礦井主扇風(fēng)機(jī)采用高壓變頻調(diào)速后效益分析

摘要：礦井主扇風(fēng)機(jī)是煤礦生產(chǎn)中主要的用電負(fù)荷之一，風(fēng)機(jī)是按照礦井最大用風(fēng)量進(jìn)行選型設(shè)計(jì)。根據(jù)規(guī)程要求對井下需求供風(fēng)量進(jìn)行計(jì)算，流量達(dá)到15516m3/min就能滿足井下供風(fēng)要求。為了節(jié)約能源的消耗，對主扇風(fēng)機(jī)進(jìn)行高壓變頻改造，改造后風(fēng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，大大地節(jié)約了能源的消耗。

關(guān)鍵詞：礦井通風(fēng)機(jī)；變頻器；變頻調(diào)速

中圖分類號：TD633 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1009-2374（2013）26-0084-02

1 概述

我公司使用兩臺(tái)通風(fēng)機(jī)是沈陽通鼓風(fēng)機(jī)廠生產(chǎn)的型號為K4-73-01№32F的離心式主通風(fēng)機(jī)，各配有一臺(tái)Y630-12G型電動(dòng)機(jī)，額定電壓6kV，功率1200kW，額定電流150A，轉(zhuǎn)速580r/min，一臺(tái)工作，一臺(tái)備用，該風(fēng)機(jī)的額定流量為20000m3/min。負(fù)壓2300Pa，所需流量為

15516m3/min。

2 主扇風(fēng)機(jī)采用高壓變頻調(diào)速可行性分析

范各莊風(fēng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)表如表1所示：

表1

設(shè)備名稱 離心式風(fēng)機(jī) 生產(chǎn)

廠家 沈陽通鼓風(fēng)機(jī)廠

通風(fēng)機(jī)

銘牌參數(shù) 型號 K4-73-01№32F

額定流量（m3/min） 20000

工作壓力（kPa） 2.4

轉(zhuǎn)速（r/min） 580

葉輪直徑（m） 3.2

軸功率（kW） 1200

額定效率（%） 85

電動(dòng)機(jī)

銘牌參數(shù) 型號 Y630-12G-2/Y630-12G-1

額定功率（kW） 1200

定子電壓（V） 6000

定子電流（A） 150

轉(zhuǎn)速（r/min） 496

功率因數(shù) 0.81

如圖1所示，是通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來改變風(fēng)機(jī)特性的曲線，從圖中可以看到：當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)至n1時(shí)，風(fēng)壓-風(fēng)量曲線與管網(wǎng)特性曲線R相交于點(diǎn)M1，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、風(fēng)壓分別為Q1、H1；相應(yīng)的當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)至n2時(shí)，風(fēng)壓-風(fēng)量曲線與管網(wǎng)特性曲線R相交于點(diǎn)M2，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、風(fēng)壓分別為Q2、H2。n1>n2，根據(jù)特性曲線可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速降低，流量降低，同時(shí)風(fēng)機(jī)壓力也隨之降低，風(fēng)機(jī)內(nèi)部壓力也隨之下降。這樣就可以使用高壓變頻器，通過改變頻率來改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，這種方法不必改造風(fēng)機(jī)本身，只需由外部調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，風(fēng)機(jī)檔板能夠保持全開的位置不變，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)無級線性調(diào)節(jié)風(fēng)量，適用于需要風(fēng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行、連調(diào)節(jié)的場合。

圖1 調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速改變風(fēng)機(jī)的特性曲線

3 高壓變頻改造技術(shù)方案

高壓變頻器工作原理：三相6kV高壓交流電通過高壓開關(guān)柜送至干式隔離移相變壓器，供給每相5個(gè)共計(jì)15個(gè)單相IGBT逆變器功率單元，采用Y形連接，每相上的5個(gè)功率單元輸出的SPWM波相疊加后，將形成線電壓為6kV的高質(zhì)量的正選波輸出，供給電動(dòng)機(jī)。通過控制此輸出正弦波的電壓幅值和頻率，來控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

