DQZHAN技術訊：高壓變頻器在煤礦主通風機設備上的應用
煤礦企業是中國用電大戶，其生產所用的主要機電設備耗電所占其用電比例相當大，像礦井主通風機、壓風機、主排水泵、主副井提升機及瓦斯泵站等大型機電設備(俗稱“五大件”)用電負荷基本占到煤礦生產用電量的60%以上。
以2012年中國煤炭生產為例，全年產煤38.7×108 t，但全年用電量為376×108 kW˙h，用電量占國內用電量3.49%，噸煤用電成本仍相比國外高許多。從數據分析來看，中國煤炭企業既是產能大戶，同時也是耗能大戶，但節能空間也潛力巨大。
1、變頻器介紹
1.1變頻器
隨著電子元器件科技水平不斷發展，絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)被廣泛應用，科技人員通過改變電機工作電源頻率的方式來達到控制交流電動機的電力控制，即使得變頻器順利誕生。變頻器的組成單元主要有整流單元、濾波單元、逆變單元、制動單元、驅動單元、檢測單元、微處理單元7個單元組成。變頻器通過控制其內部IGBT開斷來調整其輸出電源的電壓和頻率，匹配電機實際需要的電源電壓，從而達到節能及調速的目的。
1.2變頻器的主要用途
變頻器主要用在設備的大功率配套電機上，像大型風機，如煤礦主通風機、**風動風機等設備，還有一些大型水泵，如煤礦主排水設備等。為能使在這些機械與電氣設備中配套的電機滿足使用要求，其功率參數一般選擇都留有一定裕量。當電機正常運轉下，其正常功率在滿足機械設備動力驅動外，多余轉矩造成了有功功率消耗，使得電能無端浪費。這些設備往往通過機械方式來滿足所需功率要求，如風機通過調節機身入口或出口擋板、水泵通過調節入口或出口的閥門開啟角度等來調節風、水的流量、壓力等參數，這些都是典型大馬拉小車的配套方式。這種配套方式，通過人為增加阻力，并以浪費電能為代價來滿足使用條件的做法，與中國節能減排及“十二五”規劃背道而馳。當電機使用變頻調速時，只要通過降低風機或水泵的轉速即可滿足要求。
2、變頻器在煤礦主通風中的應用
2.1風機變頻改造方案
煤礦主通風機設備大多依據礦井用風滿負荷進行設備選型，實際應用中，風機大部分時間并未處于滿負荷狀態運行。采用變頻器后可通過變頻直接控制風機啟動，利用變頻器PID(比例積分微分控制)對電機進行調速以得到所需恒定風量，滿足礦井不同時段的風量需求。
2.2 風機變頻調速節能原理
主通風機的轉速從nl變為n2時，風量、風壓及功率有以下公式：
Q2=Q1(n2/nl)，(1)
H2=H1(n2/nl)2，(2)
P2=P1(n2/nl)3，(3)
式(1)～(3)中，nl、nl分別為變頻前后的主通風機轉速，r/min;Q1、Q2分別為變頻前后的每分鐘風量，m3/min;H1、H2分別為變頻前后的風機風壓，Pa;P1、P2分別為變頻前后的風機功率，kW[1]。
由(1)～(3)式可知，風機風量與電機轉速比成正比，風機風壓與電機轉速比的二次方成正比，風機功率與電機轉速比的三次方成正比，因此，可推出表1數據。
表1 風機數據關系比因素表 %
流量轉速壓力功率節約能源
1001001001000
90908172.927.1
80806451.248.8
70704934.365.7
60603621.678.4
50502512.587.5
4040166.493.6
從表1風機數據關系比因素表中可看出：當工況時間風量下調時，通過調節風機電機轉速比可節約大量電能。如井下開拓延伸暫時需滿負荷80%風量時，通過變頻，僅需電機額定功率的51.2%就可滿足井下使用，大概可節約近一半電量。如果采用機械調節方式，未采用變頻技術，就白白耗費了大量電能。
2.3 主通風機采用變頻后的優點
