摘要：為wei了le實shi現xian節jie能neng降jiang耗hao，山shan西xi煤mei炭tan運yun銷xiao集ji團tuan針zhen對dui高gao壓ya主zhu通tong風feng機ji進jin行xing技ji術shu改gai造zao。根gen據ju設she備bei的de具ju體ti工gong藝yi情qing況kuang
，並bing且qie分fen析xi比bi較jiao各ge種zhong可ke能neng的de技ji術shu方fang案an，確que定ding了le采cai用yong高gao壓ya變bian頻pin技ji術shu的de最zui佳jia解jie決jue方fang案。通過對改造前後主通風機運行情況的對比分析，得出改造後電能大幅度降低、提高了主通風機的控製水平的結論。

關鍵詞：煤礦主通風機
；節能

；高壓變頻器；功率單元串聯多電平

引言：節(jie)能(neng)降(jiang)耗(hao)已(yi)成(cheng)為(wei)我(wo)國(guo)的(de)基(ji)本(ben)國(guo)策(ce)。煤(mei)礦(kuang)企(qi)業(ye)既(ji)是(shi)產(chan)能(neng)大(da)戶(hu)，又(you)是(shi)耗(hao)能(neng)大(da)戶(hu)，許(xu)多(duo)煤(mei)礦(kuang)企(qi)業(ye)都(dou)非(fei)常(chang)重(zhong)視(shi)高(gao)耗(hao)能(neng)用(yong)電(dian)設(she)備(bei)的(de)節(jie)能(neng)技(ji)改(gai)工(gong)作(zuo)。特(te)別(bie)是(shi)主(zhu)通(tong)風(feng)機(ji)，設(she)備(bei)功(gong)率(lv)大(da)、24 h不bu停ting運yun轉zhuan。由you於yu煤mei礦kuang特te殊shu的de工gong藝yi要yao求qiu
，該gai設she備bei存cun在zai很hen大da的de節jie能neng空kong問wen。在zai滿man足zu礦kuang井jing的de通tong風feng需xu要yao的de同tong時shi，又you實shi現xian最zui大da程cheng度du的de節jie能neng
，本ben文wen通tong過guo闡chan述shu對dui山shan西xi煤mei炭tan運yun銷xiao集ji團tuan礦kuang井jing主zhu通tong風feng機ji采cai用yong高gao壓ya變bian頻pin改gai造zao，選xuan用yong功gong率lv單dan元yuan串chuan聯lian多duo電dian平ping高gao壓ya變bian頻pin器qi，實shi現xian了le主zhu通tong風feng機ji的de電dian能neng節jie約yue和he風feng量liang無wu級ji自zi動dong調tiao節jie。

1、設備的工況和節能要求

1.1
、設備參數

   煤礦企業主通風機為南陽防爆集團生產的2台防爆對旋式軸流通風機。風機主要參數如下：

   * 型號：BDK65—10一N026

   * 電動機額定功率／kW：2 x 800

   * 負壓／Pa：3077～120

   * 風量／m •s：60～150

   * 額定轉速／r-min：990

   * 額定電壓／V：10000

   * 額定電流／A：2x 56.3

   * 絕緣等級：F級

1.2、運行情況

   2台對旋風機互為備用，單台電機運行電流在43 A左右，該風機月用電量在63萬kWh以上。

1.3、對設備節能的具體要求

   根據礦井具體情況，確定了采用變頻方式進行技術改造。

   (1)在不影響通風量的前提下
，變頻設備應大幅度降低原用電設備(指的是煤礦主通風機)的電能，節電量要在20％ 以上。

   (2)在不降低的基礎上，能夠提高原用電設備的安全性和穩定性。

   (3)變頻設備自身的使用壽命長
，損耗低，日常維護量少。同時能夠降低原用電設備的維護量。

   (4)變頻設備操作方便
、不改變原用電設備操作工的操作習慣。操作工在簡單培訓後就可以熟練操作變頻設備。

   (5)為了滿足未來煤礦的發展需要，變頻設備容量留有一定的富裕。

   經過論證分析

，確定了采用功率單元串聯多電平型高壓變頻器根據井下負壓值連續控製主通風機的風量的節能方案，利用1台變頻器同時拖動1台對旋風機的2台電機，2台對旋風機可以分時使用變頻。

