基于高压变频器在煤矿主扇风机的设计应用

1 引言

　　近年来，国家节能形势日益严峻，节能已成为全社会普遍关注的话题之一，各大型煤炭企业也纷纷利用各种先进技术以降低生产成本，而拖动高压电机的高压变频器在煤炭行业的需求也就越来越大。

　　主扇风机是煤矿通风系统中最重要的设备，是煤矿安全生产中最重要的一个环节。从工频运行时‍‍电动机‍‍的状态来看，电机长期保持在工频运行状态，当用户需要调节风量和风压时，主要是通过调节风机叶片角度或风门开度来实现，其实质上是通过牺牲风机效率的方式来降低风压，这样就造成了不必要的能源浪费，叶片在切割流体时的角度偏差或做功在风门上增加了风机的机械损耗，没有达到经济运行的目的，而且一天24h不间断运行，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，通常远大于煤矿正常生产所需的运行功率。风机设计的余量大，在相当长的时间内风机一直处在较轻负载下运行，因此，煤矿通风系统中存在着极为严重的大马拉小车现象，能源浪费非常突出。因此，主扇风机的变频节能改造势在必行。

2 现场情况简介

　　山西古县兰花宝欣煤矿位于山西省古县，主扇风机担负着整个矿井的通风任务，要求安全稳定性极高，风机一旦停机，短时间内就将造成全矿无法正常生产，通风调节方式采用调节风门开度的大小来调整风量，不论生产需求的风量大小，风机都要工频全速运转，而运行工况的变化则使得能量以空气在风门上做功损失消耗掉了。不仅控制精度低，而且还造成大量的能源浪费和设备损耗，从而导致生产成本增加，设备使用寿命缩短，设备维护、维修费用高居不下，针对这种情况，经过‍‍电气‍‍技术人员反复的调查研究，决定采用上海雷诺尔科技股份有限公司生产的RNHV智能型‍‍高压变频‍器对其进行节能改造。

3 主扇风机的节能原理

　　由流体力学可知，P（功率）=Q（风量）╳ H（压力），风量Q与转速N的一次方成正比，压力H与转速N的平方成正比，功率P与转速N的立方成正比，主扇风机控制是借助改变风门开度的大小来调节风量的，其实质是改变管道中气体阻力的大小来改变风量。因为风机的转速不变，其特性曲线保持不变， 当风门全开时，风量为Qa，风机的压头为Ha。若关小风门，管阻特性曲线改变，此时风量为Qb，风机的压头到Hb。则压头的升高量为：ΔHb=Hb-Ha。于是产生了能量损失：ΔPb=ΔHb×Qb。

　　而借助改变给风机的转速来调节风量，其实质是通过改变所输送气体的能量来改变风量。因为只是转速变化，风门的开度不变，管阻特性曲线也就维持不变。额定转速时风量为Qa，压头为Ha。当转速降低时，特性曲线改变，风量变为Qc。此时，假设将风量Qc控制为风门控制方式下的风量Qb，则风机的风量将降低到Hc。因此，与风门控制方式相比压头降低了：ΔHc=Ha-Hc。据此可节约能量为：ΔPc=ΔHc×Qb。与风门控制方式相比，其节约的能量为：P＝ΔPb+ΔPc＝(ΔHb－ΔHc)×Qb。

　　将这两种方法相比较可见，在风量相同的情况下，转速控制避免了风门控制下因压头的升高和管阻增大所带来的能量损失。在风量减小时，转速控制使压头反而大幅度降低，所以它只需要一个比风门控制小得多的，得以充分利用的功率损耗。

由上述可知，当要求调节风量下降时，转速N可成比例的下降，而此时轴输出功率P成立方关系下降。即风机电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。

4 雷诺尔高压变频器的特点

　　RNVH-A系列高压变频器采用多单元串联多电平技术，属于高-高电压源型变频器，可直接6KV/10KV输入，直接6KV/10KV输出。以6KV系列为例，每相由5个功率单元串联，各个功率单元由输入隔离变压器的二次隔离线圈分别供电，输出三相构成Y形，直接给6KV电机供电。

                           ‍‍6KV高压变频器系统拓扑结构图‍‍

功率单元结构为交-直-交方式，每个功率单元主要由输入熔断器、三相全桥整流器、电容器组、IGBT逆变桥、直流母线和旁通回路构成，同时还包括控制驱动电路。每个单元为三相输入，单相输出的脉宽调制型变频器。其输出的电压状态为1、0、-1，每相五个单元叠加就可以产生11种不同的电压等级。

