变频调速在煤矿主要通风机中的应用

1　引言 　　变频调速技术及系统的应用能够使电力传动系统的控制性能和节能水平有较大幅 度提高。我国现有各类电动机总装机容量达35亿kWh,电耗占总用电量的50％左右。考 虑到生产机械在各种工况下的工作运行，因而配用的拖动电动机功率一般定位在最大工作能 力 情况下。而大量的生产场合由于功率需求始终处在变动状态中，因此在定速拖动方式下， 无法进 行拖动功率与实际功率需求的匹配平衡。在低功率需求的情况下，就导致大量的电动机处 于 轻载运行，电能利用率低，浪费电能现象严重。在电传系统中，加入变频器环节，可较大幅 度地降低生产性电耗，还可大大优化生产机械的控制性能。煤炭行业中的矿井通风，配备了 大量的功率较大的主要通风机，其平均效率仅达60％，运行效率不到55％，比国外水平低15个百分点。在矿井主要通风机的拖动系统上实施变频调速技术改造，可产生良好的经济效益。  　　2　基本情况介绍 　　山西三元煤业有限公司是新建矿，现在年生产能力已达100万t，生产用电量很大，主要用 电设备为矿井主要通风机及提升设备。矿井通风设备是根据生产发展规划配备的，电机及主 要通风机 容量选用的比较大，由于建矿时间短，实际生产能力没有达到中远期设计水平，因此通风设备存在较大裕量。 　　三元煤业公司矿井只有一个采区，矿井通风方式为抽出式，设有一个通风机房，装备两台 轴流式 通风机，风机启动方式为串电抗器降压启动，两台同型号的主要通风机互为备用。主要通风 机选 用的是沈阳风机厂生产的2K58系列矿井轴流通风机，型号为2K58-No28型，额定电压600 0V，转速590r/ min。配备电机均为沈阳电机厂生产的高压电机，型号为JS-157-10，额 定电压6000V，额定电流33A，额定功率260kW，转速 590r/ min。 　　1998年由山西省煤矿节能监测中心对两台2K58-No28通风机的性能进行了技术测定。通风 机效率为86.3%；通风机运行工况点为：风量104m3/s，全压为1996Pa，风机效率为27.5 %， 风机轴功率90kW。针对矿井实际的风量需求，采用调节前导器角度和调节垂直风门开启度实 现风量调整。经计算，通风机房两台2K58-No28通风机采用轮换工作制，与近最佳工况运行 情况相比，每年多消耗电能45.32万kWh，电能浪费十分严重。 　　初期（近10年内），整个风机和电拖动系统处于低效率运行状态，存在“大马拉小车”的问题，在矿井生产后期，260kW的电动机仍能 满 足后期通风的需求。同时电机起动电流过大，尽管加入起动电抗器，起动电流仍然很大。 在正常生产过程中以及采煤断面的加深和延长，对风量和风压有着不同的要求，而对风量的 不同需求，一般是通过人工改变风门的开启度或者改变风机的扇叶角度来实现的，劳动强度 大，风量调控不便，设备维修工作量大。 　　为解决上述问题，我们根据我 矿的实际生产及发展要求，选用北京天宠电力技术有限公司生产的高压变频调速器MDS2000- 260/6G一台，对主要通风机进行变频调速技术改造。 　　3　风机调速运行节能原理 　　通常调节风量的方法有改变风门开度和改变风机转速两种方法。 风机的压力—风量特性曲线如图1（略）。 根据风机轴功率诸公式： P=KQp/ηcηb〖JY〗(1) 式中： 　P——轴功率（kW）；　〖WB〗K——系数； 　Q——风量（m3/s）；　ηb——风机效率； 　　p——压力（Pa）；　　ηc——传动装置效率（直接传动时为1） 风机G2，G5工作点的轴功率为： 　　PG2=KQ2P2/ηcηb(kW) 　　PG5=KQ2P5/ηcηb(kW) 　　△P=KQ2(P2-P5)/ηcηb(kW) 　　△Pn即为风机调速控制所节省的功率，或者说风门调节时要多消耗在风门上的功率 。 根据风机风量、压力、转速、转矩之间的关系： 　　〗Q∝n 　　p∝T∝n2　(2) 　　P∝Tn∝n3 式中：　Q——风量； p——压力； T——转矩； P——轴功率〖ZK)〗 　　可以看出，风量与转速的1次方成正比，压力与转速的2次方成正比，轴功率与转速的3次方 成正比。