浅谈主通风机高压变频器的运用

浅谈主通风机高压变频器的运用

尉志军张玉海杨小春

中煤大同能源有限责任公司山西大同037001

摘要：在副井场地安装2台FBCDZ№.34/2×800型矿用对旋防爆变频轴流式通风机，1台工作，1台备用，流量120-340m3/s，静压200-4500Pa，效率85%，每台通风机配高压变频电动机（10kV、800kW）2台。额定电流2×63A，转速590r/min。变频器选用4台西门子10kV输入、10kV输出型变频器。控制方式采用西门子S7-400H系列PLC，具备冗余功能。该通风系统能满足矿井正常生产通风要求。

在通风机房旁设通风机配电室及值班控制室，双电源供电，两回10kV电源分别引自风井场地10kV变电所10kV不同母线段，进线电缆为YJV22-8.7/103×95mm2交联聚乙烯绝缘电力电缆，电缆长度～100m。担负通风机及辅助设备供电。配电室内设KYN28A-12型金属铠装移开式高压真空开关柜17台。高压开关柜内配置真空断路器，弹簧储能直流操作，保护与监测采用微机型综合保护装置。

煤矿的设备大多属于大型设备，功率较高，用电量较大。但绝大多数呈现出一种高投入，低产出状态，这就增加了企业运行成本，降低了企业经济效益。以我矿主通风为例在实际运行过程中存在以下问题：1、电机启动时全速运转，不仅增大了机械磨损而且缩短了机械设备的使用寿命，造成了电能的浪费。2、电机在启动时会产生很大的电流，给电网造成了较大的冲击力。在使用变频控制后不仅实现了根据井下巷道需风量进行调整，而且实现了软起动，减少了设备的磨损；减轻了电机的劳动强度；还实现了节能降耗；同样减少了电机启动时对电网的冲击。

关键词：变频调速；主通风机；节能

1概况

中煤大同塔山煤矿位于大同煤田东区中东部边缘地带，主工业场地位于大同市南郊区口泉乡上窝寨村西，行政隶属大同市南郊区。回风斜井通风设备为两台防爆对旋轴流式通风机，通风机驱动电动机为矿用隔爆型异步变频电动机，功率：800kW；电压：10KV；驱动方式：变频驱动：数量：4台（每台风机配2台电机）；冷却方式：强迫风冷；电机定子绕组部分应装设温度检测传感器，接线盒引至风机外壳。主通风机担负全矿井下通风任务。

2变频调速配置方案

中煤大同塔山煤矿主通风配置为2套，功率配比：1：1，共配置2套功率为2*800kw/10kv的变频电机。

驱动系统采用1台10KV进10KV出变频器驱动1台电机，并采用PLC对4台变频器进行控制。控制方式如下图：

3变频器的工作原理

SINAMICS完美无谐波GH180系列高压变频器采用先进的矢量控制技术，能与负载构成高性能的交流调速系统，广泛地应用于恒转矩负载及平方转矩负载等各类负载。矢量控制技术的采用，使得系统具有极高的动态响应速度和响应精度，在低速下具有较大的转矩和转矩过载能力，满足恒转矩负载驱动的要求。

10kv/10kv系列完美无谐波高压变频器的功率单元结构图如下

变频器由多个功率单元串联而成，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。电网电压经过副边多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电，功率单元为三相输入、单相输出的交直交PWM电压源24个额定电压为750V的功率单元串联而成，输出相电压达6750V，线电压达10kv，每个功率单元分别由输入变压器的一组副边供电，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。二次绕组采用延边三角形接法，实现多重化，以达到降低输入谐波电流的目的。

10kv/10kv系列完美无谐波高压变频器主电路拓扑结构图如下：

对于10kv/10kv电压等级变频而言，就是30脉冲的整流电路结构，输入电流波形接近正弦波。由于输入电流谐波失真很低，变频器输入的综合因数可达到0.98以上。。

逆变器输出采用多电平移相式PWM技术，10kv相电压输出17电平，线电压输出29电平。输出线电压非常接近正弦波，dv/dt很小。

电平数的增加有利于改善输出波形，由谐波引起的电机发热，噪音和转矩脉动都大大降低，所以这种变频器对电机没有特殊要求，可直接用于普通异步电机，不需要输出滤波器，对输出电缆长度无特殊要求。

