高压变频器在煤矿主通风机上的应用
发布时间：2019-07-12 09:41:28来源：
关键词：高压变频器 煤矿 主通风机 节能
Abstract: This paper describes the application of the FengGuang high voltage inverter in Shandong's Weishan Cui Zhuang coal mine fan, and transformation of energy were calculated. The result shows that the high frequency of using coal energy-saving fan speed control device, with good economic and social benefits.
Key words: High voltage inverter Coal mine Main fan Energy-saving
1 概述
被誉为“中国荷都、北方水乡和铁道游击队故乡”的微山县位于山东省南部，因地处微山湖故名。抗日战争时期，以微山湖为根据地的 “微湖大队”、“运河支队”、“铁道游击队”等革命武装，创造了许多可歌可泣的英雄业绩，一曲《弹起我心爱的土琵琶》唱响大江南北。
微山崔庄煤矿有限责任公司是一家县属地方国有企业。该公司井田面积为12.6平方公里，地质储量1.36亿吨。资产总额16亿多元，员工3500多人，2010年销售收入11.5亿元，实现利税5亿元，利润3.5亿元，经济效益、全员工效、安全生产等经济指标均名列山东省地方煤矿前列。
2 现场简介
崔庄煤矿位于山东省济宁市微山县，崔庄矿通风系统配置两台轴流式通风机，一用一备，每台风机配置355kW/6kV高压异步电机。矿井主通风机用于向井下提供新鲜风流、排除污浊空气和有害气体，对煤矿的安全生产影响重大。矿井主通风机全年不停地运行，其电耗量较大。矿井所需的风量通过调节风门挡板或叶片角度来实现，根据反风及开采后期运行工况要求，所设计的通风机及拖动的电动机的功率，远大于煤矿正常生产所需的运行功率。风机设计上余量特别大，在相当长的时间风机一直处在较轻负载下运行，煤矿通风系统中存在着较为严重的大马拉小车现象，能源浪费非常突出。现场设备如图1所示：
现场设图
3矿用通风机采用变频调速改造的必要性
在煤矿生产中，所需风量风压在不同阶段有不同的要求，为满足生产要求，煤矿通常采用以下几种方法调节：
(1) 闸门调节；
(2) 改变通风机速度；
(3)改变前导器叶片角度；
(4) 轴流式通风机改变动叶安装角；
(5) 离心式通风机调节尾翼摆角；
(6)轴流式通风机改变动叶数目；
(7)轴流式通风机改变静叶角度。
其中以闸门调节效率比较差，它是人为地改变阻力曲线，增加风阻，越调节性能就越恶化；前导器调节和尾翼摆角调节效率比闸门要高；改变动叶安装角和动叶数目，可改变风机的特性曲线，使风机在较大范围内以较高的效率运行，以达到节能降耗的目的。改变通风机速度，使其在比较佳工况点运行，使风机在比较大的范围内以比较高的效率运行，节能效果好。
如果采用高压交流变频调速技术，通过改变频率，调整风机的转速，直至满足矿井通风需要。一旦高压变频器出现故障，短时间内可切换到工频运行，不影响矿井通风。通过高压变频器，风机可以根据矿井通风需要实时调速运行，使风机始终运行在高效区。高压变频调速技术在矿井大功率通风机上的应用，具有其应用的特殊性，通风机停机10分钟即为重大事故，因此对变频器的可靠性及系统的安全性设计要求很高。
为了降低通风机消耗，提高风机运行效率，矿领导经过论证，比较后决定选用山东新风光电子科技发展有限公司生产的JD-BP37-400F高压变频器对矿主通风机进行改造。2010年4月，高压变频器在矿通风井投入运行，改造达到了预期目的。
4风光牌JD-BP37-400F 高压变频器技术参数
山东新风光电子公司是国家高新技术企业，生产的风光牌JD-BP37系列高压变频器荣获“中国名牌”称号，高压变频器以高速DSP为控制核心，采用无速度矢量控制技术、功率单元串联多电平技术，属高-高电压源型变频器，其谐波指标远小于IEE519-1992的谐波国家标准，输入功率因数高，输出波形质量好，不必采用输入谐波滤波器、功率因数补偿装置和输出滤波器；不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题，可以使用普通的异步电机。
JD-BP37-400F 高压变频器技术参数
5改造主回路控制方案
风光高压变频调速系统由一次回路进线柜（旁路柜）、变压器柜、变频单元柜和操作控制柜组成。旁路柜在变频器维护过程中或变频器出现故障时，将电机投入到工频电网运行，保证生产不受影响。变频运行时，变频器为电机提供全面的保护。高压变频器旁路柜一次回路如图2所示。
DL：用户高压断路器
K1、K2、K3：高压变频器内置高压隔离开关
BPQ：JD-BP37-400F高压变频器
D：355kW/6kV异步电动机
