摘要：礦井主通風機是煤礦生產最重要的負荷之一，主通風機的設計通常都留有較大的富裕系數，具有一定的節能空間。本文通過對新汶礦業集團孫村煤礦北風井主通風機變頻改造情況的介紹，說明在煤礦主通風機上實施變頻不僅節能效果顯著，而且可以優化整個電力傳動系統的控制性能。
一、前言
礦井抽風機是井工煤礦生產最重要的負荷之一，電動機容量較大，由于其必須連續工作，使得抽風機用電成為礦井的用電大戶，一般用電量占整個礦井的15％以上。由于抽風機的設計是按照礦井最大用風量為基本選型參數，同時預留一定的安全系數，因此供風能力偏大，特別是在礦井初期和通風系統改造后，風機能力富裕量大，具有較大的節能空間。下面對新汶礦業集團公司孫村煤礦通風機變頻改造情況進行簡要介紹。
二、通風機現狀
新汶礦業集團公司孫村煤礦是一個百年老礦，其北風井通風機站建于1981年，安裝兩臺G4-73-11№28Ｄ型離心式風機，各配有一臺YR1250－8／1430型電動機，額定電壓6KV，功率1250KW，轉速730rpm，一臺工作，一臺備用。根據出廠風機標注的參數,該風機的額定最大排風能力為11300 m3/min。
由于該礦礦井通風系統在2005年1月由-400風井單獨運行的中央分列式通風系統，改變為-400風井與北立井風井聯合運行的兩翼對角式通風系統，礦井風量的需求發生了較大變化，由原來的218.42立方米/秒，降到129.94立方米/秒。且礦井風量調整只能靠調整風機葉片導角完成，不能實現無級平滑調速，風機整體耗能較多，風機工作在低效區，原有的1250KW電機容量富裕過多。為了滿足風量需求的變化，北風井通風機自2005年一月后，多次調整前導葉角度，由0°逐漸調整到現在的33°，節流功率損失非常大，即電動機的能源損耗很大，風機節能降耗的課題就提上了議事日程。
三、方案論證
1、北風井風機在實際使用過程中存在的主要問題：
(1)風機運行正常，通風機前導器調節葉片角度約為33°，節流損失很大，存在大量的電能浪費現象。
(2) 調節誤差大。通風機較小的角度變化將產生一個較大的風量變化，使運行控制比較困難，不能保證最佳運行工況。
2、可行性分析
(1)方案選擇：為了選擇合理的節能方案，我們調研和計算了不同風量調節方式的功率消耗情況(如圖1)。
圖1 不同風量調節方法功率消耗曲線
(1—擋板法；2—前導器法；3—液力耦合器；4—繞線電動機切換轉子電阻調速法；5—變頻調速法。)
由圖1可見，變頻調速法在現有的幾種風量調節方法中是最理想、最有效、最節能的調節方法，而孫村煤礦現在使用的前導器法，功率消耗僅次于擋板法，節能空間較大。
(2)效益測算：應用變頻調速，可以大大提高電機轉速的控制精度，使電機在最節能的轉速下運行。根據流體力學原理，軸功率與轉速的三次方成正比。當所需風量減少，風機轉速降低時，其功率按轉速的三次方下降。因此，精確調速的節電效果非?？捎^。測算如下：
1#風機的軸功率為796kW，入口導葉的角度為33.75°，實際流量132.86 m3/s。流量的百分比為：132.86/189=70.3%，因實際的測算可能有誤差，估計流量百分比在70.3%～80%之間，按著80%保守計算，通過查表，得出功率減少約20%，因工況的變化，估計節能點在15%～25%之間，節約功率，796×（0.15～0.25）=119.4～199kW。
2#風機的軸功率為761kW，入口導葉的角度為33.75度，實際流量129.94 m3/s。流量的百分比為：129.94/189=68.8%，因實際的測算可能有誤差，估計流量百分比在68.8%～80%之間，按著80%保守計算，通過查表，得出功率減少約20%，因工況的變化，估計節能點在15%～25%之間，節約功率，761×（0.15～0.25）=114.15～190.25kW。
預計節電為120～190kW左右，按著電費為0.58元/度，一年365天計算，（120～190）×24×365×0.58=60.9～96.5萬元。變頻改造預計投資170萬元，投資回收期為1.76～2.79年之間。
四、現場應用
1、根據要求，設計方案一次回路如下圖所示：
在原來設備的基礎上，增加變頻器（HIVERT-Y06/154）一臺，增加自動切換柜兩臺2#、3#，增加高壓電源柜1#（采用真空斷路器和微機保護等）一臺。
2、運行方式：
①變頻器運行1#風機：DL1閉合，DL12閉合，DL11斷開，KM1閉合，DL22斷開。
②變頻器運行2#風機：DL1閉合，DL12斷開，DL21斷開，KM2閉合，DL22閉合。
③工頻運行1#風機：DL12斷開，DL11閉合，KM1受原系統控制。
④工頻運行2#風機：DL22斷開，DL21閉合，KM2受原系統控制。
3、現場技術參數
4、變頻器選型及性能特性
根據現場情況，選擇北京合康億盛科技有限公司的高壓變頻器HIVERT-Y06/154和HIVERT-Y06/192。變頻器的主要技術參數如下：
(1)主要技術性能指標
(2)HIVERT變頻器的主要優勢及特點
