五沟煤矿扇风机电机高压变频的应用

　　一、现场系统情况

　　煤矿因生产的特殊性，矿井通风系统关系到矿山的安全生产，所以通风系统在煤炭生产中具有举足轻重的地位。其中主扇风机在煤矿生产中有着最重要的地位，随着开采和掘进的不断延伸，巷道延长，尽管风量基本不变，但风压要求却不断增加，风机需用功率也随之增加。根据反风及开采后期运行状况来确定的主扇风机及拖动电动机的功率通常远大于煤矿长期开采所需的正常运行功率。五沟煤矿主扇风机采用500KW/6KV电动机传动，电机采用直接启动的方式。

　　目前采用高压电动机直接启动，存在以下几个问题：

　　●电能的严重浪费。煤矿的服务年限大多在60年以上，投产初期到井田稳定开采一般在10年左右，这就意味着有这10年的时间里，主扇风机一直处在较轻负载下运行。由于工频运行的电动机转速不可调节，只能通过改变风机叶片的角度进行风量调节，因此造成能源浪费，增加了生产成本。

　　●启动困难，机械损伤严重。主扇风机采用直接启动，启动时间长，启动电流大，对电动机的绝缘有着较大的威胁，严重时甚至烧毁电动机。而电动机在启动过程中所产生的单轴转矩现象使风机产生较大的机械振动应力，严重影响到电动机、风机及其它机械的使用寿命。

　　●自动化程度低。主扇风机依靠人工调节风机叶片调节风量和风压，更不具备风量的自动实时调节功能，自动化程度低。在故障状态下，如风流短路，将对矿井正常生产造成严重影响。

　　为了矿井的安全生产和降低生产成本，提升该煤矿的自动化水平，对主扇风机进行变频调速改造具有非常重要的意义。

　　二、高压变频改造方案

　　1、主回路系统方案

　　考虑到现场设备实际运行的情况，煤矿主扇轴流风机变频系统采用一拖二手动旁路方式，采用一台变频器分别单独传动二台风机中的一台风机的电动机，正常情况下，允许有一负载工作在变频状态，另一负载工作在工频状态，也可以两台都在工频状态；

　　该系列变频采用若干个低压PWM变频功率单元串联的方式实现直接高压输出。变频器具有对电网谐波污染极小，输入功率因数高，输出波形质量好，不存在谐波引起的电机附加发热、转矩脉动、噪音、dv/dt及共模电压等问题的特性，不必加输出滤波器，就可以使用普通的异步电机，不需要更换电机。

　　一拖二手动旁路系统

　　基本原理：它是由8个高压隔离开关QS1～QS8组成（见左图）。其中QS2和QS3,QS5和QS6安装机械互锁装置；各隔离开关间有电气互锁。如果两路电源同时供电，M1工作在变频状态，M2工作在工频状态时，QS3、QS7和QS4、QS5、QS8分闸，QS2、QS1和QS6处于合闸状态；M2工作在变频状态，M1工作在工频状态时，与M1工作在变频状态，M2工作在工频状态时类似；如果检修变频器，QS3和QS6可以处于任一状态，其它隔离开关都分闸，两台负载可以同时工频运行；当一路电源检修时，可以通过分合隔离开关使任一电机变频运行。

　　特点：正常情况下，允许有一负载工作在变频状态，另一负载工作在工频状态，也可以两台都在工频状态。

　　同时工频运行时1#电机通过QS7、QS3 ，2#电机通过QS8、QS6切换完成反风功能，变频运行时通过变频设备内部设置即可完成电机转向的正反方向的转换完成反风功能。

　　2、控制系统方案

　　变频系统控制方式可以采用下述4种方式，现场用户可以根据实际情况采用相应的一种或几种控制方式。

　　A、闭环控制方式

　　变频系统可以根据现场要求在变频操作界面上设定需要的压力或流量值、或通过模拟给定形式给定需要的压力或流量值，变频设备根据设定值和现场压力或流量的反馈值自动闭环控制调节设备转速，使系统压力或流量值运行在要求的设定值。

　　B、本控开环控制方式

　　变频系统可以通过本控方式在变频设备控制柜监控界面手动设定负载设备需要运行的转速值，变频设备自动将负载设备传动到要求转速值。

　　C、总线控制方式

　　变频系统也可以通过RS485、Profibus/Device Net 与工厂控制系统通讯进行协调控制。

　　D、远控开环控制方式

　　变频调速系统可由现场DCS监控操作系统进行协调控制，根据运行工况按设定程序，实现对负载设备电动机转速控制。

　　具体控制接口情况如下：

　　变频系统和现场DCS监控操作系统进行通讯连接，从现场DCS监控操作系统上发出变频器的启动、停机等信号。变频器反馈以下信号接入到现场监控操作系统上： (1)报警及故障信息：重故障报警、轻故障报警；(2)调速装置的状态信息：待机状态、正常运行状态、故障状态、系统旁路状态；（3）电机电流、转速、电压等。

