周永杰

（山西焦煤集團有限責任公司東曲煤礦機電科外維一隊，山西 古交 030200）

引言

在國家相關政策的積極引導下，煤礦企業(yè)也越來越重視礦用高能耗設備的節(jié)能技改。在礦用大型機電設備中主通風設備功率較大，一般情況下24 h不停運轉，該設備節(jié)能技改必將為其余高能耗設備改造提供成功經驗，并使煤礦生產高能耗問題得到一定程度緩解。

1 設備運行情況

某煤礦以南陽防爆集團所生產的BDK68-10-NO26 型防爆對旋式軸流通風機為主通風機，該設備額定功率2×160 kW，負壓3 075～120 Pa，風量60～150 m3/s，額定轉速590 r/min，額定電壓6 000 V，額定電流2×22 A，絕緣等級達到F 級。該煤礦兩臺風機互為備用，在單臺風機運行工況下月耗電量至少16×104kWh。為響應節(jié)能降耗的生產要求，該煤礦決定進行變頻技術改造：風量既定的基礎上變頻設備能使主通風機電能能耗降低至少20%，并能使原設備運行的穩(wěn)定性和安全性顯著提升，維護量大大減少；變頻設備在不改變原用電設備操作習慣的基礎上，可大大簡化操作過程，且變頻設備容量包括一定的富裕值設定[1]。

2 改造方案

經過多方論證，該煤礦決定改用功率單元串聯(lián)的多電平型高壓變頻器，并通過井下負壓連續(xù)控制主通風機風量，1 臺變頻器能同時拖動2 臺對旋風機電機，以達到節(jié)能降耗的目的。

2.1 風量調節(jié)及調速方式

煤礦井下生產對通風網絡特性和風量有較高要求，必須進行風機工況的實時調整，某煤礦原通風系統(tǒng)主要依靠葉片安裝角度改變及節(jié)流進行風量調節(jié)，這種調節(jié)方式很容易造成能源浪費，葉輪葉片安裝角度的調整既會引起通風設備停機，又會導致風機效率發(fā)生改變?！睹旱V安全規(guī)程》對井下通風量有具體規(guī)定，并要求操作人員根據對井下負壓值的判斷進行風量調節(jié)[2]，這種做法不改變風機運行效率，也無須停機，便能使風機處于高效運行狀態(tài)。

與液力耦合裝置調速及串級調速等方式不同，變頻調速方式主要借助高壓變頻器使電源頻率改變以調節(jié)三相異步電機轉速，設備自身能耗低、壽命長，調速范圍不受限；變頻調速器造價較高，但隨著高壓變頻技術的推廣應用，其購置費用呈下降趨勢。

2.2 高壓變頻器選擇

考慮到當前電力電子器件耐壓性不良，每臺高壓變頻器在生產過程中都要使用大量電力電子器件，此類器件組合形式較多，所對應的高壓變頻器類型也有多種，如高-低-高變頻方式、三電平電壓型高壓變頻方式、功率單元串聯(lián)式多電平高壓變頻方式等。功率單元串聯(lián)式多電平高壓變頻方式高壓變頻輸出主要通過低壓器件完成，無須進行器件之間的串聯(lián)，輸入輸出諧波小，技術成熟穩(wěn)定，該煤礦主通風機改造中主要采用此種高壓變頻器產品。

2.3 控制方式選擇

該煤礦主通風機節(jié)能技改過程中必須在確保風機性能穩(wěn)定的基礎上考慮成本，借鑒相關經驗，變頻器和電機一對一控制方式與一拖二控制方式工效、性能基本相同，但前者造價比后者大約高出50%，若將備用對旋風機全部配齊，造價將翻升一倍。為此，該煤礦主通風機節(jié)能技改過程中，選擇1 臺變頻器同時拖動2 臺對旋風機電機的一拖二控制方式。

3 高壓變頻器的應用

3.1 高壓變頻設備

通過以上對煤礦主通風機改造中多方面的比較，某煤礦最終決定采用國產HYVERT-Y06/048 型高壓變頻器進行主通風機改造，該型號高壓變頻器容量為500 kVA，額定輸入頻率0～50 Hz，額定輸入電壓6.0 kV±0.2×6.0 kV，額定輸出頻率-50～50 Hz，60 s 過載能力120%，且其性能全部符合《電源系統(tǒng)諧波控制推薦規(guī)程及要求》（IEEE 519—1992）及《電能質量共用電網諧波》（GB/T14549—1993）要求[3]。

某煤礦所選用的高壓變頻器采用高-高變頻方式，其主體結構所包括的功率模塊通過并聯(lián)方式連接，其調速范圍在設計值的20%～100%時，在原有功率因數(shù)補償情況下，變頻器輸入段功率因數(shù)至少為0.97，能有效降低無功輸入，減小供電容量。所采用的變頻系統(tǒng)適應電網電壓波動能力較強，并能在電網電壓下降30%后仍正常運行；變頻系統(tǒng)按照國家相關標準提供過（欠）電壓、過電流、短路及失速、電機及變頻器過載、瞬時停電、元器件過熱等方面的保護以及故障報警。其電路控制系統(tǒng)主要由斷路器QF、高壓變頻器、自動切換柜QS 和KM、電動機M組成，具體見圖1。其中，高壓變頻器合閘信號和高壓開關合閘回路串聯(lián)，如遇變頻器故障，則高壓開關合閘閉鎖；高壓變頻器分斷信號則與高壓開關分閘回路并聯(lián)，變頻器發(fā)生故障后分閘、高壓輸入。高壓開關柜主要起到向變頻器饋電以及向其提供過載、過電壓、速斷保護等功能的作用，根據變頻器額定值進行高壓開關柜整定值確定。高壓變頻器電路控制系統(tǒng)中KM1和KM3電氣之間、KM1與KM4電氣之間、KM2與KM3之間及KM2與KM4之間均為互相閉鎖關系；其中控制一臺電機的真空接觸器與高壓斷路器僅允許閉合其中1 個；僅拖動1 臺對旋通風機變頻運行時，M1正向轉動M2反向轉動，此時應將QF1、QF2斷開，并閉合QS1、QS2、KM1、KM2、QF；如遇變頻器故障，則另一臺對旋式風機啟動，QF、KM1、KM2、QS1、QS2將斷開，QF3、QF4、KM3、KM4將閉合。

圖1 高壓變頻器電氣控制電路圖

3.2 設備運行效果

某煤礦高壓變頻器于2021 年初安裝完成并投運，變頻器為中文顯示界面，觸屏操作，便于各種運行數(shù)據的存儲、查詢和共享；設備操作簡單，可同時起動兩級風機，并能在1～3 min 內達到最高運行速度和所需最大風量，安全性與效率性有保證；反風操作也較原風機簡單可靠，在8～10 min 內便能滿足煤礦生產對反風方面的要求。根據對該煤礦高壓變頻器數(shù)月以來運行數(shù)據的統(tǒng)計分析，其電能節(jié)約量可達到20 585 kWh/d，且高壓變頻器自投運以來性能十分穩(wěn)定，實測變頻器網側功率因數(shù)達0.977，滿載工況下網側電流諧波容量均在3%以下，輸出電流諧波則不超過4%，均符合國家相關節(jié)能降耗標準。