摘 要：介紹了大功率高壓變頻器在主扇風機中應用的設計方案、調速原理及應用情況，通過應用實現了主扇風機的變頻調速，達到了提高風機啟動性能與節(jié)約電能的目的。
　　關鍵詞：大功率高壓變頻器；主扇風機；應用
　　漳村煤礦西風井主扇風機是礦通風系統(tǒng)的命脈，由2臺沈陽發(fā)動機研究所風機廠生產的AGF一606?2．442?1．2?2型軸流式風機和JRl510?8型電機組成，功率為475kW，轉速750r／min，電壓為6000V，啟動方式為高開串頻敏電阻啟動，啟動電流大，對電機的沖擊較大。主扇風機啟動后以工頻方式運行，無法根據井下用風量的改變調節(jié)風量，電能的浪費現象較為嚴重。因此在2007年9月對西風井1＃主扇風機進行了變頻控制改造，在系統(tǒng)主回路中接人北京康得新電科技有限公司生產的Diamond?HV一06／600型高壓變頻器一套，控制1＃主扇風機，并于2007年9月30日完成了變頻器調試工作，風機啟動時實現了平滑啟動，變頻器帶井下負荷，正式投入運行。
　　1 異步電動機的變頻調速原理
　　異步電動機的變頻調速是通過改變定子供電頻率廠來改變同步轉速而實現調速的，在調速中從高速到低速都可以保持較小的轉差率，因而消耗轉差功率小，效率高，是異步電動機的最為合理的調速方法。
　　由公式n=6Of/p（1一s）（其中：n為電機轉速；f為頻率；P為電機的極對數；s為轉差率）可以看出,屋頂排風機，若均勻地改變供電頻率f，即可平滑地改變電動機的同步轉速。異步電動機變頻調速具有調速范圍寬、平滑性較高、機械特性較硬的優(yōu)點，目前變頻調速已成為異步電動機最主要的調速方式，在很多領域都獲得了廣泛的應用。
　　變頻調速具有如下顯著的優(yōu)點：
　　1） 由設備設計余量而導致“大馬拉小車”現象，因電機定速旋轉不可調節(jié)，這樣運行自然浪費很大，而變頻調節(jié)徹底解決了這一問題；
　　2） 由負載檔板或閥門調節(jié)導致的大量節(jié)流損失，在變頻后不再存在；
　　3） 某些工況負載需頻繁調節(jié)，而檔板調節(jié)線性太差，跟不上工況變化速度，故能耗很高，而變頻
　　調節(jié)響應極快，基本與工況變化同步；
　　4） 異步電動機功率因數由變頻前的0．85左右提高到變頻后的0．95以上；
　　5） 可實現零轉速啟動，無啟動沖擊電流，從而降低了啟動負載，減輕了沖擊扭振；
　　6） 高壓變頻器本身損耗極小，整機效率在97％ 以上。
　　2 設備的選型與方案設計
　　2．1 設備選型
　　過去電動機變頻調速采用高一低變頻方式來調速，變頻器為低壓變頻器，采用輸入降壓變壓器，先把電網電壓降低，然后采用一臺低壓變頻器實現變頻；對于電機，則有兩種辦法，一種辦法是采用低壓電機；另一種辦法，則是仍采用原來的高壓電機，需要在變頻器和電機之間增加一臺升壓變壓器，即高一低一高變頻方式。這是當時高壓變頻技術未成熟時的一種過渡技術。這種做法由于采用低壓變頻器，容量也比較小，對電網側的諧波較大。現在高壓變頻器的技術已經成熟，經過研究決定采用一次性解決方案，直接采用高壓變頻器對主扇通風機進行變頻控制改造。經過多方比較性價比，選用了北京康得新電科技有限公司生產的Diamond?HV一06／600型高壓變頻器一套，首先在礦西風井1＃主扇風機上應用，待應用成熟后再進行推廣。
　　2．1．1 Diamond?HV一06／600型高壓變頻器技術參數
　　變頻器容量：600 kVA；
　　適配電機功率：475 kW；
　　輸入頻率：45～55 Hz；
　　額定輸入電壓：6 kV土10％ ；
　　輸入功率因數：0．95（>20％負載）；
　　變頻器效率：額定負載下>0．96；
　　輸出頻率范圍：0～60 Hz；
　　輸出頻率分辨率：0．01 Hz；
　　運行環(huán)境溫度：一10～40°；
　　冷卻方式：強制風冷。
　　2．1．2 高壓變頻器性能特點
　　1） 高壓變頻調速系統(tǒng)采用直接“高一高”變換形式，為單元串聯(lián)多電平拓撲結構，主體結構有多組功率模塊并聯(lián)而成。
　　2） 變頻裝置控制采用LED鍵盤控制和人機界面控制兩種控制方式，兩種方式互為備用，兩種方式從就地界面上可以進行增、減負荷，開、停機等操作。裝置保留至少一年的故障記錄。
　　3） 變頻器能提供兩種通訊功能：標準的RS一485和有觸摸屏處理器擴展的通訊接口。
　　4） 在20％ ～100％ 的調速范圍內，變頻系統(tǒng)在不加任何功率因數補償的情況下，本機輸入端功率因數達到0．95。
　　5） 變頻裝置對輸出電纜的長度無任何要求，變頻裝置保護電機不受共模電壓及dV／dt應力的影響。
　　6） 變頻裝置輸出電流諧波不大于2％，符合IEEE 519 1992及我國供電部門對電壓失真最嚴格的要求，高于國標GB14549?93對諧波失真的要求。變頻裝置輸出波形不會引起電機的諧振，轉矩脈動小于0．1％ 。
　　7） 變頻裝置對電網反饋的電流諧波不大于4％ ，符合IEEE 519 1992及我國供電部門對電壓失真最嚴格的要求，高于國標GB14549?93對諧波失真的要求。
　　8） 變頻裝置對電網電壓的波動有較強的適應能力，在一10％ ～+10％ 電網電壓波動時必須滿載輸出，可以承受30％的電網電壓下降，而降額繼續(xù)運行，能滿足煤礦的電壓大幅波動的要求。
　　9） 變頻裝置設以下保護：過電壓、過電流、欠電壓、缺相保護、短路保護、失速保護、變頻器過載、電機過載保護、半導體器件的過熱保護、瞬時停電保護等，聯(lián)跳至輸入側6kV開關。保護的性能符合國家有關標準的規(guī)定。并提供故障、斷電、停機等報警。
　　10） 變頻裝置帶故障自診斷功能，對所發(fā)生的故障類型及故障位置提供中文指示，就地顯示，便于運行人員和檢修人員辨別和解決所出現的問題。變頻裝置有對環(huán)境溫度的監(jiān)控，當溫度超過變頻器允許的環(huán)境溫度時，變頻器提供報警。
　　11） 系統(tǒng)可在電子噪聲，射頻干擾及振動的環(huán)境中連續(xù)運行，能滿足國家標準對電磁兼容的規(guī)定。
　　2．2 主扇風機變頻控制改造方案
　　2．2．1 高壓變頻器主回路接線