2.1、風量調節方式的選擇

   礦井生產過程中，井下對風量的需求和通風網絡特性經常發生變化，需要經常調節風機的工況點以適應生產要求。《煤礦安全規程》對dui煤mei礦kuang井jing下xia的de通tong風feng量liang有you具ju體ti規gui定ding
，小xiao了le不bu能neng滿man足zu要yao求qiu
，大da了le會hui使shi采cai煤mei工gong作zuo麵mian粉fen塵chen加jia劇ju而er且qie浪lang費fei能neng源yuan
，操cao作zuo工gong人ren通tong過guo觀guan察cha井jing下xia的de負fu壓ya值zhi高gao低di來lai判pan斷duan風feng量liang是shi否fou適shi合he。

原係統主通風機的風量調節主要是改變葉片安裝角度和節流調節，但是節流調節會造成能源浪費
；改gai變bian葉ye輪lun葉ye片pian安an裝zhuang角jiao度du一yi方fang麵mian需xu停ting機ji操cao作zuo
，另ling一yi方fang麵mian也ye會hui使shi風feng機ji效xiao率lv發fa生sheng變bian化hua，通tong常chang需xu調tiao節jie的de幅fu度du較jiao大da時shi才cai采cai用yong。隻zhi有you根gen據ju負fu壓ya值zhi變bian化hua自zi動dong調tiao節jie轉zhuan速su的de方fang式shi不bu改gai變bian風feng機ji的de效xiao率lv，在zai各ge個ge工gong況kuang點dian實shi現xian不bu停ting機ji調tiao節jie風feng機ji高gao效xiao狀zhuang態tai下xia運yun轉zhuan。

 

2．2
、調速方式的選擇

   (1)液(ye)力(li)耦(ou)合(he)器(qi)在(zai)電(dian)機(ji)和(he)負(fu)載(zai)之(zhi)間(jian)串(chuan)人(ren)一(yi)個(ge)液(ye)力(li)耦(ou)合(he)裝(zhuang)置(zhi)，通(tong)過(guo)液(ye)麵(mian)的(de)高(gao)低(di)調(tiao)節(jie)電(dian)機(ji)和(he)負(fu)載(zai)之(zhi)間(jian)耦(ou)合(he)力(li)的(de)大(da)小(xiao)
，實(shi)現(xian)負(fu)載(zai)的(de)速(su)度(du)調(tiao)節(jie)。這(zhe)種(zhong)調(tiao)速(su)方(fang)法(fa)實(shi)質(zhi)上(shang)是(shi)轉(zhuan)差(cha)功(gong)率(lv)消(xiao)耗(hao)型(xing)的(de)做(zuo)法(fa)，其(qi)主(zhu)要(yao)缺(que)點(dian)是(shi)隨(sui)著(zhe)轉(zhuan)速(su)下(xia)降(jiang)效(xiao)率(lv)越(yue)來(lai)越(yue)低(di)，並(bing)且(qie)維(wei)護(hu)工(gong)作(zuo)量(liang)大(da)。

   (2)串級調速 串級調速必須采用繞線式異步電動機，將轉子繞組的一部分能量通過整流、逆變再送回到電網，而現在工業現場幾乎都采用鼠籠式異步電動機
，更換電機非常麻煩。這種調速方式的調速範圍一般在70％ ～95％，調速範圍窄。容易造成對電網的諧波汙染，功率因數低
；串級調速電機受轉子滑環的影響
，大功率無法實現；滑環維護工作量大；屬於落後技術。

