1 引言
山西三元煤業股份有限公司是由山西煤炭運銷集團有限公司控股的股份制企業，全國煤企百強企業，生產能力為345萬噸/年。山西三元煤礦礦井主扇風機擔負著整個礦井的通風任務，要求安全穩定性極高，因為風機一旦停機，短時間內就將造成全礦無法正常生產。控制方式采用調節風門開度的大小來調整風量，這樣，不論生產的需求大小，風機都要全速運轉，而運行工況的變化則使得能量以風門節流損失消耗掉了。不僅控制精度受到限制，而且還造成大量的能源浪費和設備損耗，從而導致生產成本增加，設備使用壽命縮短，設備維護、維修費用高居不下，針對這種情況，礦領導經過論證，最后決定選用山東新風光電子科技發展有限公司生產的jd-bp37系列的高壓變頻調速器2套系統對1#、2#主扇風機進行變頻改造，監控系統采用濟南辰洋自動化有限公司設計的在線監控系統，進行升級換代，改造達到了預期目的。
2 變頻改造前存在的問題
（1）原工況為使用的是轉子串頻敏電阻啟動方式，啟動不穩定，造成了大的機械沖擊，導致電機壽命大大降低。
（2）轉子串電阻啟動時，控制系統復雜，故障率高，接觸器、電阻器等容易損壞，維護工作量大。
（3）啟動時電流過大，對電網沖擊很大，影響電網的運行穩定性。
（4）主扇風機設計上余量大，風機一直處在較輕負載下運行，由于采用檔板調節，風機運行效率低下，造成能源浪費。
（5）自動化程度低，風機各項參數監測不完全，影響煤礦供風系統安全。
3 現場情況簡介
現場1#、2#主扇風機型號相同，現場1#風機電動機及風機參數如表1、表2所示。
表1 電動機參數
表2 風機參數
表3 風機運行參數記錄表
4 風光jd-bp37系列高壓變頻系統工作原理
山東新風光是國家高新技術企業，生產的風光牌jd-bp37系列高壓變頻器是“中國名牌產品”，jd-bp37系列高壓變頻器以高速dsp為控制核心，采用無速度矢量控制技術、功率單元串聯多電平技術，屬高-高電壓源型變頻器，其諧波指標遠小于iee519-1992的諧波標準，輸入功率因數高，輸出波形質量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數補償裝置和輸出濾波器；不存在諧波引起的電機附加發熱和轉矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，可以使用普通的異步電機。
風光牌高壓變頻器由移相變壓器，功率單元和控制器組成。前端由一個多繞組的隔離移相變壓器供電，變壓器次級共有15組付邊繞組，變頻器每相由功率單元串接組成，每相5個功率單元，三相共15個單元。每個功率單元完全一樣，可以互換。假如一單元發生故障，該單元的輸出端能自動通過晶閘管旁路，不影響整機的連續運行。輸出側由每個單元的兩個輸出端子相互串接而成，三相星型接法輸出給電機供電。控制器部分以高速微處理器實現控制以及與子微處理器間進行通信。
控制器核心由高速dsp運算來實現，精心設計的算法可以保證電機達到最優的運行性能。人機界面提供友好的全中文監控和操作界面，同時可以實現遠程監控和網絡化控制。控制器用于柜體內開關信號的邏輯處理，以及與現場各種操作信號和狀態信號的協調，增強了系統的靈活性。
控制器及各控制單元板中采用dsp和fpga等大規模集成電路和表面焊接技術，系統具有極高的可靠性。
控制器與功率單元之間采用多通道光纖通訊技術，系統具有極高的安全性和可靠性，同時具有很好的抗電磁干擾能力。并且各個功率單元的控制電源采用一個獨立于高壓系統的統一控制器，方便了調試、維修、現場培訓，增強了系統的可靠性。
本機中移相變壓器的副邊繞組分為三組，采用30脈沖整流方式。這種多級移相疊加的整流方式可以大大改善網側的電流波形，使其負載下的網側功率因數接近1，輸入電流諧波成分低，實測輸入電流總諧波成分小于2%。
系統主回路原理如圖1所示。
圖1 系統主回路原理圖
5 變頻控制改造方案
為了滿足安全生產，選用兩套6kv變頻調速器分別對1#、2#主扇風機一拖一控制，一用一備，并且每套變頻裝置通過切換，可以在變頻器故障狀態下，切換到工頻狀態運行，1#、2#控制原理圖一樣，其中1#主扇風機變頻改造主回路如圖2所示。
圖2 1#主扇風機變頻改造主回路圖
qs1、qs2、qs3為三臺高壓隔離閘刀，qs1、qs3處于變頻運行回路上，km1、km2為變頻上電瞬間實現限流電阻切換時所用，k10為用戶工、變頻轉換改造時加的一個轉換開關。變頻運行時，qs1、qs3閉合，qs2斷開，k10打到變頻位置；變頻上電后，通過內部程序km2會自動吸合將限流電阻引入主回路以消除大電流沖擊，上電3s后，km1吸合，km2斷開變頻可以投入運行。工頻運行時，qs1、qs3斷開，qs2閉合，k10打到工頻位置，實現原來的串電阻啟動方式。
這是高壓變頻器工變頻手動切換的典型應用，qs1、qs2、qs3不能同時閉合，這三個閘刀在機械和電氣上都實現了互鎖。
另外，為了安全，變頻故障信號和上一級的高壓開關柜也實現互鎖，實現高壓故障連跳功能。
6 三元煤業礦井主扇風機在線監控系統
