主通风机变频器在新义煤矿的设计及应用

摘 要：利用高压变频调速技术改变设备的运行工况，实现不停机调节矿井所需风压、风量，提高了系统的自动化程度。

关键词：风机；变频；矿井

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.24.054

1 应用高压变频器的必要性

在煤炭企业的主通风机设计选型时有一定富裕度，电动机的选型一直存在“大马拉小车”的现象，而电动机自身只能工频运行，不能跟随负荷波动进行自我调节，风机只有通过改变叶片的角度来调整，这导致了设备的运行效率较低，并且有浪费大量电能。

矿井风机的选型一般是按煤矿开采过程中通风阻力最大阶段来选择风机型号的。按实际通风参数配备主扇风机电机功率，其计算方法为：

N-所需功率，指1、2级电机的总功率（kW）

Pst-煤矿通风阻力最大阶段总阻力（Pa）

Q-煤矿通風阻力最大阶段总风量（m3/s）

ηst-按Pst、Q参数查本样本的实际运行工况效率

K-功率富裕系数，一般取K=1.1～1.15

按上述求出总功率N，根据N/2的值，并参考电机功率等级系列，选配两台同功率电机，必须使N1+N2≥N，作为对旋风机额定功率的选型依据。

传统调节系统是根据所需风量，靠调节叶片角度和风门开度来实现。从主扇风机选型的过程和煤炭生产的实际情况中可以看出，主扇风机工频运行存在以下几个问题： （1）电能浪费严重，大型煤矿的服务年限大多在几十年以上，从初建到井田稳定开采一般在十年以上，一般主扇风机余量特别大，因此它相当长的时间处在较轻负载下运行。通过风叶和调节板调节只能大致调整负载，不能微调，从而造成能源浪费，增加了生产成本。（2）启动困难，易造成机械损坏，主风机由直接起动或降压起动，起动时间长，启动电流大，容易导致电机绝缘降低，甚至烧坏电机。在启动过程中，电机产生的单轴扭矩使风机产生更大的机械振动应力，严重影响电机、风机等的使用寿命。 （3）自动化程度低，没有实时自动调节功能。

2 新义煤矿主通风机概况

（1）主通风机参数（共2台，一用一备），设备型号：FBCDZ№34/2×630；

电机型号：YBF450M1-8；额定功率（kW）：2*630kW；额定流量 （m3/h）：468000-1116000m3/h；

额定电压（kV）：6 kV；额定电流（A）：82.7A；转速（ r/min）：590；压力 （kPa）：250-4500kPa；功率因数：0.87；效率：0.89。

3 系统方案设计说明

（1）系统一次回路原理。该项目电气系统基本不改变原配电系统，只在原来的基础上增加2台变频器，2套变频器旁路柜，1套PLC控制柜，作为一个变频运行的子系统。1#变频器采用一拖二的方式，驱动1#风机的1#电机和2#电机；2#变频器以一拖二方式驱动2#风机的1#电机和2#电机。

工频旁路运行时，保持原系统的操作不变，系统原微机综保设备和在线监控系统正常使用。在变频运行时，屏蔽原2、4、15、17号柜微机综保的保护功能，通过新增的霍尔传感器采集每台电机的运行电流，由变频器实现对两台电机的单独保护；并提供可将电流信号引至原DCS的标准RS458接口。该子系统的高压电源：1#变频器和1#旁路柜的进线引自（5）1#风机反向柜；2#变频器和2#旁路柜的进线引自（14）2#风机反向柜。

变频器出线连接：1#变频器出线接入原（2）1#风机1#电机电源柜和（4）1#风机2#电机电源柜。工频旁路运行时，原系统启动方式不变，原（1）1#风机1#电机电抗器启动柜和（3）1#风机2#电机电抗器启动柜正常使用；变频运行时，直接将1、3号柜的电抗器旁路即可。2#变频器出线接入原（15）2#风机1#电机电源柜和（17）2#风机2#电机电源柜。工频旁路运行时，原系统启动方式不变，原（16）2#风机1#电机电抗器启动柜和（18）2#风机2#电机电抗器启动柜正常使用，变频运行时，直接将16、18号柜的电抗器旁路即可。一次系统原理图如下所示：

（2）系统控制方案。I、通过对现有设备6kV高压动力系统和煤矿实际生产工艺、自动化控制水平、DCS控制现状等情况具体的分析、研究，综合其中存在的问题，以“优先保证系统安全可靠，结构合理，提供最佳的方案”的原则，按照一拖一自动旁路方案，结构图如图3：

II、方案说明： 本方案原理是由3个真空接触器和2个高压隔离开关组成旁路柜。高压开关用原有高压开关，电动机M（见上图3）。要求KM4和KM3、KM1之间不能同时闭合，具有互锁工程。工频运行时，QS1和QS2断开， KM4闭合；变频运行时，KM4断开，QS1和QS2闭合，KM1和KM3闭合。

III、功能： 将高压变频器串联进原有的正反转柜和电动机之间，正常工作采用变频回路，KM4断开，QS1和QS2闭合，KM1和KM3闭合；工频运行时，采用原有的启动方式。在变频器检修时，OF断开，确保变频器和原有开关柜有明显断开点，能够提高安全系数。

IV、控制方式：本地、远程两种控制方式。

V、通讯联系：RHVC高压变频器预留标准的RS485通讯接口，支持Profibus通讯协议，并支持以太网组网；预留模拟量AI/AO接口，可实现闭环控制。

4 预期效果

（1）节能。根据采掘进度及需求风量，通过变频调速，改变电机转速，实现高效率的供风需求，具体节能计算如下。

风机型号：FBCDZNo36/2×630； 风量：Q = 223.3m3/s ；

负压：P = 3250Pa； 安装角0°

电机运行参数：

Ⅰ级电机电压：6.267kV Ⅰ级电机电流：68A

Ⅱ级电机电压：6.255kV Ⅱ级电机电流：74A

平均电机功率因数：0.65

节能计算（电机效率按0.93计算）：

电机轴功率计算： + = 930.8321kW

风机功率计算： = 725.725kW

风机效率计算： = 77.96%

风阻曲线H=R×Q2得出R=0.0652

改造后风机效率η按80%计算，变频器效率为96%，年运行时间为8760h，按照风量降低比例，节能量如下：

（2） 减少了对电网的冲击，延长设备使用寿命。采用变频调节后，系统实现低频启动，电机启动电流小，启动时间相应延长，降低了对电网的冲击，减少了了机械振动应力，减轻了电机机械损伤，有效的延长了电机的使用寿命。

（3）减少维护量和降低维护成本。电机启动电流小，稳定了电网，供电电源经过变频器后，减少了谐波，降低了因供电电源波动产生的机械振动对电机和风机的损害，延长易损部件的保养和更换时间，减少维护量，降低维护成本，同时提高了功率因数。

（4）人性化设计，操作简单。操作界面设计人性化，通俗易懂，调速系统在运转设备与备用设备之间实现计算机联锁控制，机组实现自动运行和相应的保护及故障报警，操作工作由手动转变为监控，完全实现无人操作，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。

5 结束语

利用高压变频调速技术改变设备的运行工况，实现不停机调节矿井所需风压、风量，提高了系统的自动化程度，在满足安全生产的前提下，节约电能，并且减少了因调节风叶角度导致风叶连接部位松动的概率和因调节风叶角度导致启停风机所造成的经济损失，提高了设备运行寿命，达到了节能降耗的目的。

作者简介：高涛（1983-），男，本科，工程师，机电科副科长，研究方向：矿山机电。