   (3)變頻調速方式(根據公式n=60f(1一s)／P)通過高壓變頻器改變電源頻率來調節三相異步電機的轉速。這種調速方式調速範圍寬
、設備使用壽命長
、自身能耗低、日(ri)常(chang)維(wei)護(hu)量(liang)少(shao)。缺(que)點(dian)是(shi)設(she)備(bei)造(zao)價(jia)比(bi)較(jiao)高(gao)
，但(dan)是(shi)隨(sui)著(zhe)高(gao)壓(ya)變(bian)頻(pin)器(qi)大(da)規(gui)模(mo)的(de)推(tui)廣(guang)
，其(qi)造(zao)價(jia)正(zheng)在(zai)逐(zhu)步(bu)降(jiang)低(di)。通(tong)過(guo)以(yi)上(shang)分(fen)析(xi)可(ke)見(jian)高(gao)壓(ya)變(bian)頻(pin)方(fang)式(shi)最(zui)為(wei)合(he)適(shi)。

 

2．3、高壓變頻器種類的選擇

   高gao壓ya變bian頻pin技ji術shu由you於yu現xian有you的de電dian力li電dian子zi器qi件jian耐nai壓ya不bu足zu，所suo以yi每mei台tai產chan品pin均jun需xu要yao使shi用yong大da量liang的de電dian力li電dian子zi器qi件jian。這zhe些xie器qi件jian組zu合he的de多duo樣yang性xing，使shi得de高gao壓ya變bian頻pin電dian路lu組zu合he也ye很hen多duo，當dang前qian常chang用yong的de高gao壓ya變bian頻pin器qi主zhu要yao有you以yi下xia幾ji類lei技ji術shu

方案：

   (1) 高低高方式

    即變頻器為低壓變頻器，采用輸入降壓變壓器，先把電網電壓降低
，然後采用1台低壓變頻器實現變頻；對於電機
，則有2種辦法：①改用低壓電機；②仍采用原來的高壓電機，需要在變頻器和電機之間再增加1台升壓變壓器，即高一低一高變頻方式。這種做法由於采用低壓變頻器，容量也比較小，對電網側的諧波較大。

   (2) 三電平電壓型高壓變頻調速方式

   三電平電壓源型高壓變頻技術通過獨特的二極管鉗位(或者其他的鉗位)方法，可以使係統的輸出電壓增加一個電平
，與兩電平相比較，這種方式的相電壓可以有3gedianpingshuchu
，guchengweisandianping。tongshimeigedianlidianziqijiansuochengshoudenaiyazhiyouzhiliumuxiandianyadeyiban，suoyicaiyongzhezhongfangshi，keyishidianlidianziqijiandenaiyayaoqiujiangdiyiban，dangcaiyongyixiegaoyadequankongxingqijian
，rugaoyaIGBrI1
、IGCT、ⅢCI1

、GTO晶閘管時
，可以直接實現高壓輸出。由於控製上難度較大，這種方法目前應用比較少，技術尚不成熟
，所以不采用。

   (3) 功率單元串聯式多電平高壓變頻方式

   功率單元串聯式多電平高壓變頻產品是在輸入端設置1台輸入隔離變壓器

，將輸入高壓交流電變成多組低壓交流電，每組低壓交流電分別輸入到1個ge功gong率lv單dan元yuan，經jing整zheng流liu濾lv波bo為wei直zhi流liu電dian後hou
，再zai經jing逆ni變bian成cheng為wei交jiao流liu電dian，各ge功gong率lv單dan元yuan的de交jiao流liu信xin號hao在zai逆ni變bian側ce串chuan聯lian成cheng為wei高gao壓ya交jiao流liu輸shu出chu供gong給gei高gao壓ya電dian動dong機ji。為wei了le減jian少shao輸shu入ru諧xie波bo，變bian壓ya器qi的de每mei個ge二er次ci繞rao組zu的de相xiang位wei1次錯開1個角度，形成多脈衝、多重化整流方式。其逆變輸出采用多重PWM方fang式shi，輸shu出chu諧xie波bo非fei常chang小xiao。這zhe種zhong方fang式shi采cai用yong低di壓ya器qi件jian實shi現xian高gao壓ya變bian頻pin輸shu出chu，器qi件jian無wu需xu串chuan聯lian，輸shu入ru輸shu出chu諧xie波bo非fei常chang小xiao，是shi一yi種zhong成cheng熟shu穩wen定ding的de高gao壓ya變bian頻pin技ji術shu。

