变频器在煤矿主扇风机上的应用

  随着我们国家的经济的发展，各行各业煤炭的需求量也慢慢变得大，各大型煤炭企业纷纷开辟新的矿井来扩大规模，并且利用各种技术降低生产所带来的成本，因此

  主扇风机是煤矿通风系统中最重要的一部分，它可以说是每一个井下工作人员的呼吸要道，因此它也是煤矿安全生产中最重要的一个环节。长期以来，矿井主扇风机的功率都比较大，而且一天24小时不间断运行，矿井所需的风量都是通过调节风门挡板或叶片角度来实现，根据反风及开采后期运行工况要求，所设计的通风机及拖动的电动机的功率，通常远大于煤矿正常生产所需的运行功率。风机设计上余量特别大，在相当长的时间风机长期处于较轻负载下运行，因此，煤矿通风系统中存在着极为严重的大马拉小车现象，能源浪费非常突出。

  山西焦煤集团正兴煤业有限公司于2009年8月由山西焦煤集团投资有限公司作为主体企业，重组整合偏关县五座煤矿而成，下有九鑫矿、闫家沟矿两座矿井。九鑫矿生产能力为120万吨/年，其主扇风机担负着整个矿井的通风任务，要求安全稳定性极高，因为风机一旦停机，短时间之内就将造成全矿无法正常生产，控制方式选用调节风门开度的大小来调整风量，这样，不论生产的需求大小，风机都要全速运转，而运行工况的变化则使得能量以风门节流损失消耗掉了。不仅控制精度受到限制，而且还造成大量的能源浪费，因此导致生产所带来的成本增加，设备常规使用的寿命缩短，设备维护、维修费用高居不下，针对这样的一种情况，矿领导经过论证，决定选用山东新风光电科技发展有限公司生产的JD-BP34系列中压变频调速器4套对主扇风机来控制，改造取得了成功。

  九鑫矿主扇风机为两台，一用一备，现场1#、2#通风机设备参数相同，下面表1、表2给出1#风机基本信息参数。现场主扇风机如图1所示。

  风光牌JD-BP34-270F中压三电平变频器采用高速DSP作为主控器件，主电路采取三电平或称中点箝位拓扑结构。友好人机界面可设为各种参数及实时监测运作时的状态。国内较早成功研制三电平变频器的厂商产品荣获山东省科学技术进步奖。

  （1）主电路采取三电平或称中点箝位拓扑结构，不但能输出较高电压，而且能降低输出电压谐波成分和电压变化率dv/dt，输出波形良好。

  （2）输出端采用三相RLC低通滤波器，将变频器输出的三相SPWM波滤成正弦波，有利于保护电机。

  （3）使用先进的高速DSP和CPLD芯片作为主控器件，保证变频器的稳定运行。易于操作的人机界面可实现各种参数的设置及运作时的状态的监控。

  （4）不受电网波动影响，电机侧电压稳定。增加低频启动电压可以补偿线路损耗，适应远距离传输（最远达3000m以上）。

  （5）保护功能齐全。设有过压、欠压、硬件过流、2倍过流、过载、欠载、温升过高及失速等保护，并配有电机保护仪，变频器一旦保护，会立即保存故障数据，便于查找分析，有效保护变频器及电机。

  本文仅对该变频系统的技术特点简述如下，与380V级通用变频器相同部分不再赘述。

  在PWM电压型380V级变频器中，一般都会采用两电平电路。若用两电平电路实现1140V的输出势必要用昂贵的高压管或采用低压管串联结构，由于器件串联动态均压问题不易解决，应尽量避免。

  其中主电路部分采用三电平电路或称中心点部位（NeturalPointClamped-Npc）方式，它不但能输出较高电压，而且能降低输出谐波和电压变化率（dv/dt），良好的波形正是本设计的目标之一。图中的功率开关器件选用西门子的双单元IGBT模块（300A/1700V），采用两模块并联，整流桥采用300A/1600V双单元，整流后由两组大电容器相串联组成滤波器，电解电容采用10000UF/400VDC，六串四并，如图电容器的连接点即本电路的中心点（三电平的中间电平）。主回路可控硅延时导通，选用350A/1600V的模块。

  提高载波频率对改善波形、降低噪声大有好处，可是载波频率提高，会使开关损耗增加，所以最终选择时必须权衡利弊，本设备中载波频率选为2.0kHz，选择这个值时考虑到了输出端LC低通滤波器电感铁芯的重量因素。

  正兴煤业九鑫矿主扇风机为两台，一用一备。风机电机变频器采用一拖一控制，风光中压变频调速系统由一次回路进线柜、变频单元柜组成。变频运行时，变频器为电机提供全面的保护。如果变频器在运行中发生故障，立即将备用风机投入运行，保证煤矿通风生产规格要求。1#风机中压变频器柜一次回路如图3所示。

  正兴煤业九鑫矿主扇风机选用型号JD-BP34-270F风光变频器4套，于2012年7月2日一次性投运成功。变频运行后，风门全部打开，运行频率26Hz左右，不仅完全满足煤矿生产的基本工艺要求，而且用户操作十分便捷。变频器运行稳定。变频器现场运行如图4所示，人机界面运行如图5所示，变频器运行参数记录如表5所示。

  （1）采用变频器后启动风机时能轻松实现变频软启动，避免了启动电流对电网及控制设备的冲击，可以轻松又有效地延长电气设备的使用周期。

  （2）按需调节风量，调速范围宽且调速精度高，避免浪费。进行变频改造后，风机的风量不再一定要通过改变叶片角度来调节，而是由变频器通过调节电机的转速来实现，调节线性度好，因而能够准确的通过井下生产需要随时调节风量，避免了浪费。

  （3）降低了风机的工作强度，延长了常规使用的寿命。进行变频改造后，风机的大部分时间工作在低速状态下，因而大幅度的降低了风机的机械强度和电气冲击，大大延长了风机寿命，提高了风机的安全运行系数和运行周期。

  （4）变频器具有短路、过载、过压、欠压、缺相等各种保护，有效地保护了电机。

  （5）改善了现场工作环境，由于降低了风机的转速，风机噪声大幅度的降低，深受现场工作人员的欢迎。

  （6）减少了反风中的操作环节，以前反风需要操作系统的立式风门、水平风门以及反风风门，工序繁多而且常常会出现倒错风门的事故。现在使用轴流式风机和变频器控制后，反风时极其简单，只要在人机界面上将运行频率调整为负的频率，电机就会先减速至零点然后再反转到所调频率，这期间不用再调整整个风门系统，减少了工作量，降低了操作的流程中的故障率。

  正兴煤业九鑫矿主扇风机经过变频改造之后，不仅达到了良好的节约能源的效果，并且使整套通风系统的稳定性提高了一个大台阶。随国家对节能减排工作的逐渐重视，煤矿企业通过种种措施降低生产所带来的成本，其中变频技术起到了关键作用，取得了明显的经济效益与社会效益，适应了国家建设资源节约型社会的潮流。

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