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摘要：長期以來，煤礦由于受復(fù)雜的生產(chǎn)條件和環(huán)境影響，在礦用設(shè)備選型上都采用功率比較大的型號，電機全速運行，大馬拉小車現(xiàn)象非常普遍，耗能十分嚴重。如何以技術(shù)進步和技術(shù)創(chuàng)新為先導(dǎo)，降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，提高勞動生產(chǎn)率是煤炭生產(chǎn)企業(yè)需要解決的迫切課題。
關(guān)鍵詞：高壓變頻器 礦用對旋軸流通風(fēng)機 調(diào)速 節(jié)能
一、礦用對旋軸流通風(fēng)機的變頻改造的必要性
長期以來，煤礦由于受復(fù)雜的生產(chǎn)條件和環(huán)境影響，在礦用設(shè)備選型上都采用功率比較大的型號，電機全速運行，大馬拉小車現(xiàn)象非常普遍，耗能十分嚴重。如何以技術(shù)進步和技術(shù)創(chuàng)新為先導(dǎo)，降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，提高勞動生產(chǎn)率是煤炭生產(chǎn)企業(yè)需要解決的迫切課題。
煤礦主通風(fēng)機是煤礦的四大主要設(shè)備之一，作為礦井主通風(fēng)，它每天24小時不停地運轉(zhuǎn)，是整個礦井的“呼吸”系統(tǒng)。然而隨著開采及掘進的不斷延伸，巷道延長，所需的風(fēng)量也將不斷增加，風(fēng)機所用功率也將加大。四季的交替，冷熱的變化，所需的風(fēng)量也需不斷調(diào)節(jié)。但煤礦原根據(jù)反風(fēng)及開采后期運行工況所設(shè)計的通風(fēng)機及拖動的電動機的功率，通常遠大于煤礦正常生產(chǎn)所需的運行功率。
礦井一般按開采各階段中通風(fēng)最困難時期選擇風(fēng)機型號。一般礦山選型時，按實際通風(fēng)參數(shù)配備電機功率，計算方法如下：
N-所需電機功率，系指I，II級電機的總功率（kW）；
Pst－礦井最困難時期總阻力（Pa） ；
Q－礦井最困難時期總風(fēng)量（m3/s）；
ηst－按Pst、Q參數(shù)查本樣本的實際運行工況效率；
K－功率貯備系數(shù)，一般取K＝1.1～1.15。
傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，是根據(jù)風(fēng)量所需的多少，靠調(diào)節(jié)風(fēng)門、葉片角度來實現(xiàn)的。從通風(fēng)機選型的過程和煤炭生產(chǎn)的實際情況，通風(fēng)機恒速運行存在以下幾個問題:
1．電能的嚴重浪費
大型煤礦的服務(wù)年限大多在幾十年以上，投產(chǎn)初期到井田穩(wěn)定開采一般在十年以上，但是一般主扇風(fēng)機設(shè)計上余量特別大，在相當(dāng)長的時間主扇風(fēng)機一直處在較輕負載下運行。由于煤礦主扇風(fēng)機一般采用檔板調(diào)節(jié)，因此造成能源浪費，增加了生產(chǎn)成本。
2、啟動困難，機械損傷嚴重
主扇風(fēng)機采用直接啟動，啟動時間長，啟動電流大，對電動機的絕緣有著較大的威脅，嚴重時甚至燒毀電動機。而高壓電動機在啟動過程中所產(chǎn)生的單軸轉(zhuǎn)矩現(xiàn)象使風(fēng)機產(chǎn)生較大的機械振動應(yīng)力，嚴重影響到電動機、風(fēng)機及其它機械的使用壽命。
3、自動化程度低
主扇風(fēng)機依靠人工調(diào)節(jié)檔板，更不具備風(fēng)量的自動實時調(diào)節(jié)功能，自動化程度低。在故障狀態(tài)下，如風(fēng)流短路，將對礦井正常生產(chǎn)造成嚴重影響。
變頻調(diào)速器作為一種新型的電力變換裝置，已成熟地應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)的各個方面，不但啟動容易，節(jié)能效果顯著，而且對電機保護功能齊全。因此，為保證礦井生產(chǎn)的安全，降低生產(chǎn)成本，提高自動化程度，對礦井通風(fēng)機的變頻改造就成為勢在必行的工程了。
二、對旋軸流通風(fēng)機的特點
兩級的軸流通風(fēng)機中，有一種很好的設(shè)計方案。它是將一個葉輪裝在另一個葉輪的后面，而葉輪的轉(zhuǎn)向彼此相反，稱為對旋型軸流通風(fēng)機，或?qū)χ檬捷S流風(fēng)機。
