產品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
中壓變頻器在煤礦主扇風機上的應用
1引言
隨著我國經濟的發展，各行各業煤炭的需求量也越來越大，各大型煤炭企業紛紛開辟新的礦井來擴大規模，并且利用各種技術降低生產成本，因此變頻器在煤炭行業的需求也就越來越大。
主扇風機是煤礦通風系統中最重要的一部分，它可以說是每一個井下工作人員的呼吸要道，因此它也是煤礦安全生產中最重要的一個環節。長期以來，礦井主扇風機的功率都比較大，而且一天24小時不間斷運行，礦井所需的風量都是通過調節風門擋板或葉片角度來實現，根據反風及開采后期運行工況要求，所設計的通風機及拖動的電動機的功率，通常遠大于煤礦正常生產所需的運行功率。風機設計上余量特別大，在相當長的時間風機一直處在較輕負載下運行，因此，煤礦通風系統中存在著極為嚴重的大馬拉小車現象，能源浪費非常突出。
2 用戶介紹
山西焦煤集團正興煤業有限公司于2009年8月由山西焦煤集團投資有限公司作為主體企業，重組整合偏關縣五座煤礦而成，下有九鑫礦、閆家溝礦兩座礦井。九鑫礦生產能力為120萬噸/年，其主扇風機擔負著整個礦井的通風任務，要求安全穩定性極高，因為風機一旦停機，短時間內就將造成全礦無法正常生產，控制方式采用調節風門開度的大小來調整風量，這樣，不論生產的需求大小，風機都要全速運轉，而運行工況的變化則使得能量以風門節流損失消耗掉了。不僅控制精度受到限制，而且還造成大量的能源浪費，從而導致生產成本增加，設備使用壽命縮短，設備維護、維修費用高居不下，針對這種情況，礦領導經過論證，決定選用山東新風光電子科技發展有限公司生產的JD-BP34系列中壓變頻調速器4套對主扇風機進行控制，改造取得了成功。
九鑫礦主扇風機為兩臺，一用一備，現場1#、2#通風機設備參數相同，下面表1、表2給出1#風機基本參數。現場主扇風機如圖1所示。
3 風光牌JD-BP34-270F中壓三電平變頻器介紹
風光牌JD-BP34-270F中壓三電平變頻器采用高速DSP和CPLD芯片作為主控器件，主電路采用三電平或稱中點箝位拓撲結構。友好人機界面可以設置各種參數及實時監測運行狀態。國內較早成功研制三電平變頻器的廠商，產品榮獲山東省科技進步獎。
3.1 產品性能特點
（1）主電路采用三電平或稱中點箝位拓撲結構，不但能輸出較高電壓，而且能降低輸出電壓諧波成分和電壓變化率dv/dt，輸出波形良好。
（2）輸出端采用三相RLC低通濾波器，將變頻器輸出的三相SPWM波濾成正弦波，有利于保護電機。
（3）采用先進的高速DSP和CPLD芯片作為主控器件，保證變頻器的穩定運行。易于操作的人機界面可實現各種參數的設置及運行狀態的監控。
（4）不受電網波動影響，電機側電壓穩定。增加低頻啟動電壓可以補償線路損耗，適應遠距離傳輸（最遠達3000m以上）。
（5）保護功能齊全。設有過壓、欠壓、硬件過流、2倍過流、過載、欠載、溫升過高及失速等保護，并配有電機保護儀，變頻器一旦保護，會立即保存故障數據，便于查找分析，有效保護變頻器及電機。
（6）內置PID調節器，可開/閉環運行。
3.2產品技術規范
3.3風光牌JD-BP34-270F中壓三電平變頻器有關設計
本文僅對該變頻系統的技術特點簡述如下，與380V級通用變頻器相同部分不再贅述。
（1）主電路與功率器件的選擇
在PWM電壓型380V級變頻器中，一般采用兩電平電路。若用兩電平電路實現1140V的輸出勢必要用昂貴的高壓管或采用低壓管串聯結構，由于器件串聯動態均壓問題不易解決，應盡量避免。
本設計的整機方塊圖如圖2所示。
圖2 整機主回路
