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1引言

登封市君鑫煤業(yè)有限責任公司位于登封市石道鄉上沃村境內，距登封市區30公里，交通便利。井田面積6.58平方公里，地質(zhì)儲量3181萬(wàn)噸，設計生產(chǎn)能力30萬(wàn)噸/年。君鑫煤業(yè)2009年獲得河南省工業(yè)和信息化廳頒發(fā)的“一級安全質(zhì)量標準化礦井”；2010年獲得鄭州市總工會(huì )、鄭州市工業(yè)和信息化委員會(huì )、鄭州市環(huán)境保護局頒發(fā)的“雙比雙降”節能減排競賽先進(jìn)單位；2011年獲得鄭州市煤炭管理局、鄭州市煤炭行業(yè)協(xié)會(huì )頒發(fā)的“鄭州市煤炭工業(yè)先進(jìn)企業(yè)”。

君鑫煤礦壓風(fēng)機房?jì)劝惭b兩臺62m3/min壓風(fēng)機，供生產(chǎn)、各采區工作面。由于壓風(fēng)機選型裕量大，存在著(zhù)大馬拉小車(chē)的現象，浪費嚴重，而且設備控制方式落后，為響應國家號召和社會(huì )發(fā)展的需要，礦領(lǐng)導決定對原有設備進(jìn)行升級改造。經(jīng)過(guò)多方調查研究，決定選用山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP38-400F型高壓變頻器2套分別對2臺螺桿式空氣壓縮機進(jìn)行節能改造。
電機基本參數：
型號：Y4505-2        額定電壓：10kV     額定電流：25.2A
額定功率：355kW     額定頻率：50Hz    額定轉速：2960r/min
壓縮機參數：
型號：SA350W-6K-T   排氣量：62.0 m3/min   電機功率：355kW
額定排氣壓力：0.8MPa
2螺桿式空壓機
2.1螺桿式空氣壓縮機工作原理

螺桿式空氣壓縮機由螺桿機頭、電動(dòng)機、油氣分離桶、冷卻系統、空氣調節系統、潤滑系統、安全閥及控制系統等組成。螺桿壓縮機的工作循環(huán)可分為進(jìn)氣，壓縮和排氣三個(gè)過(guò)程。隨著(zhù)轉子旋轉，每對相互嚙合的齒相繼完成相同的工作循環(huán)。
（1）進(jìn)氣過(guò)程：轉子轉動(dòng)時(shí)，陰陽(yáng)轉子的齒溝空間在轉至進(jìn)氣端壁開(kāi)口時(shí)，其空間較大，此時(shí)轉子齒溝空間與進(jìn)氣口的相通，因在排氣時(shí)齒溝的氣體被完全排出，排氣完成時(shí)，齒溝處于真空狀態(tài)，當轉至進(jìn)氣口時(shí)，外界氣體即被吸入，沿軸向進(jìn)入陰陽(yáng)轉子的齒溝內。當氣體充滿(mǎn)了整個(gè)齒溝時(shí)，轉子進(jìn)氣側端面轉離機殼進(jìn)氣口，在齒溝的氣體即被封閉。
（2）壓縮過(guò)程：陰陽(yáng)轉子在吸氣結束時(shí)，其陰陽(yáng)轉子齒尖會(huì )與機殼封閉，此時(shí)氣體在齒溝內不再外流。其嚙合面逐漸向排氣端移動(dòng)。嚙合面與排氣口之間的齒溝空間漸漸件小，齒溝內的氣體被壓縮壓力提高。
（3）排氣過(guò)程：當轉子的嚙合端面轉到與機殼排氣口相通時(shí)，被壓縮的氣體開(kāi)始排出，直至齒尖與齒溝的嚙合面移至排氣端面，此時(shí)陰陽(yáng)轉子的嚙合面與機殼排氣口的齒溝空間為0，即完成排氣過(guò)程，在此同時(shí)轉子的嚙合面與機殼進(jìn)氣口之間的齒溝長(cháng)度又達到較長(cháng)，進(jìn)氣過(guò)程又再進(jìn)行。

