国产高压变频器在煤矿主扇风机中的应用

【摘 要】本文主要介绍了国产高压变频器在煤矿主扇风机中的应用情况。通过对高压电机各种调速方式比较，选用功率单元串联多电平型高压变频器对主扇风机进行调速改造。应用情况表明，改造是成功的。

【关键词】高压变频器；功率单元串联多电平；煤矿主扇风机

0 引言

我国煤炭工业堪称我国第一能源工业，既是产能大户，又是耗能大户，同时也是节能潜力大户。煤矿用的通风机的耗电量即占生产电耗的15%～25%为此，采用变频调速技术可大幅度地降低电耗，利用变频技术对现有用电设备进行节能改造，是解决我国煤炭工业高消耗、低效益的根本措施。

1 工况简介

沛城煤矿隶属于天能集团有限责任公司。采用离心式通风机抽风。电机功率为250kw，电压6kv。煤矿开采遵循以风定产的要求，风量随煤的产量的增加而增加。因此为了煤矿生产安全、完成生产任务，所需风量、风压随着开采和掘进的不断延伸，巷道延长，及开采量的增加而增加，风机需用功率也随之增加。风量的调节方式为挡风板调节，无形中浪费了大量的电能。针对这种情况，决定对主扇风机进行节能改造。

2 我矿主扇风机的调节方案

沛城煤矿主扇风机为两台离心式通风机，一用一备。离心式通风机的一般性能曲线。

该矿原来的主扇风机采用工频运行，在运行中一般采用调节档板开关量调节通风量，因此通风效率较低，造成能源浪费，增加了生产成本。又由于主扇风机设计的余量特别大，在相当长的时间主扇风机一直处在较轻负载下运行，能源浪费更加突出。

当主扇风机采用直接启动时，由于电网容量有限，起动时间长，启动电流大，对电动机的绝缘有着较大的威胁，严重时甚至烧毁电动机。而高压电动机在启动过程中所产生的单轴转矩现象使风机产生较大的机械振动应力，严重影响到电动机、风机及其它机械的使用寿命。

综合以上几点，为了矿井的安全生产、降低生产成本和减小对风机电机的冲击，决定采用安邦信公司生产的AMB-HVI-400/06型高压变频器对主扇通风机进行改造。

3 高压变频器技术的优点

1）变频器采用液晶显示数字界面，调整触摸式面板，可随时显示电压电流、频率、电机转速，可非常直观地显示电机在任何时间的实时状态；

2）精确的频率分辨率和高的调速精度，完全可以满足各种生产工艺工况的要求；

3）高压变频器具有国际通用的外部接口，可以同可编程控制器（PLC）和工控机等各种仪表相连，并可与原设备控制回路相连接，构成部分闭环系统，如与原DCS系统实现数据交换和连锁控制等；

