1 引言
近年來，國家節(jié)能形勢日益嚴(yán)峻，節(jié)能已成為全社會普遍關(guān)注的話題之一，各大型煤炭企業(yè)也紛紛利用各種先進(jìn)技術(shù)以降低生產(chǎn)成本，而拖動高壓電機(jī)的變頻器在煤炭行業(yè)的需求也就越來越大。
主扇風(fēng)機(jī)是煤礦通風(fēng)系統(tǒng)中最重要的設(shè)備，是煤礦安全生產(chǎn)中最重要的一個環(huán)節(jié)。從工頻運(yùn)行時電動機(jī)的狀態(tài)來看，電機(jī)長期保持在工頻運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)用戶需要調(diào)節(jié)風(fēng)量和風(fēng)壓時，主要是通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)葉片角度或風(fēng)門開度來實(shí)現(xiàn)，其實(shí)質(zhì)上是通過犧牲風(fēng)機(jī)效率的方式來降低風(fēng)壓，這樣就造成了不必要的能源浪費(fèi)，葉片在切割流體時的角度偏差或做功在風(fēng)門上增加了風(fēng)機(jī)的機(jī)械損耗，沒有達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的，而且一天24h不間斷運(yùn)行，根據(jù)反風(fēng)及開采后期運(yùn)行工況要求，所設(shè)計的通風(fēng)機(jī)及拖動的電動機(jī)的功率，通常遠(yuǎn)大于煤礦正常生產(chǎn)所需的運(yùn)行功率。風(fēng)機(jī)設(shè)計的余量大，在相當(dāng)長的時間內(nèi)風(fēng)機(jī)一直處在較輕負(fù)載下運(yùn)行，因此，煤礦通風(fēng)系統(tǒng)中存在著極為嚴(yán)重的大馬拉小車現(xiàn)象，能源浪費(fèi)非常突出。因此，主扇風(fēng)機(jī)的變頻節(jié)能改造勢在必行。
2 現(xiàn)場情況簡介
山西古縣蘭花寶欣煤礦位于山西省古縣，主扇風(fēng)機(jī)擔(dān)負(fù)著整個礦井的通風(fēng)任務(wù)，要求安全穩(wěn)定性極高，風(fēng)機(jī)一旦停機(jī)，短時間內(nèi)就將造成全礦無法正常生產(chǎn)，通風(fēng)調(diào)節(jié)方式采用調(diào)節(jié)風(fēng)門開度的大小來調(diào)整風(fēng)量，不論生產(chǎn)需求的風(fēng)量大小，風(fēng)機(jī)都要工頻全速運(yùn)轉(zhuǎn)，而運(yùn)行工況的變化則使得能量以空氣在風(fēng)門上做功損失消耗掉了。不僅控制精度低，而且還造成大量的能源浪費(fèi)和設(shè)備損耗，從而導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加，設(shè)備使用壽命縮短，設(shè)備維護(hù)、維修費(fèi)用高居不下，針對這種情況，經(jīng)過電氣技術(shù)人員反復(fù)的調(diào)查研究，決定采用上海雷諾爾科技股份有限公司生產(chǎn)的RNHV智能型高壓變頻器對其進(jìn)行節(jié)能改造。
3 主扇風(fēng)機(jī)的節(jié)能原理
由流體力學(xué)可知，P（功率）=Q（風(fēng)量）╳ H（壓力），風(fēng)量Q與轉(zhuǎn)速N的一次方成正比，壓力H與轉(zhuǎn)速N的平方成正比，功率P與轉(zhuǎn)速N的立方成正比，主扇風(fēng)機(jī)控制是借助改變風(fēng)門開度的大小來調(diào)節(jié)風(fēng)量的，其實(shí)質(zhì)是改變管道中氣體阻力的大小來改變風(fēng)量。因?yàn)轱L(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不變，其特性曲線保持不變， 當(dāng)風(fēng)門全開時，風(fēng)量為Qa，風(fēng)機(jī)的壓頭為Ha。若關(guān)小風(fēng)門，管阻特性曲線改變，此時風(fēng)量為Qb，風(fēng)機(jī)的壓頭到Hb。則壓頭的升高量為：ΔHb=Hb-Ha。于是產(chǎn)生了能量損失：ΔPb=ΔHb×Qb。