煤礦對旋風(fēng)機因其主要由該通風(fēng)機采用兩級葉輪對旋式結(jié)構(gòu)，兩級葉輪分別由容量及相同型號電動機驅(qū)動，兩個葉輪旋轉(zhuǎn)方向相反，從進風(fēng)口看，第一級葉輪順時針方向旋轉(zhuǎn)，第二級葉輪則逆時針方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)空氣流入第一級葉輪獲得能量后并經(jīng)第二級葉輪排出，第二級葉輪兼?zhèn)淦胀ㄝS流風(fēng)機中靜葉的功能，在獲得整直圓周方向速度風(fēng)量同時，增加氣流的能量，從而達到普通軸流式通風(fēng)機不能達到的高效率，高風(fēng)壓。
它與普通軸流風(fēng)機相比有以下幾個優(yōu)點
1)可以省略導(dǎo)葉，因而具有較短的結(jié)構(gòu)尺寸。
2) 傳動效率高。葉輪直接安裝在電機軸上，改變了傳統(tǒng)的傳動結(jié)構(gòu)，既避免了傳動裝置的頻繁損壞，消除了能量損耗，也提高了風(fēng)機裝置的傳動效率，同時也提高了使用效率。對旋軸流式通風(fēng)機因為沒有靜葉,不存在靜葉損失,因此,其效率比普通通風(fēng)機要高；
3) 對旋軸流式通風(fēng)機具有較大的逆向送風(fēng)量,其一般可達70%～80% ,而普通通風(fēng)機的逆向送風(fēng)量僅為30%～40%；
4)軸流對旋風(fēng)機使用靈活。對旋風(fēng)機兩級工作輪分別由兩臺電機驅(qū)動，因而對旋風(fēng)機對應(yīng)不同的使用狀態(tài)，可進行各式各樣的組合，使其中一級空轉(zhuǎn)可組成前導(dǎo)加動葉級或動葉加后導(dǎo)葉級，亦可配備一個靜葉作為附件，可以調(diào)節(jié)柵距以實現(xiàn)變風(fēng)量調(diào)節(jié)。對旋風(fēng)機可變轉(zhuǎn)速和兩轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速比來調(diào)節(jié)流量，這是對旋風(fēng)機所特有的。
三、礦用對旋軸流通風(fēng)機的變頻改造的案例
煤礦主通風(fēng)機在煤礦的安全生產(chǎn)中起著至關(guān)重要的作用。礦井的瓦斯爆炸，與巷道的通風(fēng)是否順暢，風(fēng)量的充足與否都有著直接關(guān)系，一旦通風(fēng)不暢，瓦斯?jié)舛壬叩揭欢ǔ潭龋磿斐杀ㄋ斐芍卮笫鹿剩＜暗V工的生命安全。如此重要的安全生產(chǎn)關(guān)鍵設(shè)備，如果因某種故障而停機運行，將會給整個礦山的安全生產(chǎn)帶來巨大威脅，因此，要求與之配套的高壓變頻器必須具備非常高的可靠性才能夠滿足安全生產(chǎn)的要求。
神華寧煤集團汝箕溝煤礦在礦井通風(fēng)系統(tǒng)技術(shù)改造中，東風(fēng)井BD-Ⅱ-10NO24/2×200KW、西風(fēng)井BD-Ⅱ-10NO30/2×280KW對旋軸流通風(fēng)機選用了北京利德華福公司生產(chǎn)的HARSVERT-A系列高壓變頻器。2006年11月30日，正式投運，運行穩(wěn)定，一般都運行在35～40Hz，節(jié)能效果良好。
（一）HARSVERT-A系列高壓變頻器具有以下技術(shù)特點：
HARSVERT-A系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用單元串聯(lián)多電平技術(shù)，屬高-高電壓源型變頻器，直接6KV輸入，直接6KV高壓輸出。變頻器主要由移相變壓器、功率模塊和控制器組成。
1.功率模塊結(jié)構(gòu)：功率模塊為基本的交-直-交單相逆變電力，整流側(cè)為二極管三相全橋，通過對IGBT逆變橋進行正弦PWM控制，可得到單相交流輸出。每個功率模塊結(jié)構(gòu)及電氣性能上完全一致，可以互換。
2.輸入側(cè)結(jié)構(gòu)：輸入側(cè)由移相變壓器給每個功率模塊供電，移相變壓器的副邊繞組分為三組，根據(jù)電壓等級和模塊串聯(lián)級數(shù)，一般由24脈沖系列、30脈沖系列、42脈沖系列、48脈沖系列等構(gòu)成多級相疊加的整流方式，可以大大改善網(wǎng)側(cè)的電流波形（網(wǎng)側(cè)電壓電流諧波指標滿足IEEE519-1992和GB/T14549-93的要求）。使其負載下的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1，無需任何功率因數(shù)補償、諧波抑制裝置。由于變壓器副邊繞組的獨立性，使每個功率單元的主回路相對獨立，類似常規(guī)低壓變頻器，便于采用現(xiàn)有的成熟技術(shù)。