        　　變頻裝置與主扇風機的連接方式如圖1所示。DL為主扇風機6kV開關；K1、K2、K3為變頻裝置隔離刀閘，K3為工頻刀閘，K1、K2為變頻刀閘；6kV電源經變頻裝置輸入刀閘K1到高壓變頻裝置，變頻裝置輸出經出線刀閘K2送至電動機；6kV電源還可以經旁路刀閘K3后直接啟動電動機。進出線刀閘（K1、K2）和旁路刀閘（K3）的作用是：一旦變頻裝置出現故障，即可馬上斷開進出線刀閘，將變頻裝置隔離，手動合旁路刀閘，在工頻電源下啟動電機運行。
　　2．2．2 工作方式
　　系統(tǒng)的工作方式變?yōu)樵�主扇風機系統(tǒng)采用兩臺風機一用一備方式運行，現在把其中1風機改為變頻拖動方式，另外一臺風機系統(tǒng)保持原運行方式不變。變頻裝置采用了工頻變頻切換的旁路柜，保證了在變頻裝置故障情況下直接倒閘操作進入工頻運行方式，切換速度快，完全可滿足在10min內啟動風機的要求，確保生產運行不受影響。并且反風比以前操作簡單可靠，完全可滿足10min內實現反風的要求。
　　3 變頻器調速功能的實現
　　3．1 高壓變頻器的調速原理
　　高壓變頻裝置為交一直一交電壓源型變頻調速系統(tǒng)，變頻器輸出的電流波形非常接近于理想正弦波形，對電網有害的諧波分量低，可通過改變調制波的頻率和幅值來調節(jié)逆變器輸出電壓的頻率和幅值。
　　6kV高壓變頻器每相為三單元疊加。每單元直流電壓1800V，每單元最高輸出交流電壓1275V。整流逆變功率單元結構電路，見圖2。