　　以下为变频器与现场DCS监控操作系统系统具体接口：

　　1）．变频器需要提供的开关量输出6：

　　(1) 变频器待机状态指示：表示变频器已待命，具备启动条件。

　　(2) 变频器运行状态指示：表示变频器正在运行。

　　(3) 变频器控制状态指示：节点闭合表示变频器控制权为现场远程控制；节点断开表示变频器控制权为本地变频器控制。

　　(4) 变频器轻故障指示：表示变频器产生报警信号。

　　(5) 变频器重故障指示：表示变频器发生重故障，立即关断输出切断高压。

　　(6)电机在工频旁路：表示风机电动机处于工频旁路状态。

　　以上所有数字量采用无源接点输出，定义为接点闭合时有效。除特别注明外，接点容量均为AC220V、3A/DC24V，1A。

　　2）．变频器需要提供的模拟量2路：

　　(1) 变频器输出转速

　　(2) 电机电流

　　变频器提供2路4～20mADC的电流源输出（变频器供电），带负载能力均为250Ω。

　　3）．需要提供给变频器的模拟量1路：

　　(1)变频器转速给定值

　　现场提供1路4～20mADC二线制电流源输出，带载能力必须大于250Ω，4～20mADC对应转速低高限，须呈线性关系。

　　4）．需要提供给变频器的开关量有2路：

　　(1) 启动指令：干接点，3秒脉冲闭合时有效，变频器开始运行。

　　(2) 停机指令：干接点，3秒脉冲闭合时有效，变频器正常停机。

　　5、变频器与其他电气设备接口

　　1）．变频器给高压开关柜的有2路：

　　(1)高压紧急分断：变频器出现重故障时，自动分断高压开关，闭点有效。

　　(2)高压合闸允许：变频器自检通过或系统处于工频状态，具备上高压条件，闭点有效。

　　以上所有数字量采用无源接点输出，定义为接点闭合时有效。除特别注明外，接点容量均为DC220V，3A。

　　2）．高压开关柜给变频器的状态信号1路：

　　(1)高压开关分闸信号：高压开关处于分断时，辅助节点闭合；1个。

　　变频系统具有如下特点：

　　变频系统，既可以变频调速运行，也可以投工频运行；

　　为变频器提供的交流220V控制电源掉电时，变频器可以通过内部配置UPS供电使控制系统继续运行达30分钟；现场如果采用交、直流220V双路供电时，变频装置能按照交流电源优先的原则进行交、直流无扰切换供电，保证供电可靠性。

　　在现场速度给定信号掉线时，变频器提供报警的同时，可按原转速继续运转，维持机组的工况不变；

　　3、有关变频改造后风机效率情况说明

　　风机设备工频运行时，为保证生产工艺要求的压力及流量值，一般通过改变风门挡板的开度满足要求，相应的风道风阻曲线也会发生变化；故工频运行挡板调节方式是一种保持风机特性曲线及效率范围不变，改变风道风阻曲线来满足实际工艺需求的方式，由于风道风阻曲线的变化就有可能会出现风机运行在低效率区的情况。

　　主扇风机变频改造后，其各转速点的压力和流量曲线相对工频时的曲线是平行往下移动的，相应的各速度点的风机高效运行区也是跟着各转速点的压力和流量曲线移动的；变频改造后，在保持风道风阻曲线不变的情况下，通过调节风机转速达到满足工艺要求压力和流量的目的；故变频运行调节方式是一种保持风道风阻曲线不变，改变压力和流量曲线来满足实际工艺需求的方式，由于风机效率曲线是跟着各转速点的压力和流量曲线移动变化的，故变频改造后能保证风机一直运行在高效率区。

　　4、系统散热方案

　　高压变频器属于大型电子设备，对环境要求比较严格。统计多台设备的运行情况，由于现场环境温度过高而引起的设备故障比例较大，因此总结了三种方案为：1、加装风道；2、加装空调；3、加装空冷器。三种方案各有其适用的范围。

　　1、加装风道。常规的设计是在机柜上面安装风道，将变频器产生的热量直接排放到室外，由变频器室的进风口不断补充冷风，对系统进行冷却。在使用中需要注意的是如果变频器柜顶风机距出风口较近（小于2米，中间无转折），出风口可不加装辅助排风机，否则需加装排风机。如果进风口的现场施工存在不便，风道需有转折，则可以考虑加装风机强迫进风。

　　加装风道的优点是成本低，可靠性高，散热效果良好。适用于现场环境比较清洁的场合，否则就需要经常清洗滤网。

　　2、加装空调就是把高压变频调速系统放置于一个比较封闭且相对狭小的房间内（主要是可以减小空调的容量），但要满足系统维护的需要，然后在房间内安装空调，通过空调内部的循环将高压变频调速系统产生的热量排到室外。空调总体的制冷量为变频器的发热量加上空间制冷所需的制冷量。变频器发热需要根据运行工况选择，考虑一定的裕量，最大发热量为变频器额定功率的4%，如果长期运行频率低于40Hz，则发热量可按照变频器额定功率的2%进行估算。空间制冷所需的制冷量，一般每平方米可以按照150瓦特计算。