调节转速即可调节输入风机的功率。 交流电机转速与频率的关系为： N=60f(1-S)/p　(3) 式中： 　　N——转速；　　f——电机电源频率； 　　p——电机极对数； 　 S——转差率 　　从（1）、（2）、（3）式可以看出，均匀调节电机定子绕组的电源频率f，就可以均匀地改 变电机转速，改变转速即可调节风量的大小。因此调节电机转速，就可相应地调节输入风机 的功率。这样，避免风门调节风量时消耗在风门上的功率，这正是采用变频调速达到节能的 原理。 　　4　高压变频调速器MDS2000工作原理 　　MDS2000高压变频器采用直接高-高变换的方式，多电平串联倍压技术方案。整个设备是由切 分装置、变换装置和控制装置三部分组成。 　　切分装置是一个特殊设计的三相隔离变压器。该变压器一次输入有三个分接头，分别对应的 一次输入电压为6000V、6300V、5700V，即对电网的输入可调整为电网输入的100%、105%、9 5%，目的在于适应电网宽范围的电压输入。本装置的变压器输入电压符合国家标准，容 量为330kVA。变压器的二次有三组输出，对应三相输出，每组包括8个独立的切分单元绕组 ，绕组之间相差一定的电角度，每个绕组输出同样大小的三相交流电。 　　本装置的变换装置是由24个结构相同的功率模块组成，主电路结构采用电平串联倍压方式， 8个功率模块串联成一相，三相输出采用Y形接法。每个功率单元包含整流、滤波、逆变3 个部分。通过软件编程，控制逆变部分中的开关元件的开、关规律，从而控制每个逆变模块 的输出电压幅值大小、方向和宽度（相应的频率）。 　　波形的输出采用优化的PWM变换技术，对相电压波形进行优化变形，提高电压利用率；加上 输出多电平的串联倍压，使得输出波形更加接进正弦波，有效地抑制输出电压和电波的谐 波含量。 　　５　改造方案 　　具体改造方式为：首先恢复风机扇叶数量，将扇叶调整到最佳工作角度３0°，使风机工作 在最佳状态；利用变频器变频调速功能，根据生产对风量和风压的要求，自动调节风机吸风 量，使风机获得最大的节能效果；同时变频器具有软起动功能，可根据实际情况，设定相应 的起动时间，以减少直接起动所产生的大的冲击电流，取消了直接起动时所串接的限流电抗 器。 改造后的系统主接线图如图2所示： 　　图2（略） 　　６　改造前后的一些主要数据对比及效益 三元煤业公司在2001年８月初安装使用该设备，运行一段时间后，并经过测试，整体情况和 以前工频运行时有以下几个方面的比较。 （1）改造前后的一些主要数据对比如表1。 （２）整体情况 ①主要通风机变改造后，在满足正常生产对风量（现在为46.33～53.67m3/s）和风压（ 1700P a）需求的前提下，电机实际转速比额定转速590r/min下降了17%，电机实际功率为电机额 定功率的56%，节电率约在44%。 　　表1　改造前后主要数据对比（略） 　　②变频改造后，实现了软起动，取消了起动时的限流电抗器，起动电流大大减小，低于 额定电流，避免的起动电流对电网和电机的冲激。 　　③由于高压变频器功率因数高，不需功率补偿，因而去掉了原有的并在电机输入侧的电容 器。 　　④测试结果表明，变频器输出谐波含量很小，低于4%。 　　⑤变频改造后，实现了生产对风量的自动控制，提高了设备自动化控制程度和设备的可靠性 。 　　⑥设备磨损减轻、维护费用降低，延长了维护周期，工作强度减少。 　　⑦变频设备操作简单，工况良好，运行可靠。 　　⑧变频运行后设备噪音降低、改善工作环境。 　　７　结语 　　通过此例应用及其他的风机变频改造应用实例，可以认为：煤矿主要通风机如能较为普遍地 实施变频调速改造，经济效益是非常可观的。 对风机实施变频技术改造，实际上是在拖动风机的电传动系统中应用了变频调速技术。一 方面，变频调速技术的应用不仅能使电力传动系统的节能水平有较大提高，另一方面，也能 使电力传动系统的控制性能也得到较大的提高。 变频调速技术如能进一步地在风机 拖动以泵类机械拖动、及整个电力传动系统中推广应用，将对推动企业科技进步起到重要作用。 信息来源于：中国煤炭