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1 引言
　　變頻調(diào)速在風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載上的應(yīng)用具有顯著的節(jié)能效果,，并且具有軟啟動(dòng)和軟停機(jī)的優(yōu)良控制特性，因此變頻器首先在冶金,、電力,、石化、供熱和民用風(fēng)機(jī)水泵的控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用,。由于煤礦生產(chǎn)的特殊環(huán)境和安全上的特殊要求,，變頻器在煤礦的應(yīng)用起步比較晚。隨著我國市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的深入發(fā)展,，煤礦的增產(chǎn),、降耗、提效被提到了重要地位,，設(shè)備節(jié)能改造勢(shì)在必行,。
　　煤礦通風(fēng)機(jī)按結(jié)構(gòu)分為軸流式和離心式；通風(fēng)機(jī)是保障煤礦安全的主要通風(fēng)機(jī)械,，365天晝夜運(yùn)轉(zhuǎn),。礦井通風(fēng)機(jī)一般配備兩套，一臺(tái)工作一臺(tái)備用,。礦井通風(fēng)機(jī)的額定通風(fēng)能力（風(fēng)量,、風(fēng)壓）是根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算的礦井末期的通風(fēng)阻力和達(dá)產(chǎn)時(shí)的風(fēng)量確定。在礦井投產(chǎn)初期,，風(fēng)機(jī)的富裕能力是比較大的,。
　　在煤礦生產(chǎn)中，所需風(fēng)量風(fēng)壓在不同階段有不同的要求,，為滿足生產(chǎn)要求,，煤礦通常采用以下幾種方法調(diào)節(jié)：
（1） 閘門調(diào)節(jié),；
（2） 改變通風(fēng)機(jī)速度；
（3 ）改變前導(dǎo)器葉片角度,；
（4） 軸流式通風(fēng)機(jī)改變動(dòng)葉安裝角,；
（5） 離心式通風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)尾翼擺角；
（6 ）軸流式通風(fēng)機(jī)改變動(dòng)葉數(shù)目,；
（7 ）軸流式通風(fēng)機(jī)改變靜葉角度,。
　　其中以閘門調(diào)節(jié)效率最差，它是人為地改變阻力曲線,，增加風(fēng)阻,，越調(diào)節(jié)性能就越惡化；前導(dǎo)器調(diào)節(jié)和尾翼擺角調(diào)節(jié)效率比閘門要高,；改變動(dòng)葉安裝角和動(dòng)葉數(shù)目,，可改變風(fēng)機(jī)的特性曲線，使風(fēng)機(jī)在較大范圍內(nèi)以較高的效率運(yùn)行,，以達(dá)到節(jié)能降耗的目的,。改變通風(fēng)機(jī)速度，使其在較佳工況點(diǎn)運(yùn)行,，使風(fēng)機(jī)在較大的范圍內(nèi)以較高的效率運(yùn)行,，節(jié)能效果好。
2 礦用通風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速改造的優(yōu)點(diǎn)
　　隨著電力電子技術(shù),、微電子技術(shù),、信息技術(shù)和現(xiàn)代控制理論在調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用，并且由于近年電力緊張,，變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代電力傳動(dòng)的一個(gè)發(fā)展方向,，卓越的調(diào)速性能，使得變頻器在煤礦生產(chǎn)中的節(jié)能效果越發(fā)顯著,。因此,，將礦用通風(fēng)機(jī)改為變頻器控制，將傳統(tǒng)的電機(jī)調(diào)速技術(shù),、現(xiàn)代電力電子技術(shù)以及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)結(jié)合在一起,，當(dāng)煤礦通風(fēng)量發(fā)生變化時(shí)，自動(dòng)調(diào)速,，使通風(fēng)機(jī)在經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)速下有效運(yùn)行，從而達(dá)到節(jié)電的效果,。變頻調(diào)速節(jié)能控制裝置的特點(diǎn)：（1）調(diào)速效率高,；（2）調(diào)速范圍大；（3）調(diào)速精度高,；（4）啟動(dòng)電流小,，而且容易實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制,。由于可以利用原普通交流異步電動(dòng)機(jī)，所以特別適合對(duì)原有舊設(shè)備的技術(shù)改造,，它既保持了原風(fēng)機(jī),、電動(dòng)機(jī)不用更換的優(yōu)點(diǎn)，又能達(dá)到節(jié)電的顯著效果,，是礦用通風(fēng)機(jī)調(diào)速節(jié)能的理想方法,。
3 用戶現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備介紹
　　肥城礦業(yè)集團(tuán)公司陶陽煤礦中三井2003年前使用的通風(fēng)設(shè)備，為渦輪式通風(fēng)機(jī)（70B2）,。此類設(shè)備效率低（最高只能達(dá)到60％）,、能耗大。效率低的主要原因是無法進(jìn)行調(diào)速運(yùn)行,，只能通過調(diào)整葉片角度來控制風(fēng)量和風(fēng)壓,，而礦井最初通風(fēng)設(shè)備選型時(shí)，留有較大余量,，長時(shí)間內(nèi)達(dá)不到滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn),。
　　2K56系列風(fēng)機(jī)是沈陽鼓風(fēng)機(jī)（集團(tuán)）有限公司與東北大學(xué)合作，共同開發(fā)的新型礦井節(jié)能風(fēng)機(jī),。該機(jī)為雙級(jí)葉輪軸流通風(fēng)機(jī),，葉片采用鑄造鋁合金，型線為機(jī)翼型扭曲式,，安裝角度可在20°～50°之間調(diào)整,。當(dāng)需要返風(fēng)時(shí)，可使通風(fēng)機(jī)直接反轉(zhuǎn),，不需要調(diào)整風(fēng)機(jī)的任何裝置,。裝置最高靜壓效率達(dá)85.3%。產(chǎn)品有效區(qū)域?qū)拸V,，該系列風(fēng)機(jī)的裝置靜壓效率比老式風(fēng)機(jī)70B2提高近14%,。
　　為改變?cè)L(fēng)機(jī)落后運(yùn)行方式，陶陽煤礦中三井領(lǐng)導(dǎo)決定把兩臺(tái)老式渦輪通風(fēng)機(jī)70B2—21NO-24型風(fēng)機(jī)（500 kW／6kV）更換為軸流式節(jié)能風(fēng)機(jī)2K56-2N0-24,，采用變頻調(diào)速的方法來控制風(fēng)量的大小,。
　　陶陽煤礦中三井領(lǐng)導(dǎo)經(jīng)過慎重考察，認(rèn)真比較,，選用山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的風(fēng)光牌JD-BP37-500F型（500kW/6kV,、2套）高壓變頻系統(tǒng)，對(duì)中三井1#,、2#通風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻改造,。高壓變頻器于2008年4月投運(yùn)，設(shè)備至今運(yùn)行良好,。經(jīng)過肥礦集團(tuán)檢測(cè)中心的檢測(cè),，各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求,，通風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了有效運(yùn)行，改造達(dá)到了預(yù)期目的,。
　　陶陽煤礦中三井通風(fēng)機(jī)為兩臺(tái),，一用一備，現(xiàn)場(chǎng)1#,、2#通風(fēng)機(jī)設(shè)備參數(shù)相同,，下面表1給出1#通風(fēng)機(jī)基本參數(shù)。
　　表1為現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)參數(shù),，表2為風(fēng)機(jī)參數(shù),。

