礦用對旋軸流主通風機的變頻改造

　　一、礦井和礦用對旋軸流通風機概述

　　星村煤礦位于山東省曲阜市境內，生產系統(tǒng)按照120萬噸/年裝備，為全隱蔽型井田。井田內主要有第四系、侏羅系和石炭二疊系含煤地層，煤層埋藏較深，采用立井開拓方式。礦井通風方式采用中央并列式。副井進風，主井回風。兩臺對旋軸流風機，一用一備。

　　將一個葉輪裝在另一個葉輪的后面，而葉輪的轉向彼此相反，稱為對旋型軸流通風機，或者對置式軸流風機。煤礦所使用的對旋軸流風機因其主要由該通風機采用兩級葉輪對旋式結構，兩級葉輪分別由容量及相同型號電動機驅動，兩個葉輪旋轉方向相反，從進風口看，第一級葉輪順時針方向旋轉，第二級葉輪則按逆時針方向旋轉。當空氣流入第一級葉輪獲得能量后并經第二級葉輪排出，第二級葉輪兼?zhèn)淦胀ㄝS流風機中靜葉的功能，在獲得正直圓周方向速度風量的同時，增加氣流的能量，從而達到了高效率，高風壓。

　　我礦主通風機為湘潭平安電氣生產的BD-II系列彎掠組合正交型隔爆對旋軸流式主通風機。型號為BD-II-8-NO.27。一用一備，每臺風機配置兩臺450kW、10kV防爆型鼠籠電機。電機采用了南陽防爆集團的風機用高壓隔爆型三相異步電動機。電機型號為YBF630M-8。電機電壓為10kV，轉速為744轉/分，額定電流33.9A.。通過調節(jié)風機葉片角度和風道擋板來完成風量的調節(jié)。

　　二、礦用對旋軸流通風機變頻改造的必要性

　　礦用對旋軸流通風機(俗稱“主通風機”)是煤礦的“呼吸系統(tǒng)”的中樞，須24小時不間斷運行。由于煤礦企業(yè)受復雜的生產條件和環(huán)境影響，在設備選型上煤礦根據(jù)反風及開采后期運行工況所設計的通風機及拖動的電動機的功率，遠大于煤礦正常生產所需的運行功率，造成了大馬拉小車的普遍現(xiàn)象，耗能相當嚴重。如何降低企業(yè)的生產成本，提高勞動生產效率是煤炭生產企業(yè)需要解決的主要問題。

　　從通風機選型的過程和煤炭生產的實際情況，對旋軸流通風機在恒速運行中存在以下問題：

　　1.電能的嚴重浪費
　　主扇風機設計上余量大，主扇風機一直處在較輕負載下運行。由于采用檔板調節(jié)，因此造成能源浪費，增加了生產成本。

　　2.啟動困難，機械損傷嚴重 
　　主扇風機采用直接啟動，啟動時間長，啟動電流大，對電動機的絕緣有著較大的威脅，嚴重時甚至燒毀電動機。而高壓電動機在啟動過程中所產生的單軸轉矩現(xiàn)象使風機產生較大的機械振動應力，嚴重影響到電動機、風機及其它機械的使用壽命。

　　3.自動化程度低
　　主扇風機依靠人工調節(jié)檔板，更不具備風量的自動實時調節(jié)功能，自動化程度低。在故障狀態(tài)下，如風流短路，將對礦井正常生產造成嚴重影響。

　　高壓變頻器作為一種新型的電力變換裝置，已經成熟地應用到工業(yè)生產的各個行業(yè)，不但啟動容易，節(jié)能效果顯著，而且對電機的保護功能齊全。因此，為保證礦井生產的安全，降低生產成本，提高自動化程度，對旋軸流通風機的變頻改造就成為事在必行的工作。

　　三、高壓變頻器的技術特點

　　為克服以上存在的問題，我們決定對主通風機進行變頻改造。根據(jù)論證分析和現(xiàn)在高壓變頻的技術現(xiàn)狀，我們采用了利德華福公司的HARSVERT-A10/070功率單元串聯(lián)多電平高壓變頻器。利用一臺變頻器直接拖動一臺風機的兩臺電機的改造方案。HARSVERT-A系列高壓變頻調速系統(tǒng)采用單元串聯(lián)多電平技術，屬高-高電壓源型變頻器，直接10kV輸入，直接10kV高壓輸出。變頻器主要由移相變壓器、功率模塊和控制器組成。它采用了新型IGBT功率器件，全數(shù)字化微機控制。具有可靠性高、易操作、性能穩(wěn)定等特點。