從上述工作原理可以看出，螺桿壓縮機是一種工作容積作回轉運動(dòng)的容積式氣體壓縮機械。氣體的壓縮依靠容積的變化來(lái)實(shí)現，而容積的變化又是借助壓縮機的一對轉子在機殼內作回轉運動(dòng)來(lái)達到。
2.2螺桿式空氣壓縮機的缺點(diǎn)

空壓機在運行過(guò)程中，根據壓力罐檢測到的壓力大小，控制閥門(mén)進(jìn)行加載和卸載控制，確保壓力罐壓力在0.65MPa到0.75MPa之間波動(dòng)，保證井下?lián)碛凶銐虻臍庠矗辉诓捎霉ゎl方式啟動(dòng)時(shí)，主要有以下缺點(diǎn)：

（1）啟動(dòng)電流仍然很大，直接影響電網(wǎng)的穩定性與其它用電設備的運行安全；
（2）空壓機時(shí)常出現空載運行，電能浪費嚴重，處于非經(jīng)濟運行狀態(tài)；
（3）啟動(dòng)時(shí)對設備的沖擊較大，一些部件的動(dòng)作頻率高（如電磁閥等），導致設備后期維護費用高；
（4）工頻運行，設備噪音大。
2.3 變頻改造必要性

通過(guò)改變壓縮機的轉速來(lái)調節流量，而閥門(mén)的開(kāi)度保持不變（一般保持最大開(kāi)度）。當壓縮機轉速改變時(shí)，供氣系統的供氣量發(fā)生變化，而管網(wǎng)壓力保持基本不變。

高壓交流變頻調速技術(shù)是上世紀九十年代迅速發(fā)展起來(lái)的交流電動(dòng)機的調速技術(shù)，其技術(shù)和性能勝過(guò)其它任何一種調速方式。變頻調速以其顯著(zhù)的節能效益、高精確的調速精度、寬范圍的調速、完善的保護功能，以及易于實(shí)現的自動(dòng)通信功能，得到了用戶(hù)和市場(chǎng)的認可，在運行的安全可靠、安裝使用、維修維護等方面，也給使用者帶來(lái)了極大的便利，使之成為企業(yè)采用電機節能方式的首選方案。

在這種控制方式下，通過(guò)變頻調速技術(shù)改變壓縮機電機的轉速，壓縮機的供氣流量可隨著(zhù)用氣流量的改變而改變，達到真正的供需平衡，在節能的同時(shí)，也可使整個(gè)系統達到較佳工作效率。
3風(fēng)光JD-BP38系列高壓變頻調速系統介紹

風(fēng)光牌JD-BP38系列高壓變頻器以高速DSP為控制核心，采用無(wú)速度矢量控制技術(shù)、功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)，屬高-高電壓源型變頻器，其諧波指標小于IEE519-1992的諧波國家標準，輸入功率因數高，輸出波形質(zhì)量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數補償裝置和輸出濾波器；不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱和轉矩脈動(dòng)、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問(wèn)題，可以使用普通的異步電機。具體來(lái)說(shuō)，風(fēng)光高壓變頻調速系統各部分介紹如下。
3.1總體結構

采用直接高壓變頻電路結構，功率單元多重化連接，直接輸出到高壓電機，提供驅動(dòng)電壓。從物理結構上分為控制柜，功率柜，變壓器柜三大部分，根據現場(chǎng)工藝要求還可選配旁路柜，上位機，遠控盒，結構如圖1所示。

圖1 高壓變頻器外形

3.2控制柜

變頻控制柜主要有主控（CPU）、UPS、PLC、人機界面、控制電源開(kāi)關(guān)、開(kāi)關(guān)電源、繼電器、避雷器、信號隔離器、接線(xiàn)端子，柜門(mén)操作按鈕等部分構成，控制柜主要構成部分介紹如下。