變頻器采用先進的功率單元串聯疊波技術，空間矢量控制的正弦波PWM調制方法，新穎的全中文操作界面和高性能IGBT功率器件，可靠性高、性能優越、操作簡便?？蓱糜诟邏航涣麟妱訖C驅動的風機、水泵類負載的調速、節能、軟啟動和智能控制等多種場合。
高質量電源輸入：輸入側隔離變壓器二次線圈經過移相，為功率單元提供電源對于6kV而言相當于30脈沖不可控整流輸入，消除了大部分由單個功率單元所引起的諧波電流，大大抑制了網側諧波（尤其是低次諧波）的產生。變頻器引起的電網諧波電壓和諧波電流含量滿足IEEE 519-1992和GB/T14549-93《電能質量公用電網諧波》對諧波含量最嚴格要求，無需安裝輸入濾波器并保護周邊設備免受諧波干擾。正常調速范圍內功率因數大于0.96。無需功率因數補償電容，減少無功輸入，降低供電容量。
完美的輸出性能：單元脈寬調制疊波輸出，6kV系列每相5個單元，大大削弱了輸出諧波含量，輸出波形幾近完美的正弦波。
輸出電壓波形 輸出電流波形
友好的用戶界面：HIVERT變頻器采用全中文LCD顯示，面板輕觸按鈕直接操作，更適合國人使用習慣。
HIVERT變頻器的主要功能及特點
1)輸入諧波含量低。變頻器引起的電網諧波電壓和諧波電流含量滿足IEEE Std 519-1992和GB/T 14549-93《電能質量 公用電網諧波》對諧波含量的最嚴格要求，無需安裝輸入濾波器并保護周邊設備免受諧波干擾；
2)輸入功率因數高。無需功率因數補償裝置，降低供電容量；
3)輸出諧波含量低。無需濾波器，可直接驅動普通電機，不會增加電機溫升而降低電機容量，對電機電纜無任何長度限制，并保護電機絕緣不受dv/dt應力的損害，不會因為諧波力矩而降低電機使用壽命；
4)限流功能。避免啟動或負載突然變化時，使變頻器輸出電流過大而導致保護動作；
5)完善的上位控制功能?？膳cDCS系統實現通訊（采用標準MODBUS通訊規約）或I/O方式連接。
6)輸出電壓自動調整功能：輸入電壓變化時，自動調節輸出電壓，使輸出到電機的電壓保持相對穩定，保護電機；
7)軟啟動：變頻器具有軟啟動功能，保證電機平穩啟動，啟動和停機時間在10-1600秒內連續可調；
8)內置PID調節器，可實現閉環運行；
9)具有本地、模擬、多檔、上位四種調速方式；
10)具有轉速跟蹤功能，能實現電機的飛車啟動。該功能可以在電機處于工頻運行的時候，在不停機的狀態下，無沖擊的由工頻狀態切換到變頻狀態，最大程度的降低了生產風險；該功能經過多次實踐驗證，能夠快速穩定的無沖擊的將設備在工頻與變頻之間進行自由地切換，有效地提高生產效率，保證企業生產的連續性。
11)一鍵反風功能，針對煤礦通風的特殊性，在使用軸流風機時，通過在變頻器上操作，可以簡單的實現反風功能。
保護功能
HIVERT變頻器具有非常完善的自診斷和保護功能，一旦變頻器發生故障或進入保護狀態，系統將自動記錄故障原因、故障位置、故障發生時間以及發生故障時變頻器各狀態參數，便于故障排除。
五、改造前后對比
孫村礦北風井抽風機變頻裝置11月27日正式投入運行，此時正值41119工作面生產期間，根據風量需求，將風機運行頻率調整為48Hz，電機輸出功率由改造前前導器葉片33.75°時的1027KW下降至911KW，下降了116KW。41119工作面結束后，北風井抽風機風量富裕較多，根據風量需求，將風機運行頻率降為44Hz，風機輸出功率進一步下降為726KW，節能效果更加顯著。使用情況如下：
1、實際節電情況
為了真實掌握風機變頻改造后的實際節電情況，我們對風機在工頻和變頻運行狀態下的用電情況進行了實測，風量為130～131m3/min。
08年1月28日9：00－30日9：00風機前導葉片33.75°，電機頻率為50Hz時，運行2＃風機電度表底數分別為9863.15和9889.1，24小時用電20760 Kwh。
08年1月30日11：00－2月2日11：00，風機前導葉片0°，電機頻率為44Hz時，運行2＃風機電度表底數分別為9889.65和9911.07，24小時用電17136 Kwh。
在滿足礦井通風要求的情況下，24小時節電3624 Kwh，節電率為17.46％，年節電132.3萬Kwh，電費75萬元。
2、運行情況
①該產品自身功率因數高，無需額外的無功補償裝置。
②經測試，變頻器自身輸出諧波含量低于4％，符合國家有關標準的要求。
③變頻改造后，實現了電動機的軟啟動，去掉了原來的電抗器，避免了大電流對電網和電機的沖擊
④采用設備變頻運行方式后，通風系統操作更加方便，同時降低了運行噪音，工作環境條件也有了明顯改善。
⑤設備磨損降低、延長了維護期，維護工作量大大減少。
六、結束語
從合康公司變頻器在新汶礦業集團公司孫村煤礦北風井主通風機技術改造的實際應用情況來看，對礦井主通風機進行高壓變頻改造，不僅能夠有效地減少電能消耗，而且可以優化整個電力傳動系統的控制性能，具有極大的推廣應用價值。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