        　　經二極管全橋整流，電容濾波，SPWM方式控制IGBT逆變輸出，見圖3。

        　　疊加后的變頻器輸出頻率與幅值可調的正弦波線電壓，對電機實現變頻調速控制。二極管整流電路在整個運行范圍內都有較高的功率因數，由于直流環(huán)節(jié)濾波電容的存在，負載所需的無功電流可以在逆變功率器件的開關周期內通過續(xù)流二極管瞬時由濾波電容提供，所以一般不會反映到整流器輸入側，導致輸入功率因數較高。
　　3．2 高壓變頻器如何在風機的高效區(qū)進行調速
　　在現有條件下風機廠家提供的風機運行轉速范圍為：①n<213r／min；②，n>732r／min；③406r／min　　風機的轉速可調范圍小，變頻控制改造的意義不大，經與風機廠家協(xié)商，若對風機進行一些小的改動，將前支板數增加2塊，可將轉速范圍擴大到：①n>580 r／min；②，n<500 r／min。
　　為保證風機運行的可靠性，首先將1＃風機風葉保持在原角度（0°角）運行，變頻器運行在工頻狀態(tài)下。待運行一段時間，變頻器運行穩(wěn)定可靠后，再增加風機前支板數2塊，然后將風機調至大角度（5°角或10°角）運行。變頻器可進行調頻，降低頻率運行，根據井下用風量的大小實現風機的變頻控制運行，并使風機保持在高效區(qū)運行，提高風機的運行效率。
　　4 應用情況
　　在2007年9月30日對風機進行了調試，調試時使風機在0°角與5°角兩種狀態(tài)下運行，在0°角風機仍在工頻狀態(tài)下運行，未起到調節(jié)風量的作用，但電機實現了零轉速啟動，無啟動沖擊電流，從而降低了啟動負載，減輕了沖擊扭振，減少了對電網的沖擊。系統(tǒng)的功率因數提高，電網輸入電流下降，減少了線路上的電能損耗，風機振動也有所下降。
　　當將風機風葉角度調至5°角運行時，變頻器進行調頻，變頻器頻率降低至41．5Hz運行可滿足井下用風量要求，與風機變頻控制前運行參數對比如表1。

        　　為保證風機運行的可靠性，現西風井1＃風機風葉保持在原角度（0°角）運行，變頻器運行在工頻狀態(tài)下。待運行一段時間，變頻器運行穩(wěn)定可靠后，再增加風機前支板數2塊，然后，將風機調至大角度（5°角或10°角）運行。變頻器可進行調頻，降低頻率運行，根據井下用風量的大小實現風機的變頻控制運行，并使風機保持在高效區(qū)運行，提高風機的運行效率。
　　由此可見風機實現變頻運行后，風機的啟動性能得到改善，風機振動降低，電機功率因數明顯提高，風機效率明顯提高，電機運行電流下降，電能消耗明顯降低，實現了節(jié)能效果。
　　采用變頻調速實現了以下功能：①實現主扇風機的平滑啟動與無級變頻調速，提高風機效率；②根據井下需要調節(jié)風量與節(jié)約電能；③實現風機可在工頻與變頻工作方式之間的快速切換。
　　5 經濟效益分析
　　高壓變頻器的節(jié)電率一般為30％左右，西風井1＃主扇風機一年運行按照180d（1＃、2＃風機倒換運行）計算，一天運行24h，則一年節(jié)約電能為：475×30％×24×180=615600kW?h。
　　每度電按照0．5元計算，一年可節(jié)約資金：0．5×615600=307800元。
　　6 結語
　　在潞安集團公司范圍內，主扇風機成功應用高壓變頻器這是第一次，在中國煤炭行業(yè)，礦用通風機高壓變頻改造也不多見。實際應用表明，高壓變頻器應用于煤礦主扇風機的系統(tǒng)改造，必將取得良好的運行效果和經濟效益。而推廣使用變頻器在煤礦行業(yè)進行改造，節(jié)約能源的效果將是非常可觀的。