圖2 曲型系統(tǒng)連接電路

系統(tǒng)連接電路：如圖2所示是高壓變頻系統(tǒng)的典型的電路連接示意圖，通過此圖可以看出高壓變頻系統(tǒng)的整個(gè)工作過程：通過高壓隔離開關(guān)K1變壓器的原邊能夠連接到母線電網(wǎng)上，而母線電壓經(jīng)過多組副邊繞組降壓移項(xiàng)后，輸入到高壓變頻器，高壓電動(dòng)機(jī)的工作就是有高壓變頻器的輸出直接驅(qū)動(dòng)的。

高壓變頻器主電路：圖3所示就是高壓變頻器的主電路。圖4和圖5分別為實(shí)測的高壓變頻器輸入電壓波形和電流波形。

圖3 變壓變頻器主電路

圖4 高壓變頻器輸和電壓波形

圖5 高壓變頻器輸入電流波形

電壓疊加原理：將多個(gè)功率單元的輸出電壓相互疊加就形成了高壓變頻器的輸出電壓。例如由5級功率單元疊加形成的6kV高壓變頻器的電壓疊加原理如圖6所示：

圖6 高壓變頻器電壓疊加原理

當(dāng)電網(wǎng)電壓為6kV時(shí)，變壓器的副邊輸出電壓即功率單元的輸入電壓為690V，每個(gè)功率單元的最高輸出電壓也為690V，同一相的五個(gè)單元串聯(lián)后，相電壓為690V×5=3450V，由于三相連接成星型，那么線電壓便等于1.732×3450V≈6000V，達(dá)到電網(wǎng)電壓的水平。

圖6所示，是多個(gè)功率單元串聯(lián)后所得到的階梯正弦PWM波形。

圖7所示，是實(shí)測得到的高壓變頻器輸出電壓波形和電流波形。

正弦PWM波形因?yàn)檎叶群谩u/dt值小。

圖7 功率單無輸出波形及輸出相電壓波形

高壓變頻器的系統(tǒng)組成：高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的組成包括功率柜和變壓器柜、旁路柜。

4 風(fēng)機(jī)應(yīng)用高壓變頻器后取得的效果

（1）變頻器控制電源可以實(shí)現(xiàn)雙路同時(shí)供電，保證控制電安全可靠。（2）變頻器除具有遠(yuǎn)程控制外還可以實(shí)現(xiàn)本機(jī)控制，即可通過變頻器本機(jī)控制操作面板選擇“本機(jī)/遠(yuǎn)程”控制。（3）變頻器具有過流、短路、接地、過壓、超溫、通信故障、控制電源故障等保護(hù)功能。（4）高壓變頻器自身功率因數(shù)高，無需額外的無功補(bǔ)償裝置。（5）變頻器與現(xiàn)有風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)配套使用。（6）能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場、礦調(diào)度室遠(yuǎn)程監(jiān)控變頻器與風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀況。（7）根據(jù)GB12497《三相異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施監(jiān)督指南中的計(jì)算公式可計(jì)算出年節(jié)約電能消耗：

P=[0.45+0.55（Q/Qn）]

Pe=[0.45+0.55×257/333]×1200=1079kW

式中：

Q——風(fēng)機(jī)實(shí)際風(fēng)量

Qn——風(fēng)機(jī)額定風(fēng)量

Pe——電機(jī)額定功率

節(jié)電率由公式k=1-（Q/Qn）3/[0.45+0.55（Q/Qn）2]=1-0.773/[0.45+0.55（0.772）]=0.41

年節(jié)電：1079×0.41×24×330=350.3728萬度，每度按0.5元/度計(jì)算，年可節(jié)電：350.3728×0.5=174.1864萬元。

5 結(jié)語

采用高壓變頻調(diào)速裝置，風(fēng)機(jī)得到高效運(yùn)轉(zhuǎn)，減少了風(fēng)機(jī)負(fù)荷，節(jié)電效果顯著，年節(jié)電350萬kWh。采用變頻調(diào)節(jié)后，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，減少了對電網(wǎng)的沖擊，減輕了起動(dòng)對風(fēng)機(jī)葉片、電機(jī)的機(jī)械損傷；大幅度降低風(fēng)機(jī)噪音和振動(dòng)，減少了噪聲對環(huán)境的污染，具有一定推廣應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：宋長喜（1963—），河北唐山人，開灤能源化工股份有限公司范各莊礦業(yè)分公司生產(chǎn)部機(jī)電副總，電氣高級工程師。