a) 采用變頻器控制電機轉速，取消機械擋板等調節裝置，節能效果明顯;
b) 采用變頻器控制電機，可低功率啟動電機，實現了電機軟啟，避免對電網沖擊;
c) 變頻器具有過載、過壓、過流、欠壓、電源缺相等自動保護功能。
3、變頻器在陽煤一礦主通風機中的應用
3.1國內變頻器發展狀況
整個高壓變頻器市場沒有出現持續爆發式增長，但中國變頻器品牌已涵蓋了幾乎所有領域，相對國際品牌有巨大的價格優勢。
本文就合康變頻在陽煤集團一礦中的應用做簡單介紹及分析。
3.2 合康變頻器
合康變頻公司成立于2003年，2006年成為高壓變頻器國家標準起草單位之一，其憑借雄厚的技術實力、**的生產工藝，樹立了國內變頻節能和控制專家的形象，成為行業領軍企業，其變頻器主要分為高壓及中低壓變頻器系統。
高壓變頻系列分為通用高壓變頻器和高性能高壓變頻器兩大系列。其中，通用高壓變頻器通過調節電機轉速實現節能目的，主要應用于電力、礦山、冶金、水泥、石化、市政等領域的風機、泵類傳動控制;高性能髙壓變頻器運用矢量控制及能量回饋技術，具備恒轉矩、動態響應快、調速精度高、調速范圍寬、快速制動等特點，可實現負載制動時能量反饋回電網，適用于礦井提升機、軋機、船舶驅動及高速機車主傳動等**領域。本文所述主要就是其通用高壓變頻器在煤礦主通風機中的應用。
3.3 合康變頻器的應用
陽煤集團一礦主通風機選用軸流通風機，電動機啟動方式采用變頻*佳。電動機啟動時端子電壓不僅要保證通風機啟動轉矩要求，還需同時在配電母線上引起的壓降不影響同一母線上其它用電設備正常工作，且電動機啟動還須滿足電動機制造廠的啟動要求[2]。
該系統控制單元主要由變頻電源柜(K1、K4)、變頻器(BP1、BP2)、變頻輸出柜(K3、K6)、工頻應急柜(K2、K5)四部分組成。系統中K1、K4電源柜是變頻器單元供給單元，合閘則提供電源，斷閘則斷開電源;BP1、BP2為變頻控制系統核心單元，分別對1號、2號主通風機電機進行調速;K3、K6變頻輸出柜主要起輸出側隔作用。K2、K3及K5、K6斷路器分別相互閉鎖，非工況下嚴禁K2、K5合閘。在BP1、BP2變頻器出現故障或檢修時，可閉合K2、K5實現同步自動切換功能，保證主通風機在工頻狀態下運行，不中斷礦井通風需求(工頻應急系統作為變頻調速的后備系統)。該系統兩套變頻器，1個正常使用1臺備用，變頻運行時，對應工頻應急柜必須處于斷開狀態。
3.4 投用主通風機變頻調速裝置使用效果分析
該礦采用合康HIVERT-Y06/600變頻對主通風機設計，自投運以來，該變頻器的使用收到了良好效果。具體優點如下：
a) 減少了對電網的沖擊，并同時具備軟啟動功能[3]。變頻器使用使得電機啟動電流不超其額定電流，啟動時間相應延長，對電網無沖擊，啟動平穩，低速運行，風機的振動、噪音和溫度明顯降低，延長了電機及風機的使用壽命，進一步提高了主扇風機**性;
b) 備用工況回路增強系統**性。如果變頻系統出現故障，為保障風機不間斷運行，可將其切換到工頻運行，保證主通風機不停風;
c) 高壓變頻器采用單元串聯多電平方式，諧波成分小，功率因數高。采用計算機進行過程控制，**可靠，維護量小;
d) 節電效果顯著。一般機械調風裝置的主要通風機運行效率在55%以下，而采用變頻調速裝置后，風機效率可提高到78%以上，尤其在礦井基建中前景廣闊。
4、結語
陽煤一礦主通風機采用變頻技術后，風機啟動速率更平穩，運行電流明顯減小，具有很明顯節電能力;同時實現電機軟啟動功能，避免了用工頻啟動時大電流大轉矩對電網的沖擊，不僅延長了電機等設備的使用壽命，也減輕了軸承磨損，提高了設備可靠性。在礦上通風機設備通過變頻改造后，不僅在性能上得到很大提升，且有利于實現自動化及無人值守。雖然變頻改造需要很大成本，但改造費用可通過節省電費收回。