4 山東新風(fēng)光電子JD-BP37-500F高壓變頻器
4.1JD-BP37-500F高壓變頻器的主要性能指標(biāo)
　　變頻器功率： 500kW
　　輸入頻率：   50Hz
　　輸入電壓：   6.0kV±20%
　　輸出電壓：   三相正弦波電壓0-6kV
　　額定電流：   61A
　　輸出頻率：   0-120Hz
　　頻率分辨率： 0.01Hz
　　加速時(shí)間：   可按工藝要求設(shè)定
　　減速時(shí)間：   可按工藝要求設(shè)定
　　故障診斷及檢測(cè)：自動(dòng)檢測(cè)，自動(dòng)定位
　　網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)：0.95（高速時(shí)）
　　過載保護(hù)：   150%1分鐘
　　防護(hù)等級(jí)：   IP20
　　環(huán)境濕度：   90%,無凝結(jié)
4.2性能特點(diǎn)
（1） 全中文WINDOWS操作界面,，彩色液晶觸摸屏,；
（2）輸入功率因數(shù)高，電流諧波少,，無須功率因數(shù)補(bǔ)償/諧波抑制裝置,；
（3）輸出階梯正弦PWM波形，無須輸出濾波裝置,，對(duì)電纜,、電機(jī)絕緣無損害，電機(jī)諧波少,，減少軸承,、葉片的機(jī)械振動(dòng)，輸出線可以長達(dá)1000米,；
（4）功率電路模塊化設(shè)計(jì),，維護(hù)簡(jiǎn)單；
（5）高壓主回路與控制器之間為光纖連接,，安全可靠,；
（6）完整的故障監(jiān)測(cè)電路、精確的故障報(bào)警保護(hù),；
（7）內(nèi)置PLC,，易于改變控制邏輯關(guān)系，適應(yīng)多變的現(xiàn)場(chǎng)需要,；
（8）可靈活選擇現(xiàn)場(chǎng)控制/遠(yuǎn)程控制,；
（9）可接受和輸出0～5V/4～20mA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)；
（10）可根據(jù)用戶需要內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器,；
（11）完整的通用變頻器參數(shù)設(shè)定功能,。
5 改造主回路控制方案
　　風(fēng)光高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)由一次回路進(jìn)線柜（旁路柜）、變壓器柜、變頻單元柜和操作控制柜組成,。旁路柜在變頻器維護(hù)過程中或變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，將電機(jī)投入到工頻電網(wǎng)運(yùn)行,，保證生產(chǎn)不受影響,。變頻運(yùn)行時(shí)，變頻器為電機(jī)提供全面的保護(hù),。高壓變頻器旁路柜一次回路如圖1所示,。 