其中主電路部分采用三電平電路或稱中心點部位（NeturalPointClamped-Npc）方式，它不但能輸出較高電壓，而且能降低輸出諧波和電壓變化率（dv/dt），良好的波形正是本設計的目標之一。圖中的功率開關器件選用西門子的雙單元IGBT模塊（300A/1700V），采用兩模塊并聯，整流橋采用300A/1600V雙單元，整流后由兩組大電容器相串聯組成濾波器，電解電容采用10000UF/400VDC，六串四并，如圖電容器的連接點即本電路的中心點（三電平的中間電平）。主回路可控硅延時導通，選用350A/1600V的模塊。
（2）載波頻率的選擇
提高載波頻率對改善波形、降低噪聲大有好處，可是載波頻率提高，會使開關損耗增加，所以選擇時必須權衡利弊，本設備中載波頻率選為2.0kHz，選擇這個值時考慮到了輸出端LC低通濾波器電感鐵芯的重量因素。
（3）變頻器有關參數設置如表4所示。
4改造主回路控制方案
正興煤業九鑫礦主扇風機為兩臺，一用一備。風機電機變頻器采用一拖一控制，風光中壓變頻調速系統由一次回路進線柜、變頻單元柜組成。變頻運行時，變頻器為電機提供全面的保護。如果變頻器在運行中出現故障，立即將備用風機投入運行，保證煤礦通風生產要求。1#風機中壓變頻器柜一次回路如圖3所示。
DL：用戶負荷開關
1#、2#BPQ：JD-BP34-270F中壓變頻器
D：220kW/1140V異步電動機
圖4 中壓變頻器運行照片
圖5 人機界面運行圖
5 現場應用情況
正興煤業九鑫礦主扇風機選用型號JD-BP34-270F風光變頻器4套，于2012年7月2日一次性投運成功。變頻運行后，風門全部打開，運行頻率26Hz左右，不僅完全滿足煤礦生產工藝要求，而且用戶操作非常方便。變頻器運行穩定。變頻器現場運行如圖4所示，人機界面運行如圖5所示，變頻器運行參數記錄如表5所示。
風機采用變頻器改造投入運行后，輸入電流從72A下降到30A左右，風機電機功率從113.7kW下降到56.9kW，節電率為（113.7kW-56.9kW）/113.7kW=50%。
變頻改造的其他優點：
（1）采用變頻器后啟動風機時可以實現變頻軟啟動，避免了啟動電流對電網及控制設備的沖擊，可以有效地延長電氣設備的使用周期。
（2）按需調節風量，調速范圍寬且調速精度高，避免浪費。進行變頻改造后，風機的風量不再需要通過改變葉片角度來調節，而是由變頻器通過調節電機的轉速來實現，調節線性度好，因而可以根據井下生產需要隨時調節風量，避免了浪費。
（3）降低了風機的工作強度，延長了使用壽命。進行變頻改造后，風機的大部分時間工作在低速狀態下，因而大大降低了風機的機械強度和電氣沖擊，大大延長了風機壽命，提高了風機的安全運行系數和運行周期。
（4）變頻器具有短路、過載、過壓、欠壓、缺相等各種保護，有效地保護了電機。
（5）改善了現場工作環境，由于降低了風機的轉速，風機噪聲大大降低，深受現場工作人員的歡迎。
（6）減少了反風中的操作環節，以前反風需要操作系統的立式風門、水平風門以及反風風門，工序繁多而且經常出現倒錯風門的事故。現在使用軸流式風機和變頻器控制后，反風時極其簡單，只要在人機界面上將運行頻率調整為負的頻率，電機就會先減速至零點然后再反轉到所調頻率，這期間不用再調整整個風門系統，減少了工作量，降低了操作過程中的故障率。
6結束語
正興煤業九鑫礦主扇風機經過變頻改造之后，不僅達到了良好的節能效果，并且使整套通風系統的穩定性提高了一個大臺階。隨著國家對節能減排工作的越來越重視，煤礦企業通過各種措施降低生產成本，其中變頻技術起到了關鍵作用，取得了明顯的經濟效益和社會效益，適應了國家建設資源節約型社會的潮流。
