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1 引言
　　變頻調速在風(fēng)機和泵類(lèi)負載上的應用具有顯著(zhù)的節能效果，并且具有軟啟動(dòng)和軟停機的優(yōu)良控制特性，因此變頻器首先在冶金、電力、石化、供熱和民用風(fēng)機水泵的控制領(lǐng)域得到廣泛的應用。由于煤礦生產(chǎn)的特殊環(huán)境和安全上的特殊要求，變頻器在煤礦的應用起步比較晚。隨著(zhù)我國市場(chǎng)經(jīng)濟的深入發(fā)展，煤礦的增產(chǎn)、降耗、提效被提到了重要地位，設備節能改造勢在必行。
　　煤礦通風(fēng)機按結構分為軸流式和離心式；通風(fēng)機是保障煤礦安全的主要通風(fēng)機械，365天晝夜運轉。礦井通風(fēng)機一般配備兩套，一臺工作一臺備用。礦井通風(fēng)機的額定通風(fēng)能力（風(fēng)量、風(fēng)壓）是根據設計計算的礦井末期的通風(fēng)阻力和達產(chǎn)時(shí)的風(fēng)量確定。在礦井投產(chǎn)初期，風(fēng)機的富裕能力是比較大的。
　　在煤礦生產(chǎn)中，所需風(fēng)量風(fēng)壓在不同階段有不同的要求，為滿(mǎn)足生產(chǎn)要求，煤礦通常采用以下幾種方法調節：
（1） 閘門(mén)調節；
（2） 改變通風(fēng)機速度；
（3 ）改變前導器葉片角度；
（4） 軸流式通風(fēng)機改變動(dòng)葉安裝角；
（5） 離心式通風(fēng)機調節尾翼擺角；
（6 ）軸流式通風(fēng)機改變動(dòng)葉數目；
（7 ）軸流式通風(fēng)機改變靜葉角度。
　　其中以閘門(mén)調節效率最差，它是人為地改變阻力曲線(xiàn)，增加風(fēng)阻，越調節性能就越惡化；前導器調節和尾翼擺角調節效率比閘門(mén)要高；改變動(dòng)葉安裝角和動(dòng)葉數目，可改變風(fēng)機的特性曲線(xiàn)，使風(fēng)機在較大范圍內以較高的效率運行，以達到節能降耗的目的。改變通風(fēng)機速度，使其在較佳工況點(diǎn)運行，使風(fēng)機在較大的范圍內以較高的效率運行，節能效果好。
2 礦用通風(fēng)機采用變頻調速改造的優(yōu)點(diǎn)
　　隨著(zhù)電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)和現代控制理論在調速系統中的應用，并且由于近年電力緊張，變頻調速技術(shù)已經(jīng)成為現代電力傳動(dòng)的一個(gè)發(fā)展方向，卓越的調速性能，使得變頻器在煤礦生產(chǎn)中的節能效果越發(fā)顯著(zhù)。因此，將礦用通風(fēng)機改為變頻器控制，將傳統的電機調速技術(shù)、現代電力電子技術(shù)以及計算機控制技術(shù)結合在一起，當煤礦通風(fēng)量發(fā)生變化時(shí)，自動(dòng)調速，使通風(fēng)機在經(jīng)濟的轉速下有效運行，從而達到節電的效果。變頻調速節能控制裝置的特點(diǎn)：（1）調速效率高；（2）調速范圍大；（3）調速精度高；（4）啟動(dòng)電流小，而且容易實(shí)現閉環(huán)控制。由于可以利用原普通交流異步電動(dòng)機，所以特別適合對原有舊設備的技術(shù)改造，它既保持了原風(fēng)機、電動(dòng)機不用更換的優(yōu)點(diǎn)，又能達到節電的顯著(zhù)效果，是礦用通風(fēng)機調速節能的理想方法。
3 用戶(hù)現場(chǎng)設備介紹
　　肥城礦業(yè)集團公司陶陽(yáng)煤礦中三井2003年前使用的通風(fēng)設備，為渦輪式通風(fēng)機（70B2）。此類(lèi)設備效率低（最高只能達到60％）、能耗大。效率低的主要原因是無(wú)法進(jìn)行調速運行，只能通過(guò)調整葉片角度來(lái)控制風(fēng)量和風(fēng)壓，而礦井最初通風(fēng)設備選型時(shí)，留有較大余量，長(cháng)時(shí)間內達不到滿(mǎn)負荷運轉。
　　2K56系列風(fēng)機是沈陽(yáng)鼓風(fēng)機（集團）有限公司與東北大學(xué)合作，共同開(kāi)發(fā)的新型礦井節能風(fēng)機。該機為雙級葉輪軸流通風(fēng)機，葉片采用鑄造鋁合金，型線(xiàn)為機翼型扭曲式，安裝角度可在20°～50°之間調整。當需要返風(fēng)時(shí)，可使通風(fēng)機直接反轉，不需要調整風(fēng)機的任何裝置。裝置最高靜壓效率達85.3%。產(chǎn)品有效區域寬廣，該系列風(fēng)機的裝置靜壓效率比老式風(fēng)機70B2提高近14%。
　　為改變原通風(fēng)機落后運行方式，陶陽(yáng)煤礦中三井領(lǐng)導決定把兩臺老式渦輪通風(fēng)機70B2—21NO-24型風(fēng)機（500 kW／6kV）更換為軸流式節能風(fēng)機2K56-2N0-24，采用變頻調速的方法來(lái)控制風(fēng)量的大小。
　　陶陽(yáng)煤礦中三井領(lǐng)導經(jīng)過(guò)慎重考察，認真比較，選用山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的風(fēng)光牌JD-BP37-500F型（500kW/6kV、2套）高壓變頻系統，對中三井1#、2#通風(fēng)機進(jìn)行變頻改造。高壓變頻器于2008年4月投運，設備至今運行良好。經(jīng)過(guò)肥礦集團檢測中心的檢測，各項性能指標達到設計要求，通風(fēng)機實(shí)現了有效運行，改造達到了預期目的。
　　陶陽(yáng)煤礦中三井通風(fēng)機為兩臺，一用一備，現場(chǎng)1#、2#通風(fēng)機設備參數相同，下面表1給出1#通風(fēng)機基本參數。
　　表1為現場(chǎng)電機參數，表2為風(fēng)機參數。