　　DL：用戶高壓真空斷路器
　　K1、K2,、K3：高壓變頻器內(nèi)置高壓隔離開關(guān)
　　BPQ：JD-BP37-500F高壓變頻器
　　D：500kW/6kV異步電動(dòng)機(jī)
　　圖1手動(dòng)旁路柜中,，共有3個(gè)高壓隔離開關(guān)，為了確保不向變頻器輸出端反送電,，K2與K3采用電磁互鎖操動(dòng)機(jī)構(gòu),，實(shí)現(xiàn)電磁互鎖。當(dāng)K1,、K3閉合,，K2斷開時(shí)，電機(jī)變頻運(yùn)行,；當(dāng)K1,、K3斷開，K2閉合時(shí),，電機(jī)工頻運(yùn)行,，此時(shí)變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修,、維護(hù)和調(diào)試,。
　　旁路柜必須與上級(jí)高壓斷路器DL連鎖， DL合閘時(shí),，絕對(duì)不允許操作旁路隔離開關(guān)與變頻輸出隔離開關(guān),，以防止出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象，確保操作人員和設(shè)備的安全,。

6節(jié)能計(jì)算
6.1風(fēng)機(jī)節(jié)能計(jì)算公式
　　風(fēng)機(jī)流量變化量,，如前所述，采用變頻調(diào)速是有效的節(jié)電措施,。根據(jù)GB12497-1995《三相異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》對(duì)電機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行管理的規(guī)定有如下的計(jì)算公式,。