　　1.功率模塊結構：功率單元結構原理是由不可控二極管整流的三相全控橋、低壓絕緣柵雙極型晶閘管（IGBT）逆變橋、電容器組等元件組成的控制回路，為基本的交-直-交單相逆變電路，通過對IGBT逆變橋進行正弦脈沖寬度調制（PWM）控制，可得到功率單元輸出的PWM波形。每個功率單元結構一致，可以任意互換，而且當某個功率單元出現(xiàn)故障時，封鎖該功率單元IGBT的觸發(fā)信號，然后讓旁路SCR導通，將這個功率單元隔離出去，而不影響其他功率單元的運行。

　　2.輸入側結構：輸入側由移相變壓器給每個功率模塊供電，移相變壓器的副邊繞組分為三組，根據(jù)電壓等級和功率模塊串聯(lián)級數(shù)，為48脈沖構成多級相疊加的整流方式，可以大大改善網側的電流波形（網側電壓電流諧波指標滿足IEEE519-1992和GB/T14549-93的要求）。使其負載下的網側功率因數(shù)接近于1，無需任何功率因數(shù)補償、諧波抑制裝置。

　　3.輸出側結構：輸出側由每個功率模塊的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機供電，通過對每個單元的PWM波形進行重組，可得到階梯正弦PWM波形。這種波形正弦度好，dv/dt小，對電纜和電機的絕緣無損壞，無須輸出濾波器，就可以延長輸出電纜長度，可直接用于普通電機。同時，電機的諧波損耗大大減少，消除負載機械軸承和葉片的振動。

　　4.控制器：控制器由DSP芯片、嵌入式人機界面和PLC共同構成。DSP芯片實現(xiàn)PWM控制。嵌入式人機界面提供友好的全中文WINDOWS監(jiān)控和操作界面，同時可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控和網絡化控制，輸入輸出波形采集。內置PLC則用于柜體內開關信號的邏輯處理，可以和用戶現(xiàn)場靈活接口，滿足用戶的特殊需要。

　　控制器與功率單元之間采用光纖通訊技術，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統(tǒng)具有極高的安全性，同時具有很好的抗電磁干擾性能，可靠性大大提高。另外，交流220V控制電源掉電時，控制器可由配備的UPS繼續(xù)供電，變頻器可以保持運行。

　　四、改造后的主要應用效果

　　1．變頻起動對電網沒有任何沖擊。由于變頻器改造后風機可以實現(xiàn)變頻軟起動，避免了起動電流的沖擊，減少了對電網電壓的任何沖擊，而且還可以隨時起動或停止，這體現(xiàn)了高壓變頻器作為軟起動器的作用。

　　2．按需調節(jié)風量，避免浪費。變頻改造后，風機的送風量不再需要由風門來調節(jié)，而是通過變頻調節(jié)風機的轉速來實現(xiàn)，調節(jié)范圍可以從0%—100%；因而可以根據(jù)生產需要隨意調節(jié)風量。

　　3．變頻器運行中，如果需要機組切換，直接點擊人機界面中的“啟動1#”或者“啟動2#”進行切換。

　　4．變頻器運行過程中，可以一鍵反風功能，減少了操作員工的工作，縮短了工作時間，提高了工作效率。

　　5．變頻節(jié)能運行，節(jié)約了大量能源。由于變頻改造后不再使風機一直處于滿負荷工作狀態(tài)，節(jié)能率高達30%以上。

　　6．需要注意的是煤礦對旋風機變頻調速后，一般情況下要求兩臺電機的運行頻率盡量一致，從而保證電機轉速一致。避免一臺轉速高，一臺轉速低，形成風阻，影響風機的正常運行。

　　五、運行效果

　　變頻器于2008 年5月30日安裝完成，6月3日投入運行。變頻器顯示采用中文圖形人機界面，觸摸屏操作，生動直觀，并且配備有上位監(jiān)控計算機，變頻器的運行狀態(tài)一目了然，各種運行數(shù)據(jù)和報警信息可在觸摸屏和上位機上查詢，便于操作人員及時了解變頻器的運行情況。變頻器操作簡單，兩級風機可以同時起動，可在短時間內起動至高速，達到所需風量?？s短的起動時間確保了生產安全，實現(xiàn)了一鍵反風，反風操作比以前簡單可靠，完全可滿足10min內實現(xiàn)反風的要求。變頻器投入運行以來一直運行穩(wěn)定，輸出頻率、電壓和電流符合要求，滿載時網側電流諧波總容量小于3% ，風機以低于額定轉速運行，不僅節(jié)約了能源，減少了維護費用，還降低了風機的運行噪聲，經濟效益良好。

　　由此可見，礦用通風機采用變頻調速，不但實現(xiàn)了軟起停，節(jié)約了電能，而且可根據(jù)巷道的風量需求方便的進行調速，應用效果是十分理想的。變頻運行時，風機效率為80%，其節(jié)電率在30%以上，節(jié)能效果十分明顯。