（1）主控系統

主控系統為變頻器的核心，它接收和處理來(lái)自上位控制及PLC的控制命令，產(chǎn)生每相各級功率單元的控制信號，同時(shí)采集和處理所有故障單元反饋回來(lái)的故障信息。新風(fēng)光JD-BP38系列變頻器采用高性能的主控系統，控制器采用32位DSP，運行速度可以達到150MIPS，足夠完成一些較復雜的控制算法。同時(shí)其有6路獨立的PWM輸出、2個(gè)異步串行通訊口、16通道12位AD輸入，內置了36k的RAM和256k的Flash存儲器，可以存放較大規模的程序。線(xiàn)路板采用大規模集成電路和表面焊接技術(shù)，系統具有極高的可靠性。
（2）不間斷電源UPS

UPS不間斷電源，安裝在控制柜的底部，屬于純在線(xiàn)式，當外部提供的控制電源220VAC正常時(shí)，UPS提供給控制系統穩定的220V電源，當外部電源掉電時(shí)，利用設計的電源冗余系統，相應的控制電繼電器動(dòng)作，轉到變壓器的二次繞組220V繼續提供控制電源，UPS不間斷工作，提供穩定的電源。只有當控制電和高壓電同時(shí)掉電后，UPS利用自身的電池可繼續給系統供電30min，同時(shí)變頻器給出報警信號，用戶(hù)應盡快恢復控制電源。
（3）內置PLC

變頻器通過(guò)內置PLC實(shí)現內部開(kāi)關(guān)信號以及現場(chǎng)操作信號和狀態(tài)信號的邏輯處理，增強了變頻器現場(chǎng)應用的靈活性。對開(kāi)關(guān)量的數量不能滿(mǎn)足要求時(shí)，可以用數字量擴展模塊來(lái)實(shí)現。PLC作為一種技術(shù)成熟的工業(yè)控制元件，為變頻器的現場(chǎng)應用提供靈活的接口和可靠性保證。

高壓變頻器的控制系統標準接口如圖2所示：

3.3 功率柜

功率柜主要用于安裝功率單元，實(shí)現單元的串聯(lián)疊加三相輸出。功率單元是使用功率電力電子器件進(jìn)行整流、濾波、逆變的高壓變頻器部件，也是構成高壓變頻器主回路的主要部分。每個(gè)功率單元都相當于一臺交-直-交電壓型單相低壓變頻器。每個(gè)功率單元由H橋構成，輸出一組SPWM波，每相8個(gè)單元，通過(guò)疊加輸出一組17個(gè)電平的正弦波；同一相中的每個(gè)功率單元的采樣頻率一致，用同一個(gè)載波進(jìn)行調制，載波相差1/N個(gè)采樣周期。

當功率單元出現過(guò)流、過(guò)壓故障時(shí)，變頻器立即封鎖該單元的輸出，通過(guò)軟件控制，使功率單元輸出電流可以經(jīng)全橋逆變電路上橋臂，或者下橋臂形成電流回路實(shí)現將該單元旁路。

功率柜頂部配置冷卻風(fēng)機，選擇德國EBM的風(fēng)機，由移相變壓器二次檢測繞組220V供電，通過(guò)斷路器由PLC控制功率柜風(fēng)機的啟動(dòng)，當變頻器啟動(dòng)頻率運行時(shí)，風(fēng)機啟動(dòng)。
3.4 變壓器柜

