煤矿6 kV 空气压缩机变频节能改造

兖州矿业（集团）公司济宁三号煤矿从节能、高效的角度，通过6 kV 空气压缩机变频节能改造技术方案的深入研究和实践分析，总结出了如何更好地实现空气压缩机的软启动、 软停止，改善因为空气压缩机启动次数较多，进而造成对系统冲击较大和机械运转空转损耗较大的难题，对于保证空气压缩机经济运行、提高使用寿命和节能增耗具有现实的借鉴意义。

⑴空气压缩机的使用状况。 该矿使用的9 台空气压缩机均为螺杆式空气压缩机，其中4 台额定功率250 kW、5 台额定功率220 kW。 平时有5 台空气压缩机运行，4 台常开、1 台备份，处于满载、空载交替运行的过程中。 9 台空气压缩机循环运行，大约2 天切换1次。空气压缩机的排气量和压力在运转中是不变的，常因所使用风动机械和风动工具的台数多少而变化。⑵原系统的能耗分析。①原系统的电动机功率比较大，启动方式为直接启动，瞬时加载和卸载， 容易产生比较大的启动电流，使压缩气源产生较大的波动，对设备的机械冲击较大， 因而加速了设备的磨损，降低了使用年限。②由于电动机本身不能够调速，因此不能够直接使用压力或者流量的变动来实现降速调节输出功率的匹配。 ③电动机不允许频繁启动，用气量少的时候电动机仍然要空载运行，空转电流大约为电动机额定电流的50%～70%，电耗比较高。 根据能耗分析的结果，为了达到空气压缩机的经济运行，他们采用高压变频调速节能系统对原有的空气压缩机系统进行升级改造。⑶变频节能改造方案。根据空气压缩理论，空气压缩机的轴功率、排气量和轴转速符合公式

Pr=（Mr×n）/9553

Vd1=k×Vh1×n2

式中 Pr——空气压缩机轴功率，kW

Mr——压缩机输入平均轴扭矩，N·m

n ——压缩机轴转速，r/min

Vd1——在n2转速下的排气量，m3/min

k ——与汽缸容积、温度、压力和泄漏有关的系数

n2——变频调节以后的压缩机转速，r/min

Vh1——一级缸容积，m3

在压缩机汽缸容积不能改变的情况下， 调节压缩机转速能改变排气量；压缩机是恒转矩负载，其轴功率与转速呈正比变化；在压缩机总排气量大于风动工具用气量时，通过降低压缩机转速调节供风压力，是达到压缩机经济运行的有效方法。⑷高压变频调速方案的选择。 此系统的三相交流异步电动机，电压等级为6 kV， 容量为200～250 kW，可以采用以下几种节电方式：①“降压变压器+低压变压器+升压变压器”构成“高—低—高”式变频调速系统。即先通过降压变压器把高压电源变为690 V，通过变频器变频后再经升压变压器升高电动机额定电压，经过降压、升压2 次变压，电能损失较大，系统效率降低，对升压变压器性能要求较高。 ②单元串联变频调速系统。由输入移相变压器、 功率单元和控制单元3 个部分组成。 采用模块化设计、功率单元相互串联部分解决高压，可直接驱动交流电动机，无需输出变压器和任何形式的滤波器；但移相变压器结构复杂、重量及体积大、内部接点多、故障率高。 ③IGBT直接串联变频调速系统。 采用IGBT 直接串联式高压变频器，高压交流电输入变频器以后不需要任何降压环节整流输入高压H 桥路， 经过H 桥变换之后直接输出，电路简单、自损耗小、效率高、体积小、重量轻、可靠性高、维护方便。 经过研究分析，他们认为IGBT 直接串联高压变频调速技术是集高速功率可关断器件直接串联技术、正弦波技术、抗共模电压技术、直接速度控制技术（DSC）为一体的“高压”变频器。 与其它调速方法相比，IGBT 直接串联变频调速具有无极调速、 容易实现自动控制、不用改变原设备结构和安装量小的特点。 因此， 决定采用第三种方案，即IGBT 直接串联变频调速系统。