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安徽淮北市 曹啟申
一、現(xiàn)場系統(tǒng)情況
煤礦因生產(chǎn)的特殊性，礦井通風(fēng)系統(tǒng)關(guān)系到礦山的安全生產(chǎn)，所以通風(fēng)系統(tǒng)在煤炭生產(chǎn)中具有舉足輕重的地位。其中主扇風(fēng)機(jī)在煤礦生產(chǎn)中有著最重要的地位，隨著開采和掘進(jìn)的不斷延伸，巷道延長，盡管風(fēng)量基本不變，但風(fēng)壓要求卻不斷增加，風(fēng)機(jī)需用功率也隨之增加。根據(jù)反風(fēng)及開采后期運行狀況來確定的主扇風(fēng)機(jī)及拖動電動機(jī)的功率通常遠(yuǎn)大于煤礦長期開采所需的正常運行功率。五溝煤礦主扇風(fēng)機(jī)采用500KW/6KV電動機(jī)傳動，電機(jī)采用直接啟動的方式。
目前采用高壓電動機(jī)直接啟動，存在以下幾個問題：
●電能的嚴(yán)重浪費。煤礦的服務(wù)年限大多在60年以上，投產(chǎn)初期到井田穩(wěn)定開采一般在10年左右，這就意味著有這10年的時間里，主扇風(fēng)機(jī)一直處在較輕負(fù)載下運行。由于工頻運行的電動機(jī)轉(zhuǎn)速不可調(diào)節(jié)，只能通過改變風(fēng)機(jī)葉片的角度進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)，因此造成能源浪費，增加了生產(chǎn)成本。
●啟動困難，機(jī)械損傷嚴(yán)重。主扇風(fēng)機(jī)采用直接啟動，啟動時間長，啟動電流大，對電動機(jī)的絕緣有著較大的威脅，嚴(yán)重時甚至燒毀電動機(jī)。而電動機(jī)在啟動過程中所產(chǎn)生的單軸轉(zhuǎn)矩現(xiàn)象使風(fēng)機(jī)產(chǎn)生較大的機(jī)械振動應(yīng)力，嚴(yán)重影響到電動機(jī)、風(fēng)機(jī)及其它機(jī)械的使用壽命。
●自動化程度低。主扇風(fēng)機(jī)依靠人工調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)葉片調(diào)節(jié)風(fēng)量和風(fēng)壓，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(yán)重影響。
為了礦井的安全生產(chǎn)和降低生產(chǎn)成本，提升該煤礦的自動化水平，對主扇風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速改造具有非常重要的意義。
二、高壓變頻改造方案
1、主回路系統(tǒng)方案
考慮到現(xiàn)場設(shè)備實際運行的情況，煤礦主扇軸流風(fēng)機(jī)變頻系統(tǒng)采用一拖二手動旁路方式，采用一臺變頻器分別單獨傳動二臺風(fēng)機(jī)中的一臺風(fēng)機(jī)的電動機(jī)，正常情況下，允許有一負(fù)載工作在變頻狀態(tài)，另一負(fù)載工作在工頻狀態(tài)，也可以兩臺都在工頻狀態(tài)；
該系列變頻采用若干個低壓PWM變頻功率單元串聯(lián)的方式實現(xiàn)直接高壓輸出。變頻器具有對電網(wǎng)諧波污染極小，輸入功率因數(shù)高，輸出波形質(zhì)量好，不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱、轉(zhuǎn)矩脈動、噪音、dv/dt及共模電壓等問題的特性，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機(jī)，不需要更換電機(jī)。
一拖二手動旁路系統(tǒng)
基本原理：它是由8個高壓隔離開關(guān)QS1～QS8組成（見左圖）。其中QS2和QS3,QS5和QS6安裝機(jī)械互鎖裝置；各隔離開關(guān)間有電氣互鎖。如果兩路電源同時供電，M1工作在變頻狀態(tài)，M2工作在工頻狀態(tài)時，QS3、QS7和QS4、QS5、QS8分閘，QS2、QS1和QS6處于合閘狀態(tài)；M2工作在變頻狀態(tài)，M1工作在工頻狀態(tài)時，與M1工作在變頻狀態(tài)，M2工作在工頻狀態(tài)時類似；如果檢修變頻器，QS3和QS6可以處于任一狀態(tài)，其它隔離開關(guān)都分閘，兩臺負(fù)載可以同時工頻運行；當(dāng)一路電源檢修時，可以通過分合隔離開關(guān)使任一電機(jī)變頻運行。