4 山東新風(fēng)光電子JD-BP37-500F高壓變頻器
4.1JD-BP37-500F高壓變頻器的主要性能指標
　　變頻器功率： 500kW
　　輸入頻率：   50Hz
　　輸入電壓：   6.0kV±20%
　　輸出電壓：   三相正弦波電壓0-6kV
　　額定電流：   61A
　　輸出頻率：   0-120Hz
　　頻率分辨率： 0.01Hz
　　加速時(shí)間：   可按工藝要求設定
　　減速時(shí)間：   可按工藝要求設定
　　故障診斷及檢測：自動(dòng)檢測，自動(dòng)定位
　　網(wǎng)側功率因數：0.95（高速時(shí)）
　　過(guò)載保護：   150%1分鐘
　　防護等級：   IP20
　　環(huán)境濕度：   90%,無(wú)凝結
4.2性能特點(diǎn)
（1） 全中文WINDOWS操作界面，彩色液晶觸摸屏；
（2）輸入功率因數高，電流諧波少，無(wú)須功率因數補償/諧波抑制裝置；
（3）輸出階梯正弦PWM波形，無(wú)須輸出濾波裝置，對電纜、電機絕緣無(wú)損害，電機諧波少，減少軸承、葉片的機械振動(dòng)，輸出線(xiàn)可以長(cháng)達1000米；
（4）功率電路模塊化設計，維護簡(jiǎn)單；
（5）高壓主回路與控制器之間為光纖連接，安全可靠；
（6）完整的故障監測電路、精確的故障報警保護；
（7）內置PLC，易于改變控制邏輯關(guān)系，適應多變的現場(chǎng)需要；
（8）可靈活選擇現場(chǎng)控制/遠程控制；
（9）可接受和輸出0～5V/4～20mA工業(yè)標準信號；
（10）可根據用戶(hù)需要內置PID調節器；
（11）完整的通用變頻器參數設定功能。
5 改造主回路控制方案
　　風(fēng)光高壓變頻調速系統由一次回路進(jìn)線(xiàn)柜（旁路柜）、變壓器柜、變頻單元柜和操作控制柜組成。旁路柜在變頻器維護過(guò)程中或變頻器出現故障時(shí)，將電機投入到工頻電網(wǎng)運行，保證生產(chǎn)不受影響。變頻運行時(shí)，變頻器為電機提供全面的保護。高壓變頻器旁路柜一次回路如圖1所示。 