　　该结构使用低压器件实现了高压输出，降低了对功率器件的耐压要求，对电网谐波污染非常小。输入功率因数高，不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置，输出波形接近正弦波。不存在谐波引起的电机附加发热、转矩脉动、噪音、dv/dt及共模电压等问题的特性，不必加输出滤波器，就可以使用普通的异步电机。

　　每个功率单元由移相变压器的一组副边绕组供电，通过三相全桥整流器将交流输入变为直流。电子控制部件接收主控系统发送的PWM信号并通过控制IGBT的工作状态，输出PWM电压波形。监控电路实时监控IGBT和直流母线的状态，将状态反馈回主控系统。

将每相N个功率单元输出的PWM电压波形进行叠加，产生出2N+1个电压阶梯的多重化相电压波形，5个功率单元输出的PWM波形及叠加之后的相电压波形如图所示：

                     变频器的单元输出波形及相电压叠加波形

　　主控系统包括主控板及其输入输出接口。主控板采用32位DSP、CPLD等大规模集成电路和表面焊接技术，系统具有极高的可靠性。主控板通过光纤通讯系统与所有功率单元之间建立通信联系，向各个功率单元传输PWM信号，并返回各个功率单元状态信息。通过触摸屏，可以实现系统运行、停机、复位及功能参数设定和记录查询。主控板的I/O接口用来实现端子控制模式的外部通信，主要功能有：系统端子复位、运行/停止控制、外部模拟方式频率给定、系统状态、运行频率。主控板的输入还包括控制电源和运行电流的采样信号。

　　电气控制以西门子S7-200为高可靠性的可编程逻辑控制器（PLC）为中心，辅以继电器、开关等器件，负责变频器内部逻辑控制及外部与用户的接口。PLC主要完成以下功能：与主控系统交换给定频率、运行频率、输出电流及功能号等数据；监控主控系统就绪、运行、故障等状态；处理变频器控制电源切换、旁通柜开关切换、互锁、风机、柜门、变压器温度等信号；处理用户的高压开关信号、控制指令信号，并向用户提供变频器运行状态和参数，所以界面操作语言全部为中文，应用软件也为汉化版内容，方便用户使用，并终身提供软件的免费升级。

5 变频器改造情况

　　主扇风机为对旋型轴流通风机，一用一备，每台风机包含两台电机，选用一台变频器拖动两台电机同时运行方式，外部加装手动一拖二旁路切换柜。主回路如图所示。

                                    主回路图

正常运行时闭合手动刀闸K12、K22，断开工频刀闸K11、K21，合上变频开关QF，变频器拖动两台电机同时运行，通过调节变频器输出频率来调节风量；

变频故障时，断开变频开关柜QF，闭合K11和K21、断开K12、K22，系统恢复原有运行方式工频运行；

K11和K12、K21和K22不能同时闭合，在机械上实现了互锁。

变频故障信号和变频开关柜也实现互锁，实现高压故障连跳功能。

雷诺尔高压变频器对电机非常友好，现场改造完成后进行了变频器输出波形测量，不含有高次谐波，如图所示。

6 改造后的效益

　　变频改造后，风门全部打开，运行频率在40Hz左右，运行电流23A，完全满足矿井内生产通风要求，而且提高了风量调节的速度，简化了用户操作工序，变频器运行非常稳定，降低了风机启动时候的冲击，产生了巨大的经济效益。

节电效益如下：

工频运行时，风门开度为2m左右，两台电机运行电流共计35A。

工频运行时功率和一天耗电量：

P工= 1.732×10×35×0.85=515.27kW

变频器运行时，风门全开，运行电流在21A，由变频器调节风机速度来满足风量要求。

变频运行时功率和一天耗电量：

P变=1.732×10×21×0.96=349.17kW

节电率：(P工- P变)/ P工=（515.27-349.17）/515.27=32.2%。

节约电费计算：

电价以0.6元/ kW?h计算，工频24h耗电费：

515.27×24×0.6=7419.89元。

变频24h耗电费：

349.17×24×0.6=5028.05元。

变频改造后，日节约电费：

7419.89-5028.05=2391.84元。

一年有效运行天数以280天计算，年节约电费：

2391.84×280=669715.2元。

7 结束语

　　山西古县兰花宝欣煤矿主扇风机经过变频改造之后,不仅达到了良好的节能效果,并且使整套通风系统的稳定性提高了一个大台阶。随着国家对节能减排工作的越来越重视，煤矿企业通过各种措施降低生产成本，变频节能技术也越来越受到重视，上海雷诺尔科技股份有限公司生产的RNHV型高压变频器也必将发挥越来越大的作用，为整个国家的节能减排事业做出贡献。