特點：正常情況下，允許有一負(fù)載工作在變頻狀態(tài)，另一負(fù)載工作在工頻狀態(tài)，也可以兩臺都在工頻狀態(tài)。
同時工頻運行時1#電機(jī)通過QS7、QS3 ，2#電機(jī)通過QS8、QS6切換完成反風(fēng)功能，變頻運行時通過變頻設(shè)備內(nèi)部設(shè)置即可完成電機(jī)轉(zhuǎn)向的正反方向的轉(zhuǎn)換完成反風(fēng)功能。
2、控制系統(tǒng)方案
變頻系統(tǒng)控制方式可以采用下述4種方式，現(xiàn)場用戶可以根據(jù)實際情況采用相應(yīng)的一種或幾種控制方式。
A、閉環(huán)控制方式
變頻系統(tǒng)可以根據(jù)現(xiàn)場要求在變頻操作界面上設(shè)定需要的壓力或流量值、或通過模擬給定形式給定需要的壓力或流量值，變頻設(shè)備根據(jù)設(shè)定值和現(xiàn)場壓力或流量的反饋值自動閉環(huán)控制調(diào)節(jié)設(shè)備轉(zhuǎn)速，使系統(tǒng)壓力或流量值運行在要求的設(shè)定值。
B、本控開環(huán)控制方式
變頻系統(tǒng)可以通過本控方式在變頻設(shè)備控制柜監(jiān)控界面手動設(shè)定負(fù)載設(shè)備需要運行的轉(zhuǎn)速值，變頻設(shè)備自動將負(fù)載設(shè)備傳動到要求轉(zhuǎn)速值。
C、總線控制方式
變頻系統(tǒng)也可以通過RS485、Profibus/Device Net 與工廠控制系統(tǒng)通訊進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。
D、遠(yuǎn)控開環(huán)控制方式
變頻調(diào)速系統(tǒng)可由現(xiàn)場DCS監(jiān)控操作系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，根據(jù)運行工況按設(shè)定程序，實現(xiàn)對負(fù)載設(shè)備電動機(jī)轉(zhuǎn)速控制。
具體控制接口情況如下：
變頻系統(tǒng)和現(xiàn)場DCS監(jiān)控操作系統(tǒng)進(jìn)行通訊連接，從現(xiàn)場DCS監(jiān)控操作系統(tǒng)上發(fā)出變頻器的啟動、停機(jī)等信號。變頻器反饋以下信號接入到現(xiàn)場監(jiān)控操作系統(tǒng)上： (1)報警及故障信息：重故障報警、輕故障報警；(2)調(diào)速裝置的狀態(tài)信息：待機(jī)狀態(tài)、正常運行狀態(tài)、故障狀態(tài)、系統(tǒng)旁路狀態(tài)；（3）電機(jī)電流、轉(zhuǎn)速、電壓等。
以下為變頻器與現(xiàn)場DCS監(jiān)控操作系統(tǒng)系統(tǒng)具體接口：
1）．變頻器需要提供的開關(guān)量輸出6：
(1) 變頻器待機(jī)狀態(tài)指示：表示變頻器已待命，具備啟動條件。
(2) 變頻器運行狀態(tài)指示：表示變頻器正在運行。
(3) 變頻器控制狀態(tài)指示：節(jié)點閉合表示變頻器控制權(quán)為現(xiàn)場遠(yuǎn)程控制；節(jié)點斷開表示變頻器控制權(quán)為本地變頻器控制。
(4) 變頻器輕故障指示：表示變頻器產(chǎn)生報警信號。
(5) 變頻器重故障指示：表示變頻器發(fā)生重故障，立即關(guān)斷輸出切斷高壓。
(6)電機(jī)在工頻旁路：表示風(fēng)機(jī)電動機(jī)處于工頻旁路狀態(tài)。
以上所有數(shù)字量采用無源接點輸出，定義為接點閉合時有效。除特別注明外，接點容量均為AC220V、3A/DC24V，1A。
2）．變頻器需要提供的模擬量2路：
(1) 變頻器輸出轉(zhuǎn)速
(2) 電機(jī)電流
變頻器提供2路4～20mADC的電流源輸出（變頻器供電），帶負(fù)載能力均為250Ω。
3）．需要提供給變頻器的模擬量1路：
