矿井主通风机高压变频调速装置的研究及应用

摘要：通过对变频调速发展现状以及邯郸矿业集团云驾岭工况情况的研究，结合高压变频器的基本原理，以及变频器容量的计算和选择方法，选用了北京合康亿盛变频设备有限公司生产的HIVERT-YK 06/096高压变频器作为变频设备，进行了技术经济分析，节能效果明显。

关键词：变频调速 通风机 高压变频器

1 概述

1.1 研究背景 据相关数据显示，我国水泵和风机在用电方面的状况相对落后：由于科技更新滞后，大量设备过于陈旧，导致风机和水泵耗电量巨大，其工作效率与国外同种类型的产品低5%至10%左右。在设备的配备和设计中，过度注重工艺在建设过程中的作用，由于存在差异导致设备的遴选类型数量大，造成设备大量以较低效率和较小的负荷运作。风机和水泵在流量调节方面多采用挡板和阀门，对风量和水量的流量进行调整，消耗了大量的节流功率，与这种传统的节流设施相比较，采用转速调节，既可以较少功率的耗损，通过降低风机和水泵的转速，将相应的流量按一定比例减小；在对压力的调节幅度较大，并以二次方的比率减小；因而促使轴功率下降的幅度更大，并成立方的比率减小。

1.2 选题的依据和方案的确立 矿用主扇通风机的闸门调节缺乏灵活性，主要依靠人为来改变阻力和角度，增大对风的阻力，但过度调节会导致性能的下降；与前导器和尾翼调节相比，后者可调节的幅度和效率较高；通过控制风叶角度和数目，来调整风机的功效，从而达到风机的特殊功能方面的要求，促使风机运作效率实现最大化，同时能够起到节能环保的作用。通过调整通风机的转速，实现节能的目的，同时促使其在合理的工况时间工作，实现电机的高效运作。

云驾岭矿在西风井设置了两台轴流通风机，其中一台为备用。该矿的风机主要采用调整导叶和变档板角度，依靠工频实现风量的调整，通风效率和能力较差，导致能源的损耗和浪费，提高了生产的成本。而主扇风机在设计方面存在余量过大的问题，导致主扇风机长期处于低负荷工作状态，从而使能源的损耗更为严重。

电网的负载容量有一定的限制，主扇若采用电抗器启动工作，只能逐级启动，一级运行正常之后开启另一级风机，因此需要耗费大量时间进行启动，而该准备工作却消耗了大量的电能，同时还造成电动机的损伤，时刻处于被烧毁的情形。在启动过程中，高压电动机单轴转矩的产生，导致机身发生巨大的振动，损毁电动机和机械配置，缩短其使用寿命。

综上所述，为保证井下作业的安全和生产质量，减少成本和延长风机使用寿命，提高生产效益，将变频调速技术运用到西风井风机当中，是最优选择。

2 高压变频器的选择

2.1 变频器的容量计算与选择 当通过变频器来调节异步电动机速度时，需要先选择异步电动机，接着以已选择异步电动机的额定电流或者实际运行的最大电流来选择变频器。异步电动机运行状况存在差异时，变频器的方法和其容量的算法也将不同，变频器需要符合不同的条件。变频器容量选择时，需要特别关注其额定电流，应该根据变频器最大工作电流来计算和选择其容量。

云驾岭矿变频器与电动机采用一拖一控制方式，电动机续恒载运转类型。即单台变频器为单台电动机连续运行方式。

由于变频器传给电动机的是脉冲电流，其脉动值比工频供电时电流要大。

因此须将变频器的容量留有适当的余量。此时，变频器应同时满足以下三个条件：

式中：PM、η、cosφ、UM、IM分别为电动机输出功率、效率（取0.85）、功率因数（取0.87）、电压（V）、电流（A）。根据GAF22.4-15-1型轴流式通风机性能指标可知：