   本次改造選用的就是功率單元串聯式多電平高壓變頻器產品。

2．4
、控製方式的選擇

   youyujinxingdeshishebeijienenggaizao，suoyizaibaozhengwendingxingdeqiantixia，chengbenshiyouxiankaolvde。yituoerfangshizaixingnengshangjibenyuyiduiyifangshixiangtong
，gongchengzaojiashangjiangdi50％以上的費用。以下是2種方式的介紹：

   (1) 一對一的方式

   一對一的方式即變頻器與電機一對一方式。由於對旋風機為2台風機首尾相對放置，那麼1台對旋風機就需要2台變頻器。這種方式的優點是控製簡單
，係統穩定性高。由於4OO kWyixiadegaoyabianpinqiyuancailiaochengbenjihuyiyang，suoyizheyangdegongchengzaojiajiangfeichangda。ruguobabeiyongdeduixuanfengjiyequanbupeiqidehua，zhenggegongchengzaojiajiangyoufanyibei。

   (2) 一拖二的方式

   一拖二方式就是1台變頻同時拖動1台對旋風機的2台電機，2台對旋風機可以分時使用該變頻器。這種方式缺點是控製係統複雜
，安裝調試時間長。但是優點是整個工程造價低(比一對一方式降低一半以上費用)，設備使用率高。

3、高壓變頻設備介紹

通過對各方麵比較，決定采用高壓變頻器對主通風機進行改造。選用了深圳市英威騰電氣股份有限公司生產CHH100-1600-10的高壓變頻器。

(1) 高壓變頻器的主要性能指標

變頻器容量／kVA: 2500

輸入頻率／Hz:0～50

額定輸入電壓／kV:10．0(±10％)

輸出頻率範圍／Hz:0～120

過載能力／％:120(1 min)；200立即保護

性能滿足相關指標：IEEE519—1992((電源係統諧波控製推薦規程和要求》；GB／T14549—1993(電能質量公用電網諧波》。

(2)性能主要特點

   ① 高壓變頻調速係統采用直接“高一高”變換形式，為單元串聯多電平拓撲結構，主體結構有多組功率模塊並聯而成；采用單元串聯疊波技術
、空問矢量控製的正弦波PWM調製方法。

   ② 變頻裝置控製采用LED鍵盤控製和人機界麵控製2種控製方式
，2種方式互為備用，2種方式從就地界麵上可以進行增

、減負荷
，開停機等操作。裝置保留至少一個月的故障記錄。

   ③ 在20％ ～100％ 的調速範圍內，變頻係統在不加任何功率因數補償的情況下，本機輸入端功率因數達到0．97以上
，減少無功輸入
，降低了供電容量。

   ④ 變頻裝置對電網電壓的波動有較強的適應能力
，在一10％ ～+10％電網電壓波動時能滿載輸出。可以承受35％的電網電壓下降而正常繼續運行，能適應煤礦電壓大幅波動的電網環境。