(1) 變頻器轉(zhuǎn)速給定值
現(xiàn)場提供1路4～20mADC二線制電流源輸出，帶載能力必須大于250Ω，4～20mADC對應(yīng)轉(zhuǎn)速低高限，須呈線性關(guān)系。
4）．需要提供給變頻器的開關(guān)量有2路：
(1) 啟動指令：干接點，3秒脈沖閉合時有效，變頻器開始運行。
(2) 停機(jī)指令：干接點，3秒脈沖閉合時有效，變頻器正常停機(jī)。
5、變頻器與其他電氣設(shè)備接口
1）．變頻器給高壓開關(guān)柜的有2路：
(1)高壓緊急分?jǐn)啵鹤冾l器出現(xiàn)重故障時，自動分?jǐn)喔邏洪_關(guān)，閉點有效。
(2)高壓合閘允許：變頻器自檢通過或系統(tǒng)處于工頻狀態(tài)，具備上高壓條件，閉點有效。
以上所有數(shù)字量采用無源接點輸出，定義為接點閉合時有效。除特別注明外，接點容量均為DC220V，3A。
2）．高壓開關(guān)柜給變頻器的狀態(tài)信號1路：
(1)高壓開關(guān)分閘信號：高壓開關(guān)處于分?jǐn)鄷r，輔助節(jié)點閉合；1個。
變頻系統(tǒng)具有如下特點：
變頻系統(tǒng)，既可以變頻調(diào)速運行，也可以投工頻運行；
為變頻器提供的交流220V控制電源掉電時，變頻器可以通過內(nèi)部配置UPS供電使控制系統(tǒng)繼續(xù)運行達(dá)30分鐘；現(xiàn)場如果采用交、直流220V雙路供電時，變頻裝置能按照交流電源優(yōu)先的原則進(jìn)行交、直流無擾切換供電，保證供電可靠性。
在現(xiàn)場速度給定信號掉線時，變頻器提供報警的同時，可按原轉(zhuǎn)速繼續(xù)運轉(zhuǎn)，維持機(jī)組的工況不變；
3、有關(guān)變頻改造后風(fēng)機(jī)效率情況說明
風(fēng)機(jī)設(shè)備工頻運行時，為保證生產(chǎn)工藝要求的壓力及流量值，一般通過改變風(fēng)門擋板的開度滿足要求，相應(yīng)的風(fēng)道風(fēng)阻曲線也會發(fā)生變化；故工頻運行擋板調(diào)節(jié)方式是一種保持風(fēng)機(jī)特性曲線及效率范圍不變，改變風(fēng)道風(fēng)阻曲線來滿足實際工藝需求的方式，由于風(fēng)道風(fēng)阻曲線的變化就有可能會出現(xiàn)風(fēng)機(jī)運行在低效率區(qū)的情況。
主扇風(fēng)機(jī)變頻改造后，其各轉(zhuǎn)速點的壓力和流量曲線相對工頻時的曲線是平行往下移動的，相應(yīng)的各速度點的風(fēng)機(jī)高效運行區(qū)也是跟著各轉(zhuǎn)速點的壓力和流量曲線移動的；變頻改造后，在保持風(fēng)道風(fēng)阻曲線不變的情況下，通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到滿足工藝要求壓力和流量的目的；故變頻運行調(diào)節(jié)方式是一種保持風(fēng)道風(fēng)阻曲線不變，改變壓力和流量曲線來滿足實際工藝需求的方式，由于風(fēng)機(jī)效率曲線是跟著各轉(zhuǎn)速點的壓力和流量曲線移動變化的，故變頻改造后能保證風(fēng)機(jī)一直運行在高效率區(qū)。
4、系統(tǒng)散熱方案
高壓變頻器屬于大型電子設(shè)備，對環(huán)境要求比較嚴(yán)格。統(tǒng)計多臺設(shè)備的運行情況，由于現(xiàn)場環(huán)境溫度過高而引起的設(shè)備故障比例較大，因此總結(jié)了三種方案為：1、加裝風(fēng)道；2、加裝空調(diào)；3、加裝空冷器。三種方案各有其適用的范圍。
1、加裝風(fēng)道。常規(guī)的設(shè)計是在機(jī)柜上面安裝風(fēng)道，將變頻器產(chǎn)生的熱量直接排放到室外，由變頻器室的進(jìn)風(fēng)口不斷補(bǔ)充冷風(fēng)，對系統(tǒng)進(jìn)行冷卻。在使用中需要注意的是如果變頻器柜頂風(fēng)機(jī)距出風(fēng)口較近（小于2米，中間無轉(zhuǎn)折），出風(fēng)口可不加裝輔助排風(fēng)機(jī)，否則需加裝排風(fēng)機(jī)。如果進(jìn)風(fēng)口的現(xiàn)場施工存在不便，風(fēng)道需有轉(zhuǎn)折，則可以考慮加裝風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫進(jìn)風(fēng)。