    通風機是用于輸送氣體的機械，從能量觀點看，它是把原動機的機械能轉變?yōu)闅怏w能量的一種機械。

　　為學習、了解通風機，本文先介紹一些最基本的知識。

1.1.通風機的分類

　　按結構和工作原理，把通風機作以下分類：

1.2.通風機的應用

　　通風機廣泛地應用于各個工業(yè)部門，一般講，離心式通風機適用于小流量、高壓力的場所，而軸流式通風機則常用于大流量、低壓力的情況。

一、鍋爐用通風機

　　鍋爐用通風機根據鍋爐的規(guī)格可選用離心式或軸流式,鋼結構屋頂風機。又按它的作用分為鍋爐通風機―向鍋爐內輸送空氣；鍋爐引風機―把鍋爐內的煙氣抽走。

二、通風換氣用通風機

　　這類通風機一般是供工廠及各種建筑物通風換氣及采暖通風用，要求壓力不高，但噪聲要求要低，可采用離心式或軸流式通風機。

三、工業(yè)爐（化鐵爐、鍛工爐、冶金爐等）用通風機

　　此種通風機要求壓力較高，一般為２９４０～１４７００Ｎ／ｍ２，即高壓離心通風機的范圍。因壓力高、葉輪圓周速度大，故設計時葉輪要有足夠的強度。

四、礦井用通風機

　　它有兩種：一種是主通風機（又稱主扇），用來向井下輸送新鮮空氣，其流量較大，采用軸流式較合適，也有用離心式的；另一種是局部通風機（又稱局扇），用于礦井工作面的通風，其流量、壓力均小，多采用防爆軸流式通風機。

五、煤粉通風機

　　輸送熱電站鍋爐燃燒系統(tǒng)的煤粉，多采用離心式風機。煤粉通風機根據用途不同可分兩種：一種是儲倉式煤粉通風機，它是將儲倉內的煤粉由其側面吹到爐膛內，煤粉不直接通過風機，要求通風機的排氣壓力高；另一種是直吹式煤粉通風機，它直接把煤粉送給爐膛。由于煤粉對葉輪及體殼磨損嚴重，故應采用耐磨材料。

　　我國電站鍋爐風機雖已普遍采用了高效離心風機，但實際運行效率并不高。其主要原因之一是風機的調速性能差，其二是運行點偏離風機的最高效率點。因為在設計的過程中，很難準確地計算出管網的阻力,鐵皮廠房通風降溫。并考慮到長期運行過程中可能發(fā)生的各種問題，通�？偸前严到y(tǒng)的最大風量和風壓作為選擇風機型號的設計值。而風機的型號和系列是有限的，往往選不到合適的型號時，就往大型號上靠，因此，電站鍋爐送、引風機的風量和風壓裕度達20～30%是比較常見的。

　　電站鍋爐風機的風量與風壓速度以及機組的調峰運行導致風機的運行工況點與設計高效點相偏離，從而使風機的運行效率大幅度下降。一般情況下，采用風門調節(jié)的風機，在兩者偏離10%時，效率下降8%左右;偏離20%時，效率下降20%左右;而偏離30%時，效率下降30%以上。對于采用進口風門調節(jié)風量的風機，這是一個不可避免的損失。因此改進離心風機的調節(jié)方式是提高風機運行效率，降低風機耗電量的最有效途徑。

　　如果在風機上加裝目前國內已經普遍采用的變頻器，對風機電動機進行調速控制，從而實現對風量的調節(jié)以滿足鍋爐負荷的變化，這樣就能將風門的能量損失節(jié)約下來。通過選型調研，決定采用北京開拓機電設備有限公司生產的KT-G11/P11系列大功率變頻器對35T/h流化床鍋爐的引風機、鼓風機和二次風機實行變頻調速控制，達到了預期的節(jié)能效果。