手动旁路柜中，共有3个高压隔离开关，为了确保不向变频器输出端反送电，K2与K3采用电磁互锁操动机构，实现电磁互锁。当K1、K3闭合，K2断开时，电机变频运行；当K1、K3断开，K2闭合时，电机工频运行，此时变频器从高压中隔离出来，便于检修、维护和调试。
旁路柜必须与上级高压断路器DL连锁， DL合闸时，绝对不允许操作旁路隔离开关与变频输出隔离开关，以防止出现拉弧现象，确保操作人员和设备的安全。现场高压变频器运行如图3所示。
6 通风机系统变频改造效果
通风机属于煤矿辅机设备中的高能耗设备，其输出功率不能随负荷变化而变化，只有通过改变风叶的角度和风门来调整风压和风量，造成很大部分能量消耗在节流损失中。针对以上能源浪费的现象，采用高压变频技术对煤矿通风机进行技术改造，是煤矿节能降耗提高通风机运行效率的有效途径。
6.1通风机变频改造情况介绍
崔庄矿是一个新建矿井，生产后期风阻较大，所以根据矿通风部门提供的数据，风机按照容易期风量82.5m3/s、风压1764Pa，困难期83 m3/s、风压2646Pa设计。风机采用两台轴流式通风机，互为备用。通风机为2K58-NO.24轴流式通风机，转速为743r/min。配备电动机型号为Y450-8，额定功率355kW，额定电压为6000V，额定电流为45.7A，额定转速743 r/min。通风机特性曲线
由于建矿时间短，实际需要风量较小，投入运行后通过调整风叶角度在32.50运行，经矿测试中心测量，风门开度2m, 风机叶角度32.50，风机风量85 m3/s，风机负压1750Pa，电机电流43A，电动机工况功率344kW。风机在全速运行时工作在低效区内。针对矿井实际的通风需求，采用调节风叶角度和风门实现风量、风压的调整，存在电能严重浪费。
根据上述情况，根据风机厂家提供的技术参数和图纸，获得风机的运行特性。根据厂家提供的风机特性曲线图，制定风机预计工矿点。当改变风机叶角度到400，同时降低风机转速到654r/min，通风机此时工作在特性曲线高效区。测量变频运行后数据：变频器输入电流24A，运行频率44Hz，功率因数0.975，负压1700Pa，风量约82.5m3/s，实际测量风机效率达到81%。完全符合现在生产需要。
同时为防止变频器发生重大故障，设计了工频旁路电路，在重大故障时系统可将风机投入工频运行，以确保生产的连续性，避免了因通风影响煤矿生产。
6.2 采用变频后通风机的节能效益
根据上述，改造后风机效率为81% ，经测量变频后功率因数
变频时，电动机消耗功率为：
P2=1.732×6×24×0.975=243.17kW 。
工频时，电动机消耗功率为：P1=344kW。
一天按24小时运行，一年按300天计算，采用变频技术后通风机节约电量计算如下：
年节电：（P1- P2）×24×300 =（344-243.17）×24×300=725976 (kW•h)。
每kW•h按0.6元计算，年节约电费为：
(725976×0.6)/10000=43.56万元。
估算采用变频技术后供电线路节省消耗：
通过公式计算工频时线路功率因数：
式中： ——功率因数提高前、后的电流
——变频改造前功率因数
——变频改造后功率因数
——变频改造前供电功率
——变频改造后供电功率
变频运行比工频运行供电线路每小时减少的无功功率：
年节省线路无功功率传输为229.67×24×300=1653624kvar。
按线路损失5%，每度电费按0.6元计算，年节约电费为：
1653624×5%×0.6=4.96万元。
总计节约电量：43.56+4.96=48.52万元。
6.3其他效益
（1）变频起动对电网没有冲击。由于变频器改造后风机实现软起动，避免了起动电流的冲击，而且还可以随时起动或停止。
（2）按需调节风量，避免浪费。进行变频改造后，风机的送风量不再需要由风叶角度和风门来调节，而是通过变频调节风机的转速来实现，调节范围可以从0%—100%；因而可以根据井下通风需要实时调节风量，减少了不必要的浪费。
（3）降低风机工作强度，延长设备使用寿命。变频改造后，风机的大部分工作时间都在较低的速度下运行，因而大大降低了风机工作的机械强度和电气冲击，大大延长风机的使用寿命。
（4）风机设备的噪声降低，改善了工作环境。
（5）提高了通风机的自动化控制水平。
过去通风机依靠人工调节挡板，不具备风量的自动实时调节功能，自动化程度低。变频改造后，通风机由变频器进行控制，严格按程序进行控制，在矿监控室显示通风系统各项电气参数及设备运行状态（工作、停止、故障）等，实现了生产过程对通风机的自动控制。
（6）界面为纯中文操作，操作简单，使用方便。
（7）保护功能齐全，除了过压、欠压、过热、过载、短路、缺相等自身保护功能外，还设有故障单元自动旁路功能、外围联锁保护系统及变频故障转工频等功能，提高了系统的安全稳定性。
7结束语
总之，矿用通风机采用变频调速，不但实现了软起、软停，而且可根据巷道的通风需求方便地进行调速，改造效果是十分理想的。2006年风光公司率先在宁夏煤业公司矿用通风机上进行变频改造，开创了国产高压变频器在矿用通风机应用变频改造的历史，至此后，煤矿行业通风机变频应用越来越多，风光公司高压变频器在煤炭行业有着良好的业绩，风光产品为推动国家节能减排工作做出了贡献。