   ⑤ 變頻裝置設以下保護：過電壓
、過電流、欠電壓、缺相保護，短路保護
，失速保護，變頻器過載、電機過載保護，半導體器件的過熱保護

，瞬時停電保護等
，聯跳至輸入側10 kV開關。保護的性能符合國家有關標準的規定，並提供故障、斷電
、停機等報警。

(3) 具體控製方案

   如下方圖1所示，此係統由QF、QF1 ～QF4，高壓變頻器
、自動切換櫃(QS1 ～QS4

，KM1 ～KM4組成)、電動機M1 ～M4組成。高壓開關櫃為變頻器饋電
，並為其提供保護，保護主要有速斷保護、過載保護
、過電壓保護


，其整定值根據變頻器額定值計算。變頻器與高壓櫃之間的聯鎖關係有：

   ① 合閘閉鎖將變頻器“合閘允許”信號串聯於高壓開關合閘回路。變頻器故障或不能就緒時
，高壓開關(斷路器QF)合閘不允許。

   ② 故障分閘將變頻器“高壓分斷”信號並聯於高壓開關分閘回路。當變頻器出現故障時，分斷變頻器高壓輸入。

   ③ 隔離開關、真空接觸器以及高壓斷路器之間的閉鎖關係KM1 與KM 4電氣互鎖；KM1 與KM3,電氣互鎖；KM2 與KM3 電氣互鎖；KM2與KM4,電氣互鎖；控製同一台電機的高壓斷路器和真空接觸器同時隻允許一個閉合

，如QF閉合
，則KM1 不允許合閘，KM 1合閘，則QF 不允許合閘。

   ④ 當M1 正轉M2 同時反轉時，即拖動一台對旋通風機變頻運行時

，斷開QF1、QF2，分別合上QS1 、Q S2、KM1
、KM2：、QF；當變頻器出現故障時
，由另一台對旋式風機運行，即斷開QF、KM1 、KM2
、QS1 、QS2
，合上QF3、QF4、KM3、KM4。

   ⑤ 當變頻器出現故障或需要檢修時，隻要斷開QF和QS1 ～QS4即可。變頻器具有反風功能。櫃門上有1～4 風機運行指示，KM1 ～KM4,分閘和合閘指示。

圖1 電氣控製電路圖

4
、變頻設備運行情況

   變頻器於2011年6月30日安裝完成，7月3日ri投tou入ru運yun行xing。變bian頻pin器qi顯xian示shi采cai用yong中zhong文wen圖tu形xing界jie麵mian，觸chu摸mo屏ping操cao作zuo，生sheng動dong直zhi觀guan
，變bian頻pin器qi的de運yun行xing狀zhuang態tai一yi目mu了le然ran，各ge種zhong運yun行xing數shu據ju可ke在zai觸chu摸mo屏ping上shang查zha詢xun，便bian於yu操cao作zuo人ren員yuan及ji時shi了le解jie變bian頻pin器qi的de運yun行xing情qing況kuang。變bian頻pin器qi操cao作zuo簡jian單dan，兩liang級ji風feng機ji可ke以yi同tong時shi起qi動dong，可ke在zai3 min之內起動至高速，短時間內達到所需風量。   縮短的起動時間確保了生產安全。反風操作比以前簡單可靠，完全可滿足1Omin內實現反風的要求。根據實測累計節約電能50586 kWh／d。變頻器投入運行以來一直運行穩定，輸出頻率、電壓和電流符合要求，變頻器網側實測功率因數為0．976，效率均高於96％
，滿載時網側電流諧波總容量小於3％ 。

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關於英威騰：

英威騰，成立於2002年，致力於成為全球領先
、受人尊敬的工業自動化和能源電力領域的產品與服務提供者，2010年在深交所A股上市
，股票代碼：002334。英威騰是國家火炬計劃重點高新技術企業
，目前擁有15家控股子公司，分駐於全國的12大研發中心
，申請各類專利700多件，依托於電力電子、電氣傳動、自動控製、信息技術等關鍵技術
，主要產品涵括高中低壓變頻器、電梯智能控製係統

、伺服係統、PLC
、HMI、SVG、UPS、電機和電主軸、光伏逆變器
、節能減排在線管理係統、軌道交通牽引係統、新能源汽車電控係統等。英威騰現有員工2000多人
，大型生產基地3個，營銷網絡遍布國內及海外60多個國家和地區。