而借助改變給風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)風(fēng)量，其實(shí)質(zhì)是通過改變所輸送氣體的能量來改變風(fēng)量。因?yàn)橹皇寝D(zhuǎn)速變化，風(fēng)門的開度不變，管阻特性曲線也就維持不變。額定轉(zhuǎn)速時風(fēng)量為Qa，壓頭為Ha。當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時，特性曲線改變，風(fēng)量變?yōu)镼c。此時，假設(shè)將風(fēng)量Qc控制為風(fēng)門控制方式下的風(fēng)量Qb，則風(fēng)機(jī)的風(fēng)量將降低到Hc。因此，與風(fēng)門控制方式相比壓頭降低了：ΔHc=Ha-Hc。據(jù)此可節(jié)約能量為：ΔPc=ΔHc×Qb。與風(fēng)門控制方式相比，其節(jié)約的能量為：P＝ΔPb+ΔPc＝(ΔHb－ΔHc)×Qb。
將這兩種方法相比較可見，在風(fēng)量相同的情況下，轉(zhuǎn)速控制避免了風(fēng)門控制下因壓頭的升高和管阻增大所帶來的能量損失。在風(fēng)量減小時，轉(zhuǎn)速控制使壓頭反而大幅度降低，所以它只需要一個比風(fēng)門控制小得多的，得以充分利用的功率損耗。
由上述可知，當(dāng)要求調(diào)節(jié)風(fēng)量下降時，轉(zhuǎn)速N可成比例的下降，而此時軸輸出功率P成立方關(guān)系下降。即風(fēng)機(jī)電機(jī)的耗電功率與轉(zhuǎn)速近似成立方比的關(guān)系。
4 雷諾爾高壓變頻器的特點(diǎn)
RNVH-A系列高壓變頻器采用多單元串聯(lián)多電平技術(shù)，屬于高-高電壓源型變頻器，可直接6KV/10KV輸入，直接6KV/10KV輸出。以6KV系列為例，每相由5個功率單元串聯(lián)，各個功率單元由輸入隔離變壓器的二次隔離線圈分別供電，輸出三相構(gòu)成Y形，直接給6KV電機(jī)供電。
6KV高壓變頻器系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖
功率單元結(jié)構(gòu)為交-直-交方式，每個功率單元主要由輸入熔斷器、三相全橋整流器、電容器組、IGBT逆變橋、直流母線和旁通回路構(gòu)成，同時還包括控制驅(qū)動電路。每個單元為三相輸入，單相輸出的脈寬調(diào)制型變頻器。其輸出的電壓狀態(tài)為1、0、-1，每相五個單元疊加就可以產(chǎn)生11種不同的電壓等級。
該結(jié)構(gòu)使用低壓器件實(shí)現(xiàn)了高壓輸出，降低了對功率器件的耐壓要求，對電網(wǎng)諧波污染非常小。輸入功率因數(shù)高，不必采用輸入諧波濾波器和功率因數(shù)補(bǔ)償裝置，輸出波形接近正弦波。不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱、轉(zhuǎn)矩脈動、噪音、dv/dt及共模電壓等問題的特性，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機(jī)。
每個功率單元由移相變壓器的一組副邊繞組供電，通過三相全橋整流器將交流輸入變?yōu)橹绷鳌ｋ娮涌刂撇考邮罩骺叵到y(tǒng)發(fā)送的PWM信號并通過控制IGBT的工作狀態(tài)，輸出PWM電壓波形。監(jiān)控電路實(shí)時監(jiān)控IGBT和直流母線的狀態(tài)，將狀態(tài)反饋回主控系統(tǒng)。
將每相N個功率單元輸出的PWM電壓波形進(jìn)行疊加，產(chǎn)生出2N+1個電壓階梯的多重化相電壓波形，5個功率單元輸出的PWM波形及疊加之后的相電壓波形如圖所示：
變頻器的單元輸出波形及相電壓疊加波形
主控系統(tǒng)包括主控板及其輸入輸出接口。主控板采用32位DSP、CPLD等大規(guī)模集成電路和表面焊接技術(shù)，系統(tǒng)具有極高的可靠性。主控板通過光纖通訊系統(tǒng)與所有功率單元之間建立通信聯(lián)系，向各個功率單元傳輸PWM信號，并返回各個功率單元狀態(tài)信息。通過觸摸屏，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行、停機(jī)、復(fù)位及功能參數(shù)設(shè)定和記錄查詢。主控板的I/O接口用來實(shí)現(xiàn)端子控制模式的外部通信，主要功能有：系統(tǒng)端子復(fù)位、運(yùn)行/停止控制、外部模擬方式頻率給定、系統(tǒng)狀態(tài)、運(yùn)行頻率。主控板的輸入還包括控制電源和運(yùn)行電流的采樣信號。
