn)折，則可以考慮加裝風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫進(jìn)風(fēng)。

　　加裝風(fēng)道的優(yōu)點(diǎn)是成本低，可靠性高，散熱效果良好。適用于現(xiàn)場環(huán)境比較清潔的場合，否則就需要經(jīng)常清洗濾網(wǎng)。

　　2、加裝空調(diào)就是把高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)放置于一個比較封閉且相對狹小的房間內(nèi)（主要是可以減小空調(diào)的容量），但要滿足系統(tǒng)維護(hù)的需要，然后在房間內(nèi)安裝空調(diào)，通過空調(diào)內(nèi)部的循環(huán)將高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量排到室外。空調(diào)總體的制冷量為變頻器的發(fā)熱量加上空間制冷所需的制冷量。變頻器發(fā)熱需要根據(jù)運(yùn)行工況選擇，考慮一定的裕量，最大發(fā)熱量為變頻器額定功率的4%，如果長期運(yùn)行頻率低于40Hz，則發(fā)熱量可按照變頻器額定功率的2%進(jìn)行估算?？臻g制冷所需的制冷量，一般每平方米可以按照150瓦特計算。

　　加裝空調(diào)的優(yōu)點(diǎn)是由于沒有室內(nèi)外空氣的直接流通，容易保持室內(nèi)環(huán)境的清潔，但是空調(diào)的可靠性會影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，初次投資和運(yùn)行成本會相應(yīng)增加。

　　3、加裝空冷器?？绽淦魇且环N利用高效、環(huán)保、節(jié)能的冷卻系統(tǒng)，其應(yīng)用技術(shù)在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位。從變頻器出來的熱風(fēng)，經(jīng)過風(fēng)管連接到內(nèi)有固定水冷管的散熱器中，散熱器中通過溫度低于33℃的冷水，熱風(fēng)經(jīng)過散熱片后，將熱量傳遞給冷水，變成冷風(fēng)從散熱片吹出，熱量被循環(huán)冷卻水帶走，保證了變頻器控制室內(nèi)的溫度恒定。

　　四、風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能分析及計算

　　1、現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)：

　　五溝煤礦風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況調(diào)查表

　　1、設(shè)備基本情況表（銘牌）：

　　風(fēng)機(jī)型號 MAF-2100-1A 配套電機(jī)型號 Y500-6

　　額定壓力 2782 額定功率 500KW

　　額定流量 初期  139         后期176         額定電壓 6000V

　　壓力 初期1950           后期3400       額定電流 59.9

　　額定轉(zhuǎn)速 990r/min 額定轉(zhuǎn)速 988r/min

　　級數(shù) / 效率 /

　　返風(fēng)方式 電機(jī)反轉(zhuǎn) 功率因數(shù) 0.85

　　2、運(yùn)行情況表（實際運(yùn)行,取10～30天數(shù)據(jù)，）： 目前風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)手段 風(fēng)機(jī)運(yùn)行角度：

　　風(fēng)機(jī)壓力   1680Pa 風(fēng)機(jī)流量    107 m3/s

　　電機(jī)電壓    6300V 電機(jī)電流   38.7A

　　2、工頻狀態(tài)下耗電計算

　　Pd：電動機(jī)功率 ； d：電動機(jī)效率 ； U：電動機(jī)輸入電壓 ；

　　I：電動機(jī)實際運(yùn)行電流 ；cosφ：功率因子。

　　計算公式：Pd = ×U×I×cosφ  …①

　　然后將電機(jī)實際工頻下運(yùn)行的電流代入上面的公式，得出電機(jī)工頻狀態(tài)下的功率Pd

　　實際計算方法：工頻運(yùn)行下功率：Pd= ×6.3×38.7×0.85=358.9KW

　　3、變頻狀態(tài)下年耗電量計算

　　1）、風(fēng)機(jī)類負(fù)載的運(yùn)行特性及管路性能曲線的繪制與計算：

　　Pd’：電動機(jī)軸功率；P′：風(fēng)機(jī)軸功率 ； ：電動機(jī)效率 ； ：變頻器實際效率 ；

　　Q：出口流量 ；H：出、入口壓力差。

　　風(fēng)機(jī)設(shè)備屬平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其轉(zhuǎn)速n與流量Q，壓力H以及軸功率P具有如下關(guān)系：Q∝n ，H∝n2，P∝n3；即，流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。通過風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)，依據(jù) 公式可依次求得風(fēng)機(jī)在采用變頻調(diào)速運(yùn)行時對應(yīng)的風(fēng)機(jī)總功耗  。