　　DL：用戶(hù)高壓真空斷路器
　　K1、K2、K3：高壓變頻器內置高壓隔離開(kāi)關(guān)
　　BPQ：JD-BP37-500F高壓變頻器
　　D：500kW/6kV異步電動(dòng)機
　　圖1手動(dòng)旁路柜中，共有3個(gè)高壓隔離開(kāi)關(guān)，為了確保不向變頻器輸出端反送電，K2與K3采用電磁互鎖操動(dòng)機構，實(shí)現電磁互鎖。當K1、K3閉合，K2斷開(kāi)時(shí)，電機變頻運行；當K1、K3斷開(kāi)，K2閉合時(shí)，電機工頻運行，此時(shí)變頻器從高壓中隔離出來(lái)，便于檢修、維護和調試。
　　旁路柜必須與上級高壓斷路器DL連鎖， DL合閘時(shí)，絕對不允許操作旁路隔離開(kāi)關(guān)與變頻輸出隔離開(kāi)關(guān)，以防止出現拉弧現象，確保操作人員和設備的安全。

6節能計算
6.1風(fēng)機節能計算公式
　　風(fēng)機流量變化量，如前所述，采用變頻調速是有效的節電措施。根據GB12497-1995《三相異步電動(dòng)機經(jīng)濟運行》對電機經(jīng)濟運行管理的規定有如下的計算公式。

6.2節能計算

　　采取風(fēng)門(mén)調節風(fēng)量時(shí)風(fēng)機所需的軸功率為401kW，變頻器調風(fēng)量時(shí)相對調節風(fēng)門(mén)調風(fēng)量的節電率為0.364。
　　（1）每年節電量計算（每年按工作300天計算）
　　每年工作天數小時(shí)數功率節電率=300X24x401x0.364=1050940.8kW·h
　　（2）每年節電費計算（電價(jià)按0.5元/計算）
　　電費單價(jià)x用電量=0.5x1050940.8=525470.4元

6.3實(shí)際節能情況
　　風(fēng)機采用變頻器改造投入運行后，電流從55A下降到26A左右，運行頻率35Hz，輸入電流26A，輸入電壓6.3kV，輸出電流49A，輸出電壓4kV，風(fēng)機電機功率從411.52kW下降到260.68kW，一年節電量(411.52-260.68)X300X24=1086048kW·h，實(shí)際年節電費用543024元，與理論計算值基本吻合。

7變頻改造的其他優(yōu)點(diǎn)
　　（1）采用變頻器后啟動(dòng)風(fēng)機時(shí)可以實(shí)現變頻軟啟動(dòng)，避免了啟動(dòng)電流對電網(wǎng)及控制設備的沖擊，可以有效地延長(cháng)電氣設備的使用周期。
　　（2）按需調節風(fēng)量，調速范圍寬且調速精度高，避免浪費。進(jìn)行變頻改造后，風(fēng)機的風(fēng)量不再需要通過(guò)改變葉片角度來(lái)調節，而是由變頻器通過(guò)調節電機的轉速來(lái)實(shí)現，調節線(xiàn)性度好，因而可以根據井下生產(chǎn)需要隨時(shí)調節風(fēng)量，避免了浪費。
　　（3）降低了風(fēng)機的工作強度，延長(cháng)了使用壽命。進(jìn)行變頻改造后，風(fēng)機的大部分時(shí)間工作在低速狀態(tài)下，因而大大降低了風(fēng)機的機械強度和電氣沖擊，大大延長(cháng)了風(fēng)機壽命，提高了風(fēng)機的安全運行系數和運行周期。
　　（4）變頻器具有短路、過(guò)載、過(guò)壓、欠壓、缺相等各種保護，有效地保護了電機。
　　（5）改善了現場(chǎng)工作環(huán)境，由于降低了風(fēng)機的轉速，風(fēng)機噪聲大大降低，深受現場(chǎng)工作人員的歡迎。
　　（6）減少了反風(fēng)中的操作環(huán)節，以前反風(fēng)需要操作系統的立式風(fēng)門(mén)、水平風(fēng)門(mén)以及反風(fēng)風(fēng)門(mén)，工序繁多而且經(jīng)常出現倒錯風(fēng)門(mén)的事故。現在使用軸流式風(fēng)機和變頻器控制后，反風(fēng)時(shí)極其簡(jiǎn)單，只要在人機界面上將運行頻率調整為負的頻率，電機就會(huì )先減速至零點(diǎn)然后再反轉到所調頻率，這期間不用再調整整個(gè)風(fēng)門(mén)系統，減少了工作量，降低了操作過(guò)程中的故障率。
8結束語(yǔ)
　　肥城礦業(yè)集團公司陶陽(yáng)煤礦中三井通風(fēng)機經(jīng)過(guò)變頻改造之后，不僅達到了良好的節能效果，并且使整套通風(fēng)系統的穩定性提高了一個(gè)大臺階。我國是世界上的產(chǎn)煤大國，也是噸煤電耗比較高的國家。如果煤礦需要調速的設備，多數能使用變頻調速裝置改造，節約的能源將是非常可觀(guān)的。