本工程對山西三元煤業股份有限公司1#、2#通風機房電控系統進行改造，通過對通風機房的風機及相應的電機、進出口風道、閥門等裝置實施自動控制及運行參數自動檢測、動態顯示，可實現在10min內主備用風機間自動切換或反風運行，并將數據傳送到地面生產調度中心，進行實時監測、控制及報警顯示。
本系統以煤炭行業標準“煤礦用主要通風機現場性能參數測定方法”為依據，結合三元煤業主扇機房的現場情況與要求，應用工業計算機檢測技術對通風機的運行狀態進行連續在線測量與處理，以多種方式提供通風機運行狀態的各種數據，保障通風機的安全運行和方便通風機的性能測試，并為多種功能擴充提供方便的條件。
6.1 系統的工作原理
該系統以作為上位機的工業控制計算機為核心，配以下位機西門子s7-200系列的plc為中心的各種外圍設備組成，在wincc組態軟件的控制下，完成數據的采集、分析等工作，以圖表等多種形式顯示在顯示器上。
各監測數據的采集過程主要指電氣參數、風壓、風量、風機振動、電機的軸承溫度、繞組溫度等風機參數的監測。
現介紹一下電氣參數的監測過程：
電氣參數指配套變頻裝置的輸入電流、輸入電壓、輸出電流、輸出電壓等。此類參數由配套變頻裝置中的plc提供,以通訊的形式獲取。
電氣參數的監測過程原理框圖如圖3所示：
三元煤業通風運行監測dcs如圖4所示。
圖3 電氣參數的監測原理框圖
圖4 三元煤業通風運行監測dcs圖
6.2 系統的優越性
（1）實現監測數據的自動化采集，改變了過去靠人工測量獲取數據的方式，大大提高了工作效率。
（2）實現了數據報表的自動生成，可方便的查閱實時數據，從而掌握主扇風機的實時工作狀態。
（3）實現了過程數據的自動歸檔，可供各部門按需調閱各個時期各個監測量的歷史數據值，從而制定相應的工作計劃。
（4）實現了監測數據異常時的自動報警，當監測值超過設定范圍時，系統會通過畫面報警和警鈴振動報警相結合的方式，提醒值班人員及時處理異常情況。并可根據報警的嚴重程度，通過事先編寫的程序使通風主扇做出自動切換備用設備等應急反應。
（5）系統可納入全礦的監控系統，實現數據的全礦共享，并能通過授權的方式，實現更高級別監控系統對本系統的遠程控制。
7 現場應用情況
三元煤業主扇風機選用型號jd-bp37-280f風光變頻器2套和濟南辰洋公司設計的主扇風機在線監控系統，于2008年12月20日開始安裝調試，2008年12月28日變頻器、在線監控系統一次性投運成功。至今運行正常。變頻運行后，風門全部打開，不僅完全滿足煤礦生產工藝要求，而且用戶操作非常方便。監控系統實現過程監測的可視化管理，使整個過程直觀、生動，提高了主扇風機各項參數的監控水平。
7.1 節能計算
煤礦節能服務中心2010年8月25日對1#主扇風機進行了測試，變頻運行時風機運行參數記錄如表3所示。
按工頻和變頻運行實際電流計算，計算工頻數據取2007年技術測定：
1#主扇風機工頻運行時，風門開度為2m左右，運行電流在32a，電網電壓6kv。
工頻運行時功率：
p1=1.732×6×32×0.8=266.03kw。
變頻器運行時，風門全開，運行電流在20.2a，由變頻器調節風機速度來滿足風量要求。
變頻運行時功率：
p2=1.732×6×20.2×0.95=199.42kw。
節電率：
(p1－p2)/p1=(266.03－199.42)/266.03=25%。
1#主扇風機 年節約電費計算：
以該礦電價0.6元/ kw·h計算，工頻24h耗電費：
266.03×24×0.6=3830.9元。
變頻24h耗電費：
199.42×24×0.6=2871.7元。
變頻改造后，日節約電費：
3830.9－2871.7=959.2元。
一年以300天為標準計算，1#主扇風機變頻運行時年節約電費：
959.2×300=287760元。
7.2 其他效益
（1）實現電機軟啟動，減小啟動沖擊，降低維護費用，延長設備使用壽命。
（2）系統安全、可靠，具有變頻故障轉工頻功能，確保風機連續運行。
（3）控制方便、靈活，自動化水平高。
（4）輸入諧波含量小，不對電網造成污染；輸出諧波含量低。
（5）監控界面全為純中文操作，操作簡單，使用方便。
（6）保護功能齊全，除了過壓、過熱、過載、短路等自身保護功能外，還設有外圍連鎖保護系統，提高了系統的安全穩定性。
8 結束語
三元煤業公司通過對礦用主扇風機變頻節能改造，提高風機運行效率，取得了顯著的節能效果，可以對風機各項參數進行監測，既節約了能源，又滿足了生產工藝要求，并且大大減少了設備維護、維修費用，提高了風機設備運行的監控水平，社會效益和經濟效益十分明顯。
作者簡介
張斌 高級工程師，任山西三元煤業股份有限公司機電科長。
參考文獻
[1] 高壓變頻器用戶手冊.山東新風光電子科技發展有限公司.
[2] 高壓變頻調速系統現場調試報告.山東新風光電子科技發展有限公司.
[3] 高壓變頻調速系統調試大綱.山東新風光電子科技發展有限公司.
[4] 三元煤業煤礦主扇風機在線監控系統手冊. 濟南辰洋自動化有限公司.
作 者：山西三元煤業股份有限公司 張 斌
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