變壓器柜主要由移相變壓器、溫控儀、冷卻風(fēng)機等部件構成。

移相變壓器的原理：將高壓電源變換為副邊相互絕緣的多組低壓，各副邊繞組在繞制時(shí)采用延邊三角形的接法，相互之間有一定的相位差。移相變壓器示意圖如圖3所示。

4空壓機變頻改造主回路

根據現場(chǎng)要求，此系統采用雙電源一用一備兩套變頻器，如圖4所示。

本系統采用一用一備兩臺空氣壓縮機，1＃、2＃變頻器分別控制一臺空氣壓縮機，這樣1＃系統與2＃系統互為備用，保證系統安全正常運行。

此系統采用雙回路電源供電，1＃母線(xiàn)與2＃母線(xiàn)分別來(lái)自?xún)蓚€(gè)不同的變壓器電源。K3為母線(xiàn)聯(lián)絡(luò )刀閘，當1#或者2#電源其中任何一路電源斷電的情況下，K3刀閘閉合，使得1#、2#變頻器供電電源正常。K1、K2為兩臺高壓隔離開(kāi)關(guān)，為確保1#、2#電源不發(fā)生短路，K1、K2、K3采用電磁互鎖操動(dòng)機構，實(shí)現電磁和機械互鎖。K4、K5為兩臺高壓隔離開(kāi)關(guān)，分別向1#、2#變頻器供電。K1、K4閉合，K2、K3、K5斷開(kāi)，1#母線(xiàn)供電，1#變頻器運行；K1、K3、K4斷開(kāi)，K2、K5閉合，2#母線(xiàn)供電，2#變頻器運行。

1#變頻器與2#變頻器互為備用，當其中一臺變頻器故障時(shí)，兩外一臺變頻器迅速投入運行。此時(shí)故障變頻器從高壓中隔離出來(lái)，便于檢修、維護和調試。

另外，為了保證安全，變頻器高壓連跳信號和上一級的高壓斷路器也實(shí)現互鎖，變頻器高壓連跳串入上一級高壓斷路器的脫扣線(xiàn)圈，變頻器出現故障時(shí)，上一級的高壓斷路器斷開(kāi)，實(shí)現高壓故障連跳功能。
5 空壓機變頻系統控制原理及主要參數設置
5.1空壓機變頻控制原理

在管道供氣系統中，最基本的控制對象是流量，供氣系統的基本任務(wù)就是要滿(mǎn)足用戶(hù)壓力需求情況下對流量進(jìn)行調節的需求。所以，保持管道中的氣壓恒定，保證該處供氣能力恰好滿(mǎn)足用氣需求，這就是恒壓供氣系統所要達到的目的。

空氣壓縮機采用變頻調速技術(shù)進(jìn)行恒壓供氣控制時(shí)，系統原理框圖如圖5所示。

變頻器將管網(wǎng)壓力作為控制對象，裝在儲氣管出氣口的壓力變送器將儲氣罐的壓力轉變?yōu)?～20mA電信號送給PID調節器，與壓力給定值進(jìn)行比較，并根據差值的大小按既定的PID控制模式進(jìn)行運算，產(chǎn)生控制信號去控制變頻器的運行頻率，從而調整電動(dòng)機的轉速，那么空壓機輸出相應的壓縮空氣至儲氣罐，使之壓力變化，直到管網(wǎng)壓力與給定壓力值相同，從而使實(shí)際壓力始終維持在給定壓力。
5.2變頻器主要參數設置

使用前，需對變頻器的以下功能進(jìn)行預置：

（1）PID設定，PID設定通道設為：0，HMI，即變頻器壓力閉環(huán)設定通過(guò)通信給定；PID反饋通道設為：1，AI2，即變頻器閉環(huán)壓力反饋通過(guò)主控板的AI2端子給定；PID結構為2，比例+積分，PID控制比例增益和積分增益同時(shí)起作用；P取0.50，I取10.0s。
（2）上限頻率，由于空氣壓縮機的轉速一般不允許超過(guò)額定值，故？H≤？N，式中 ?H—設置上限頻率，？N—額定頻率，？H這是取50Hz。
（3）下限頻率，空氣壓縮機采用變頻調速后，其下限頻率的預置要視壓縮機的機種的工況而定，一般說(shuō)來(lái)，其范圍約為30Hz≤?L≤40Hz，式中?L—設置下限頻率，這里取30Hz。
（4）加、減速時(shí)間，空氣壓縮機有時(shí)需要在儲氣罐已經(jīng)有一定壓力的情況下啟動(dòng)，這時(shí)通常要求快一點(diǎn)加速，故加速時(shí)間應盡可能縮短（以啟動(dòng)過(guò)程不因過(guò)電流而跳閘為原則）；減速時(shí)間可參照加速時(shí)間進(jìn)行預置（以制動(dòng)過(guò)程不因過(guò)電壓而跳閘為原則），變頻器設置上升、下降時(shí)間為60s。
（5）升、降速方式，空氣壓縮機對升、降速方式無(wú)特殊要求，可設置為線(xiàn)性方式。