与采用高压器件直接串联的变频器相比，由于不是采用传统的器件串联的方式来实现高压输出，而是采用整个功率单元串联，器件承受的最高电压为单元内直流母线的电压，可直接使用低压功率器件，器件不必串联，不存在器件串联引起的均压问题。功率单元中采用的低压HVF功率模块，驱动电路简单，技术成熟可靠。

功率单元采用模块化结构，同一变频器内的所有功率单元可以互换，维修也非常方便。

4采用高压变频器后能够实现如下功能

4.1能够真正实现主通风机的软启动。

高压变频器的变频控制系统首先会控制电机以低频大转矩启动，进而实现了主通风机控制系统的软启动，能够有效延长电机的使用寿命。

4.2能够实现主通风机两个电机驱动时的功率平衡输出。

1）要求具有先进的矢量控制技术构成的高性能交流调速装置，恒转矩负载，起动转矩大，过载能力强。能有效地控制风机电动机的软启动/软停车整个动态过程。

2）变频器容量和配置：采用变频对电机“一拖一”控制方式。

3）动态负荷检测与速度控制：根据实际需用风量的大小来确定风机的实际运行速度，采用两种给定方式：控制面板给定、PLC调速给定。

4.3能够降低主通风机直接启动时对电网的冲击。

将高压变频器应用于主通风机，变频器的启动时间范围能够1-999秒内进行随意调节，根据实际情况，变频器的启动时间通过设置在60-200秒的范围内进行调节。降低设备投资，提高企业效益。

4.4能够降低主通风机的维护量。

今天的微电子技术和信息技术获得了长足的进步和发展，作为电子器件的集成系统，变频器的运行可靠性和使用寿命能够得到有效的保障。除此之外，应用变频器之后，主通风机能够实现软启动，显著降低主通风机在启动过程中对于整个机械设备的冲击，降低故障率和维护量。

4.5能够实现更好的节能效果。

节能是当今社会的主流价值观之一，提高节能效果不仅有利于企业获得较高的经济效益，还有利于环境的保护。其节能效果主要表现在，能够根据矿井井下需风量来对变频器的输出频率进行调节，避免电动机功率的浪费，进而获得较高的能源利用率。

改用变频器启动后

按照每天24小时满负荷运行，运行计算：

峰：8：00——11：00，18：00——23：00，电价为0.74元每度

平：11：00——18：00，7：00——8：00，电价为0.51元每度

谷：23：00——次日7：00电价为0.29元每度

一天中每小时平均电价：（10*0.74+8*0.51+6*0.29）/24＝0.586

使用变频器后1年的电费；

（800*41.9/50+800*42/50）*24*365*0.586=6891022.5

未使用变频器1年电费；

2*800*24*365*0.586=8213376

使用变频后一年平均节约电费；8213376-6891022.5＝1322353.5

主通风机现使用-3度变频频率及节能效果如下图；

目前主通风机使用数据：全压：1429.40Pa，负压；1409.14Pa，风速：8.37m/s，风量：9042.2m3/h，一级电机频率：38赫兹，二级电机频率：37.9赫兹。

5结语

利用技术先进、成熟、安全的变频调速系统可以全面实现高效调节现场工况，提高系统自动化程度，节约电能的目的。使用变频器不仅可以大大降低现场维护量，带来可观的效益，而且可以贯彻集团公司节能减排精神，落实国家“十二五”节能减排规划，实现我矿又好、又快发展，加强节能减排工作，推进节能技术进步，降低单位产值能耗和单位产品能耗，提高我矿的经济效益，实现节约型矿井。

参考文献：

[1]吕汀，石红梅.编.《变频技术原理与应用》.机械工业出版社.

[2]王廷才.主编.《变频器原理及应用》.机械工业出版社.

[3]何超.主编.《交流变频调速技术》.北京航空航天大学出版社.