4）具有就地和异地操作功能，另可通过互联网实现远程监控功能；

5）保护功能齐全：变频器有过压、过流、欠压和变频器故障保护功能，具有电力电子保护和工业电气保护功能，保证变频器和电机在正常运行和故障时的安全可靠；

6）电机可实现软启动、软制动，启动电流小，小于电机的额定电流，电机启动时间可连续可调，减少了对电网影响；

7）由于采用功率单元串联，可采用技术成熟的低压IGBT组成逆变单元，通过串联单元的个数适应不同的输出电压要求；

8）完美的输入输出波形，使其能适应任何场合及电机使用；

9）由于多功率单元具有相同的结构及参数，便于将功率单元做成模块化，实现冗余设计，即使在个别单元故障时也可通过单元旁路功能将该单元短路，系统仍能正常或降额运行；

10）控制系统采用光缆隔离通讯，避免了干扰系统；

11）变频工频之间可实现无涌动飞车切换。

4 风机的相似定律

（1）表示风机性能的特性曲线有：

H-Q曲线：当转速恒定时， 风压与风量间的关系特性；

P-Q曲线：当转速恒定时， 功率与风量间的关系特性；

η-Q曲线：当转速恒定时，风机的效率特性。

对于同类型的风机，根据风机参数的比例定律，在不同转速时的H-Q曲线。

根据风机相似方程，当风机转速从n变到n′，风量Q、风压H及轴功率P的变化关系：

Q′=Q（n′/ n） （1）

H′=H（n′/ n）2 （2）

P′=P（n′/ n）3 （3）

上面的公式说明，风量与转速成正比。风压与转速的二次方成正比，轴功率与转速的三次方成正比。因此，从理论上得出转速降10%的时候，会带来28%的功率下降，转速降50%的时候，会带来87%的功率下降，由于功率的大幅度下降，可获得显著的节电效果，调节阀门和用变频调速两种调节方法的运行工况点也不同，其运行的对比所示。

（2）调节转速与采用档板调节流量消耗功率的差值

采用改变风机转速和改变管网特性进行风量的调节，在调节相同风量时，其风机的特性曲线（H-Q曲线）变化不同，二种调节方法的运行工况点也不同，其运行的对比。

5 变频运行

变频投入运行以来一直稳定运行，输出频率、电压和电流稳定，风机运行稳定，测量性能特点为：

（1）变频器网侧实测功率因数为0.976；

（2）效率均高于96%；

（3）满载时网侧电流谐波总容量小于3%，输出电流谐波小于4%，均低于国家标准；

（4）风机以低于额定转速运行，噪声降低磨损减轻，减少了维护费用，经济效益良好；

（5）软启动电流小，保证启动过程对电网不会产生冲击电流，消除了大电动机大电流启动时的冲击力矩对电机的损坏；

（6）使用后实践证明，投运变频器后，频率通常在30-50Hz范围内，转速降低，轴承的机械损耗少，设备的维护工作量大大减少，维护费用降低，有利于装置安、稳、长、满、优运行。

6 变频操作

变频器显示采用中文图形界面，触摸屏操作，生动直观，变频器的运行状态一目了然，各种运行数据可在触摸屏上查询，便于操作人员及时了解变频器的运行情况。变频器操作简单，风机可在3min之内起动至高速，短时间内达到所需风量。由于沛城矿属于老矿井，主扇风机停机10min就是重大事故，简便的操作和短的起动时间确保了生产安全，并且反风操作比以前简单可靠，完全可满足10min内实现反风的要求。

7 能耗分析

主扇风机：功率250KW，额定电流29.8A，实际工作电流为22A，功率因数0.82，风门开度65%（长期）工作时间按12月/年，变频系统效率97%，变频系统功率因数≥0.96，电机轴输出功率为250KW时，电机的输入功率：P1=■UIcosφ，P=1.732 ×6×22×0.82=187kW；

风机额定转速为580r/min，实际需求转速为492r/min，电机和风机的转速变比为500/320，电机的额定转速为990r/min，为达到风机的实际需求的转速，则电机的转速响应为839r/min，转速下降比率839/990=0.848，则变频功率消耗为额定功率的三次方60.9%，变频功率为P1=250KW×（60.9%）=152KW，节省功率：187kW-152kW=35kW，节电率为（35）kW÷（187）kW×100%=（18.7）%。（注：一般的变频改造都有20%左右的节电率）每天24小时运行，每年按照360天计算，平均电价0.54元/度，一年节省（35）kW×24小时×360天×0.54元/度=（163296）元。

间接经济效益分析：功率因数改善效益，起动节省电能，减少维修费用，节省劳动力等。

8 结束语

在沛城煤矿主扇风机成功应用高压变频器这是第一次，在中国煤炭行业，矿用通风机高压变频改造也不多见，其示范意义是不言而喻的。实际应用表明，高压变频器的应用于煤矿主扇风机的系统改造，必将取得良好的运行效果和经济效益。我国是世界上的产煤大国，又是能源相对贫乏的国家之一，而且也是吨煤耗能较高的国家。而推广使用变频器在煤矿行业进行改造，节约能源的效果将是非常可观的，适应了国家建设节约型社会的潮流。

[责任编辑：丁艳]

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