電氣控制以西門子S7-200為高可靠性的可編程邏輯控制器（PLC）為中心，輔以繼電器、開關(guān)等器件，負(fù)責(zé)變頻器內(nèi)部邏輯控制及外部與用戶的接口。PLC主要完成以下功能：與主控系統(tǒng)交換給定頻率、運(yùn)行頻率、輸出電流及功能號等數(shù)據(jù)；監(jiān)控主控系統(tǒng)就緒、運(yùn)行、故障等狀態(tài)；處理變頻器控制電源切換、旁通柜開關(guān)切換、互鎖、風(fēng)機(jī)、柜門、變壓器溫度等信號；處理用戶的高壓開關(guān)信號、控制指令信號，并向用戶提供變頻器運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)，所以界面操作語言全部為中文，應(yīng)用軟件也為漢化版內(nèi)容，方便用戶使用，并終身提供軟件的免費(fèi)升級。
5 變頻器改造情況
主扇風(fēng)機(jī)為對旋型軸流通風(fēng)機(jī)，一用一備，每臺風(fēng)機(jī)包含兩臺電機(jī)，選用一臺變頻器拖動兩臺電機(jī)同時運(yùn)行方式，外部加裝手動一拖二旁路切換柜。主回路如圖所示。
主回路圖
正常運(yùn)行時閉合手動刀閘K12、K22，斷開工頻刀閘K11、K21，合上變頻開關(guān)QF，變頻器拖動兩臺電機(jī)同時運(yùn)行，通過調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率來調(diào)節(jié)風(fēng)量；
變頻故障時，斷開變頻開關(guān)柜QF，閉合K11和K21、斷開K12、K22，系統(tǒng)恢復(fù)原有運(yùn)行方式工頻運(yùn)行；
K11和K12、K21和K22不能同時閉合，在機(jī)械上實(shí)現(xiàn)了互鎖。
變頻故障信號和變頻開關(guān)柜也實(shí)現(xiàn)互鎖，實(shí)現(xiàn)高壓故障連跳功能。
雷諾爾高壓變頻器對電機(jī)非常友好，現(xiàn)場改造完成后進(jìn)行了變頻器輸出波形測量，不含有高次諧波，如圖所示
6 改造后的效益
變頻改造后，風(fēng)門全部打開，運(yùn)行頻率在40Hz左右，運(yùn)行電流23A，完全滿足礦井內(nèi)生產(chǎn)通風(fēng)要求，而且提高了風(fēng)量調(diào)節(jié)的速度，簡化了用戶操作工序，變頻器運(yùn)行非常穩(wěn)定，降低了風(fēng)機(jī)啟動時候的沖擊，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
節(jié)電效益如下：
工頻運(yùn)行時，風(fēng)門開度為2m左右，兩臺電機(jī)運(yùn)行電流共計35A。
工頻運(yùn)行時功率和一天耗電量：
P工= 1.732×10×35×0.85=515.27kW
變頻器運(yùn)行時，風(fēng)門全開，運(yùn)行電流在21A，由變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)速度來滿足風(fēng)量要求。
變頻運(yùn)行時功率和一天耗電量：
P變=1.732×10×21×0.96=349.17kW
節(jié)電率：(P工- P變)/ P工=（515.27-349.17）/515.27=32.2%。
節(jié)約電費(fèi)計算：
電價以0.6元/ kW•h計算，工頻24h耗電費(fèi)：
515.27×24×0.6=7419.89元。
變頻24h耗電費(fèi)：
349.17×24×0.6=5028.05元。
變頻改造后，日節(jié)約電費(fèi)：
7419.89-5028.05=2391.84元。
一年有效運(yùn)行天數(shù)以280天計算，年節(jié)約電費(fèi)：
2391.84×280=669715.2元。
7 結(jié)束語
山西古縣蘭花寶欣煤礦主扇風(fēng)機(jī)經(jīng)過變頻改造之后,不僅達(dá)到了良好的節(jié)能效果,并且使整套通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高了一個大臺階。隨著國家對節(jié)能減排工作的越來越重視，煤礦企業(yè)通過各種措施降低生產(chǎn)成本，變頻節(jié)能技術(shù)也越來越受到重視，上海雷諾爾科技股份有限公司生產(chǎn)的RNHV型高壓變頻器也必將發(fā)揮越來越大的作用，為整個國家的節(jié)能減排事業(yè)做出貢獻(xiàn)。
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