　　加装空调的优点是由于没有室内外空气的直接流通，容易保持室内环境的清洁，但是空调的可靠性会影响到系统的稳定性，初次投资和运行成本会相应增加。

　　3、加装空冷器。空冷器是一种利用高效、环保、节能的冷却系统，其应用技术在国内处于领先地位。从变频器出来的热风，经过风管连接到内有固定水冷管的散热器中，散热器中通过温度低于33℃的冷水，热风经过散热片后，将热量传递给冷水，变成冷风从散热片吹出，热量被循环冷却水带走，保证了变频器控制室内的温度恒定。

　　四、风机变频调速节能分析及计算

　　1、现场设备数据：

　　五沟煤矿风机运行工况调查表

　　1、设备基本情况表（铭牌）：

　　风机型号 MAF-2100-1A 配套电机型号 Y500-6

　　额定压力 2782 额定功率 500KW

　　额定流量 初期  139         后期176         额定电压 6000V

　　压力 初期1950           后期3400       额定电流 59.9

　　额定转速 990r/min 额定转速 988r/min

　　级数 / 效率 /

　　返风方式 电机反转 功率因数 0.85

　　2、运行情况表（实际运行,取10～30天数据，）： 目前风机的调节手段 风机运行角度：

　　风机压力   1680Pa 风机流量    107 m3/s

　　电机电压    6300V 电机电流   38.7A

　　2、工频状态下耗电计算

　　Pd：电动机功率 ； d：电动机效率 ； U：电动机输入电压 ；

　　I：电动机实际运行电流 ；cosφ：功率因子。

　　计算公式：Pd = ×U×I×cosφ  …①

　　然后将电机实际工频下运行的电流代入上面的公式，得出电机工频状态下的功率Pd

　　实际计算方法：工频运行下功率：Pd= ×6.3×38.7×0.85=358.9KW

　　3、变频状态下年耗电量计算

　　1）、风机类负载的运行特性及管路性能曲线的绘制与计算：

　　Pd’：电动机轴功率；P′：风机轴功率 ； ：电动机效率 ； ：变频器实际效率 ；

　　Q：出口流量 ；H：出、入口压力差。

　　风机设备属平方转矩负载，其转速n与流量Q，压力H以及轴功率P具有如下关系：Q∝n ，H∝n2，P∝n3；即，流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。通过风机数据，依据 公式可依次求得风机在采用变频调速运行时对应的风机总功耗  。

　　另有，电动机效率 与电动机负荷率β之间的关系如图一所示。

　　变频器的效率 与电动机负荷率β之间的关系如图二所示。

　　我矿扇风机房年用电量298万度，如按节电18.6%计算，则年节电55.4万度，综合电价0.61元，年节约资金33.79万元。

　　计算说明：

　　现场设备变频改造后实际节电效果仅仅与现有设备工频运行时的工况及电流有关，与节电计算是没有关系的；好的节电计算仅仅能达到能为设备变频改造提供比较准确的节电率估算的作用；变频改造后，不管采用什么品牌的变频器，在设备能够稳定运行的情况下其节电效果是基本相同的；品质优良的变频设备能够很好的保障用户的节能效果和在各种生产过程正常高效地运行。

　　五、应用高压变频调速系统产生的其他效果

　　1、维护量减少。采用变频调速后，无论哪种工艺条件，随时可以通过调整转速使系统运行在工艺要求的状态下工作。

　　2、提高设备的使用寿命，大大降低维修费用以及时间。

　　3、工作强度降低。

　　变频调速系统可由主控系统进行协调控制，根据运行工况按设定程序，实现对负载电动机转速自动控制。大大降低了劳动强度，提高了生产效率，为优化运营提供了可靠保证。

　　4、减少了对电网的冲击。

　　采用变频调节后，系统实现软启动，电机启动电流远远小于额定电流，启动时间相应延长，对电网无大的冲击，减轻了起动机械转矩对电机机械损伤，有效的延长了电机的使用寿命。

　　5、提高功率因数

　　电压源型变频器功率因数可达0.96,采用变频调速系统后，无需无功补偿装置就能满足电网要求。不但提高了厂变及其它相关电气设备的利用率、而且节约了线路能量损失，节约了经费，可谓一举多得。

　　6、完善的故障诊断和保护功能

　　变频器具备对电机和变频器本身完善的保护功能，如过热、过载、过流、过压、缺相、接地等，从而避免设备在不正常状态下长时间运行，保证设备不至于损坏。并且，故障信息可以准确地指示故障点，变频器使用说明书中还有引起故障的原因及排除故障的措施，极大地方便了维护人员排查故障。

　　曹启申，男，1977年6月出生，籍贯：安徽淮北，毕业于淮南工业学院电气自动化专业，现任机运事业部电气主管，工程师，从事四大件电气技术维护、管理工作。