加裝風(fēng)道的優(yōu)點是成本低，可靠性高，散熱效果良好。適用于現(xiàn)場環(huán)境比較清潔的場合，否則就需要經(jīng)常清洗濾網(wǎng)。
2、加裝空調(diào)就是把高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)放置于一個比較封閉且相對狹小的房間內(nèi)（主要是可以減小空調(diào)的容量），但要滿足系統(tǒng)維護(hù)的需要，然后在房間內(nèi)安裝空調(diào)，通過空調(diào)內(nèi)部的循環(huán)將高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量排到室外。空調(diào)總體的制冷量為變頻器的發(fā)熱量加上空間制冷所需的制冷量。變頻器發(fā)熱需要根據(jù)運行工況選擇，考慮一定的裕量，最大發(fā)熱量為變頻器額定功率的4%，如果長期運行頻率低于40Hz，則發(fā)熱量可按照變頻器額定功率的2%進(jìn)行估算。空間制冷所需的制冷量，一般每平方米可以按照150瓦特計算。
加裝空調(diào)的優(yōu)點是由于沒有室內(nèi)外空氣的直接流通，容易保持室內(nèi)環(huán)境的清潔，但是空調(diào)的可靠性會影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，初次投資和運行成本會相應(yīng)增加。
3、加裝空冷器。空冷器是一種利用高效、環(huán)保、節(jié)能的冷卻系統(tǒng)，其應(yīng)用技術(shù)在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位。從變頻器出來的熱風(fēng)，經(jīng)過風(fēng)管連接到內(nèi)有固定水冷管的散熱器中，散熱器中通過溫度低于33℃的冷水，熱風(fēng)經(jīng)過散熱片后，將熱量傳遞給冷水，變成冷風(fēng)從散熱片吹出，熱量被循環(huán)冷卻水帶走，保證了變頻器控制室內(nèi)的溫度恒定。
四、風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能分析及計算
1、現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)：
五溝煤礦風(fēng)機(jī)運行工況調(diào)查表
1、設(shè)備基本情況表（銘牌）：
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風(fēng)機(jī)型號 |
MAF-2100-1A |
配套電機(jī)型號 |
Y500-6 |
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額定壓力 |
2782 |
額定功率 |
500KW |
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額定流量 |
初期 139 后期176 |
額定電壓 |
6000V |
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壓力 |
初期1950 后期3400 |
額定電流 |
59.9 |
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額定轉(zhuǎn)速 |
990r/min |
額定轉(zhuǎn)速 |
988r/min |
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級數(shù) |
/ |
效率 |
/ |
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返風(fēng)方式 |
電機(jī)反轉(zhuǎn) |
功率因數(shù) |
0.85 |
2、運行情況表（實際運行,取10～30天數(shù)據(jù)，）：