6.2節(jié)能計(jì)算

　　采取風(fēng)門調(diào)節(jié)風(fēng)量時(shí)風(fēng)機(jī)所需的軸功率為401kW，變頻器調(diào)風(fēng)量時(shí)相對(duì)調(diào)節(jié)風(fēng)門調(diào)風(fēng)量的節(jié)電率為0.364,。
　?。?）每年節(jié)電量計(jì)算（每年按工作300天計(jì)算）
　　每年工作天數(shù)小時(shí)數(shù)功率節(jié)電率=300X24x401x0.364=1050940.8kW·h
　　（2）每年節(jié)電費(fèi)計(jì)算（電價(jià)按0.5元/計(jì)算）
　　電費(fèi)單價(jià)x用電量=0.5x1050940.8=525470.4元

6.3實(shí)際節(jié)能情況
　　風(fēng)機(jī)采用變頻器改造投入運(yùn)行后,，電流從55A下降到26A左右,，運(yùn)行頻率35Hz,，輸入電流26A，輸入電壓6.3kV,，輸出電流49A,，輸出電壓4kV，風(fēng)機(jī)電機(jī)功率從411.52kW下降到260.68kW,，一年節(jié)電量(411.52-260.68)X300X24=1086048kW·h,，實(shí)際年節(jié)電費(fèi)用543024元，與理論計(jì)算值基本吻合,。

7變頻改造的其他優(yōu)點(diǎn)
　?。?）采用變頻器后啟動(dòng)風(fēng)機(jī)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)變頻軟啟動(dòng)，避免了啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)及控制設(shè)備的沖擊,，可以有效地延長電氣設(shè)備的使用周期,。
　　（2）按需調(diào)節(jié)風(fēng)量,，調(diào)速范圍寬且調(diào)速精度高,，避免浪費(fèi)。進(jìn)行變頻改造后,，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量不再需要通過改變?nèi)~片角度來調(diào)節(jié),，而是由變頻器通過調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)，調(diào)節(jié)線性度好,，因而可以根據(jù)井下生產(chǎn)需要隨時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)量,，避免了浪費(fèi)。
　?。?）降低了風(fēng)機(jī)的工作強(qiáng)度,，延長了使用壽命。進(jìn)行變頻改造后,，風(fēng)機(jī)的大部分時(shí)間工作在低速狀態(tài)下,，因而大大降低了風(fēng)機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度和電氣沖擊，大大延長了風(fēng)機(jī)壽命,，提高了風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行系數(shù)和運(yùn)行周期,。
　　（4）變頻器具有短路,、過載,、過壓、欠壓,、缺相等各種保護(hù),，有效地保護(hù)了電機(jī)。
　　（5）改善了現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境,，由于降低了風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,，風(fēng)機(jī)噪聲大大降低，深受現(xiàn)場(chǎng)工作人員的歡迎,。
　?。?）減少了反風(fēng)中的操作環(huán)節(jié)，以前反風(fēng)需要操作系統(tǒng)的立式風(fēng)門,、水平風(fēng)門以及反風(fēng)風(fēng)門，工序繁多而且經(jīng)常出現(xiàn)倒錯(cuò)風(fēng)門的事故?，F(xiàn)在使用軸流式風(fēng)機(jī)和變頻器控制后,，反風(fēng)時(shí)極其簡(jiǎn)單，只要在人機(jī)界面上將運(yùn)行頻率調(diào)整為負(fù)的頻率,，電機(jī)就會(huì)先減速至零點(diǎn)然后再反轉(zhuǎn)到所調(diào)頻率,，這期間不用再調(diào)整整個(gè)風(fēng)門系統(tǒng)，減少了工作量,，降低了操作過程中的故障率,。
8結(jié)束語
　　肥城礦業(yè)集團(tuán)公司陶陽煤礦中三井通風(fēng)機(jī)經(jīng)過變頻改造之后，不僅達(dá)到了良好的節(jié)能效果,，并且使整套通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高了一個(gè)大臺(tái)階,。我國是世界上的產(chǎn)煤大國，也是噸煤電耗比較高的國家,。如果煤礦需要調(diào)速的設(shè)備,，多數(shù)能使用變頻調(diào)速裝置改造，節(jié)約的能源將是非?？捎^的,。