用戶(hù)現場(chǎng)需求壓力為0.70Mpa。當用戶(hù)用氣量減少，儲氣罐壓力將上升，此時(shí)變頻器頻率將下降。但是，由于變頻器下降到目標頻率需要幾秒鐘時(shí)間。這段時(shí)間內，空壓機繼續做功，儲氣罐壓力將繼續上升到0.75Mpa，反之，當用戶(hù)用氣量增加時(shí)，幾秒鐘內儲氣罐壓力將會(huì )下降到0.65Mpa。這樣同樣會(huì )造成空壓機頻繁加載、卸載。根據現場(chǎng)情況，設置空壓機卸載界限為0.75Mpa,加載界限為0.65Mpa,也就是說(shuō)當儲氣罐壓力在0.65～0.75Mpa范圍內，空壓機不需要加載、卸載，而是由變頻器調節電機轉速，那么空壓機輸出相應的壓縮空氣至儲氣罐，使之壓力變化，直到管網(wǎng)壓力與給定壓力值相同，從而使實(shí)際壓力始終維持在給定壓力。
6  空壓機變頻改造后的效果

在實(shí)際運行中，我們比較了改造前后的運行情況：改造前，空氣壓縮機經(jīng)常是加載卸載，加載運行時(shí)電流為25A，卸載運行時(shí)電流為12A，改造后，空氣壓縮機運行頻率常在41Hz左右，運行電流為15～22A，基本沒(méi)有卸載時(shí)間。這樣節省大量的電能，延長(cháng)了設備的使用壽命。該系統于2013年5月28日安裝調試完畢，并且安全運行到至今。

（1）節約能源使運行成本降低

通過(guò)變頻技術(shù)改造后空壓機運行成本降低20%，再加上變頻起動(dòng)后對設備的沖擊減少，維護和維修量也跟隨降低，所以運行成本將大大降低。通過(guò)測算，運行一年節約的成本費用就可以收回改造的投資。
（2）提高壓力控制精度

變頻控制系統具有精確的壓力控制能力。使壓縮機的空氣壓力輸出與用戶(hù)空氣系統所需的氣量相匹配。變頻控制壓縮機的輸出氣量隨著(zhù)電機轉速的改變而改變。由于變頻控制電機速度的精度高，可以使管網(wǎng)的系統壓力保持基本恒定。
（3）全面改善壓縮機的運行性能

變頻器軟啟、軟停止，從而減少對壓縮機的電氣部件和機械部件所造成的沖擊，增強系統的可靠性，使壓縮機的使用壽命延長(cháng)。變頻調速改造后，電機運轉速度明顯減慢，從而有效地降了空壓機運行時(shí)的噪聲。現場(chǎng)測定表明，噪聲與原系統比較平均下降約10dB。
7結束語(yǔ)

山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP38-400F型高壓變頻器在登封市君鑫煤業(yè)公司空壓機投運以來(lái)，其性能穩定、節能效果明顯，可以根據井下用風(fēng)量的多少進(jìn)行調節空壓機轉速，提高了空壓機運行的經(jīng)濟性。

在煤礦的壓風(fēng)系統中應用高壓變頻器節能改造，是國家大力提倡節能降耗不可缺少的技術(shù)手段。除此之外，變頻器對空壓機的穩定運行也起著(zhù)重要作用。高壓變頻器越來(lái)越廣泛地應用在電力、冶金、石化、水泥、礦山等高壓電機驅動(dòng)的各個(gè)行業(yè)。