3.輸出側(cè)結(jié)構(gòu)：輸出側(cè)由每個功率模塊的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機供電，通過對每個單元的PWM波形進行重組，可得到階梯正弦PWM波形。這種波形正弦度好，dv/dt小，對電纜和電機的絕緣無損壞，無須輸出濾波器，就可以延長輸出電纜長度，可直接用于普通電機。同時，電機的諧波損耗大大減少，消除負載機械軸承和葉片的振動。
當(dāng)某一個功率模塊出現(xiàn)故障時，通過控制使輸出端子短路，可將此單元旁路退出系統(tǒng)，變頻器可降額機械運行；由此可避免很多場合下停機造成的損失。
4.控制器：控制器由高速單片機、嵌入式人機界面和PLC共同構(gòu)成。單片機實現(xiàn)PWM控制。嵌入式人機界面提供友好的全中文WINDOWS監(jiān)控和操作界面，同時可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制。內(nèi)置PLC則用于柜體內(nèi)開關(guān)信號的邏輯處理，可以和用戶現(xiàn)場靈活接口，滿足用戶的特殊需要。
控制器與功率單元之間采用光纖通訊技術(shù)，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統(tǒng)具有極高的安全性，同時具有很好的抗電磁干擾性能，可靠性大大提高。另外，交流220V控制電源掉電時，控制器可由配備的UPS繼續(xù)供電，（散熱風(fēng)機電源取自移相變壓器）變頻器可以繼續(xù)運行。
（二）概括起來其主要應(yīng)用效果如下：
1．變頻起動對電網(wǎng)沒有任何沖擊。由于變頻器改造后風(fēng)機可以實現(xiàn)變頻軟起動，避免了起動電流的沖擊，不僅對電網(wǎng)沒有任何沖擊，而且還可以隨時起動或停止；
2．按需調(diào)節(jié)風(fēng)量，避免浪費。進行變頻改造后，風(fēng)機的送風(fēng)量不再需要由風(fēng)門來調(diào)節(jié)，而是由變頻器通過變頻調(diào)節(jié)風(fēng)機的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)，調(diào)節(jié)范圍可以從0%—100%；因而可以根據(jù)生產(chǎn)需要隨意調(diào)節(jié)風(fēng)量，減少了不必要的浪費；
3．變頻節(jié)能運行，節(jié)約了大量能源。由于變頻改造后不再使風(fēng)機一直處于滿負荷工作狀態(tài)，節(jié)能率高達63%以上；
4．降低風(fēng)機工作強度，延長使用壽命。進行變頻改造后，風(fēng)機的大部分工作時間都在較低的速度下運行，因而大大降低了風(fēng)機工作的機械強度和電氣沖擊，將會大大延長風(fēng)機的使用壽命，降低維修強度；
5．可使電動機與風(fēng)機直接相連接，減少傳動環(huán)節(jié)的費用；
6．電機和風(fēng)機運轉(zhuǎn)速度下降，潤滑條件改善，傳動裝置的故障下降；
7．系統(tǒng)壓力降低，對管道的壓力和密封等條件緩解，延長使用壽命；
8．系統(tǒng)完善的監(jiān)控性能和高可靠性提高了工作效率，減少了檢修和維護的工作量。
9．需要注意的是煤礦對旋風(fēng)機變頻調(diào)速后，一般情況下要求兩臺電機的運行頻率盡量一致，從而保證電機轉(zhuǎn)速一致。避免一臺轉(zhuǎn)速高，一臺轉(zhuǎn)速低，形成風(fēng)阻，影響風(fēng)機的正常運行。
四、結(jié)束語
總之，礦用通風(fēng)機采用變頻調(diào)速，不但實現(xiàn)了軟起停，節(jié)約了電能，而且可根據(jù)巷道的風(fēng)量需求方便的進行調(diào)速，應(yīng)用效果是十分理想的。我國的煤礦企業(yè)相當(dāng)多，高壓變頻器在這一方面的應(yīng)用應(yīng)當(dāng)是十分廣泛的。
參考資料：
2．《HARSVERT-A高壓變頻器技術(shù)手冊》，北京利德華福電氣技術(shù)有限公司
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