　　另有，電動機(jī)效率 與電動機(jī)負(fù)荷率β之間的關(guān)系如圖一所示。

　　變頻器的效率 與電動機(jī)負(fù)荷率β之間的關(guān)系如圖二所示。

　　我礦扇風(fēng)機(jī)房年用電量298萬度，如按節(jié)電18.6%計算，則年節(jié)電55.4萬度，綜合電價0.61元，年節(jié)約資金33.79萬元。

　　計算說明：

　　現(xiàn)場設(shè)備變頻改造后實際節(jié)電效果僅僅與現(xiàn)有設(shè)備工頻運(yùn)行時的工況及電流有關(guān)，與節(jié)電計算是沒有關(guān)系的；好的節(jié)電計算僅僅能達(dá)到能為設(shè)備變頻改造提供比較準(zhǔn)確的節(jié)電率估算的作用；變頻改造后，不管采用什么品牌的變頻器，在設(shè)備能夠穩(wěn)定運(yùn)行的情況下其節(jié)電效果是基本相同的；品質(zhì)優(yōu)良的變頻設(shè)備能夠很好的保障用戶的節(jié)能效果和在各種生產(chǎn)過程正常高效地運(yùn)行。

　　五、應(yīng)用高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生的其他效果

　　1、維護(hù)量減少。采用變頻調(diào)速后，無論哪種工藝條件，隨時可以通過調(diào)整轉(zhuǎn)速使系統(tǒng)運(yùn)行在工藝要求的狀態(tài)下工作。

　　2、提高設(shè)備的使用壽命，大大降低維修費(fèi)用以及時間。

　　3、工作強(qiáng)度降低。

　　變頻調(diào)速系統(tǒng)可由主控系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，根據(jù)運(yùn)行工況按設(shè)定程序，實現(xiàn)對負(fù)載電動機(jī)轉(zhuǎn)速自動控制。大大降低了勞動強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，為優(yōu)化運(yùn)營提供了可靠保證。

　　4、減少了對電網(wǎng)的沖擊。

　　采用變頻調(diào)節(jié)后，系統(tǒng)實現(xiàn)軟啟動，電機(jī)啟動電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于額定電流，啟動時間相應(yīng)延長，對電網(wǎng)無大的沖擊，減輕了起動機(jī)械轉(zhuǎn)矩對電機(jī)機(jī)械損傷，有效的延長了電機(jī)的使用壽命。

　　5、提高功率因數(shù)

　　電壓源型變頻器功率因數(shù)可達(dá)0.96,采用變頻調(diào)速系統(tǒng)后，無需無功補(bǔ)償裝置就能滿足電網(wǎng)要求。不但提高了廠變及其它相關(guān)電氣設(shè)備的利用率、而且節(jié)約了線路能量損失，節(jié)約了經(jīng)費(fèi)，可謂一舉多得。

　　6、完善的故障診斷和保護(hù)功能

　　變頻器具備對電機(jī)和變頻器本身完善的保護(hù)功能，如過熱、過載、過流、過壓、缺相、接地等，從而避免設(shè)備在不正常狀態(tài)下長時間運(yùn)行，保證設(shè)備不至于損壞。并且，故障信息可以準(zhǔn)確地指示故障點(diǎn)，變頻器使用說明書中還有引起故障的原因及排除故障的措施，極大地方便了維護(hù)人員排查故障。

　　曹啟申，男，1977年6月出生，籍貫：安徽淮北，畢業(yè)于淮南工業(yè)學(xué)院電氣自動化專業(yè)，現(xiàn)任機(jī)運(yùn)事業(yè)部電氣主管，工程師，從事四大件電氣技術(shù)維護(hù)、管理工作。