PM=710kW，UM=6kV，IM=85.1A；

K——电流波形的修正系数（PWM方式取1.05～1.1）；

PCN——变频器的额定容量（kVA）；

ICN——变频器的额定电流（A）。

综上可知： 。

可以计算出变频器的容量为：

其中：U——变频器输入电压，U=6kV；

I——变频器额定电流，I=96A；

因为S=998kVA>987kVA，满足变频器的容量要求。

I=96A>89A，满足变频器的额定电流的要求。

2.2 高压变频器的调速原理

2.2.1 系统结构 高压变频器采用交-直-交直接高压（高-高）方式，主电路开关元件为IGBT。由于IGBT耐压所限，无法直接逆变输出6kV，而因开关频率高、均压难度大等技术难题无法完成直接串联。HIVERT变频器采用功率单元串联，叠波升压，充分利用常压变频器的成熟技术，因而具有很高的可靠性。它对电网谐波污染小，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；输出波形质量好，不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题，不必加输出滤波器，就可以使用普通的异步电机。

2.2.2 功率单元 功率单元原理，输入电源端R、S、T接变压器二次线圈的三相低压输出，三相二极管全波整流为直流环节电容充电，电容上的电压提供给由IGBT组成的单相H形桥式逆变电路。

3 HIVERT高压变频器的性能特点

①高压变频器的变换形式为“高—高”，是一种单元串联多电平变频器，其主板由多个并联功率模块构成。②HIVERT变频器的控制模式包括人机界面控制和LED键盘控制，两者相互备用，都能够独立的完成开停机、增减负荷等工作。同时变频装置故障记录需要保存一年以上。③变频器拥有标准RS-485和触摸屏处理器扩展通讯接口两种通讯模式。④变频系统在20～100%调速范围的输入功率因数大约在0.95，无需安装功率因数补偿装置。⑤变频装置可以设置任意长度的输出电缆，共模电压和dv/dt应力不会影响变频装置保护电机。⑥变频器输出电流谐波值小于或等于2%，满足我国供电部门最严格的电压失真规定及IEEE 519 192，超过国标GB14549-93的谐波失真规定。变频器的输出波形将不再影响电机运行，转矩脉动低于0.1%。同时变频器还能够避免共振现象出现。⑦变频器输入电流谐波小于或等于4%，满足我国供电部门最严格的电压失真规定及IEEE 519 192，远远超过国标GB14549-93的电压失真规定。⑧变频器可以适应较宽范围的电网电压波动，一般情况下电网上下波动110%，变频器仍然保持满载输出，电网电压下降30%时，变频器将降额运行，此特征与煤矿电压波动现象严重的现状相符合。⑨变频器具备过电流、过电压、欠电压、短路保护、失速保护、变频器和电机过载保护、缺项保护、突然停电保护和半导体元件过热保护等等，一旦出现上述现象，变频装置将自动跳到输入侧6kV开关，其保护装置完全符合国家相关标准。同时，装置还具备断电、停机和故障预警功能。⑩变频器还可以进行故障自诊断，通过中文提示信息告知故障位置和故障类型，还可以进行远方报警，有利于操作者和维修人员快速发现和解决故障。变频装置具备环境温度监控装置，一旦环境温度高于最高允许值，将自动发出报警。■变频器身处振动、射频干扰和电子噪音环境，仍然可以持续工作，电磁兼容性良好，符合国家标准。

4 技术经济分析

①节电效果显著，改造后每月可节电6.67万度，年节电80万度。②实现电机软启动，减小启动冲击，延长设备使用寿命。③系统安全、可靠，具有变频故障转工频功能，确保风机连续运行。④提高了风机运行的安全可靠性，减少了事故发生率。⑤大大减少了设备维护、维修费用，直接和间接效益十分明显。⑥大幅度降低风机噪音和振动，改善职工工作环境。⑦实现无人值守，降低了工人劳动强度。

5 结论

邯郸矿业集团云驾岭煤矿主扇风机成功应用高压变频器对矿用通风机进行变频调速改造。实际应用表明，高压变频器的应用于煤矿主扇风机的系统改造，取得良好的运行效果和经济效益。推广使用变频器在煤矿行业进行改造，节约能源的效果将是非常可观的，适应了国家建设节约型社会的潮流。

参考文献：

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[2]宋祥生.清镇煤矿主通风机性能测定及分析[J].价值工程，2012-06-28.

[3]唐惠龙.变频调速技术的应用[J].价值工程，2012（29）.

作者简介：徐娟娟（1983-），女，河北武安人，机电助理工程师，冀中能源邯矿集团精益检测检验公司技术员。