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目前風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)手段 |
風(fēng)機(jī)運行角度： |
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風(fēng)機(jī)壓力 1680Pa |
風(fēng)機(jī)流量 107 m3/s |
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電機(jī)電壓 6300V |
電機(jī)電流 38.7A |
2、工頻狀態(tài)下耗電計算
Pd：電動機(jī)功率 ； d：電動機(jī)效率 ； U：電動機(jī)輸入電壓 ；
I：電動機(jī)實際運行電流 ；cosφ：功率因子。
計算公式：Pd = ×U×I×cosφ …①
然后將電機(jī)實際工頻下運行的電流代入上面的公式，得出電機(jī)工頻狀態(tài)下的功率Pd
實際計算方法：工頻運行下功率：Pd= ×6.3×38.7×0.85=358.9KW
3、變頻狀態(tài)下年耗電量計算
1）、風(fēng)機(jī)類負(fù)載的運行特性及管路性能曲線的繪制與計算：
Pd’：電動機(jī)軸功率 ； P′：風(fēng)機(jī)軸功率 ； ：電動機(jī)效率 ； ：變頻器實際效率 ；
Q：出口流量 ；H：出、入口壓力差，。
風(fēng)機(jī)設(shè)備屬平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其轉(zhuǎn)速n與流量Q，壓力H以及軸功率P具有如下關(guān)系：Q∝n ，H∝n2，P∝n3；即，流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。通過風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)，依據(jù)  公式可依次求得風(fēng)機(jī)在采用變頻調(diào)速運行時對應(yīng)的風(fēng)機(jī)總功耗 。
另有，電動機(jī)效率 與電動機(jī)負(fù)荷率β之間的關(guān)系如圖一所示。
變頻器的效率 與電動機(jī)負(fù)荷率β之間的關(guān)系如圖二所示。
計算說明：
現(xiàn)場設(shè)備變頻改造后實際節(jié)電效果僅僅與現(xiàn)有設(shè)備工頻運行時的工況及電流有關(guān)，與節(jié)電計算是沒有關(guān)系的；好的節(jié)電計算僅僅能達(dá)到能為設(shè)備變頻改造提供比較準(zhǔn)確的節(jié)電率估算的作用；變頻改造后，不管采用什么品牌的變頻器，在設(shè)備能夠穩(wěn)定運行的情況下其節(jié)電效果是基本相同的；品質(zhì)優(yōu)良的變頻設(shè)備能夠很好的保障用戶的節(jié)能效果和在各種生產(chǎn)過程正常高效地運行。
五、應(yīng)用高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生的其他效果
1、維護(hù)量減少。采用變頻調(diào)速后，無論哪種工藝條件，隨時可以通過調(diào)整轉(zhuǎn)速使系統(tǒng)運行在工藝要求的狀態(tài)下工作。
2、提高設(shè)備的使用壽命，大大降低維修費用以及時間。
3、工作強(qiáng)度降低。變頻調(diào)速系統(tǒng)可由主控系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，根據(jù)運行工況按設(shè)定程序，實現(xiàn)對負(fù)載電動機(jī)轉(zhuǎn)速自動控制。大大降低了勞動強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，為優(yōu)化運營提供了可靠保證。
4、減少了對電網(wǎng)的沖擊。采用變頻調(diào)節(jié)后，系統(tǒng)實現(xiàn)軟啟動，電機(jī)啟動電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于額定電流，啟動時間相應(yīng)延長，對電網(wǎng)無大的沖擊，減輕了起動機(jī)械轉(zhuǎn)矩對電機(jī)機(jī)械損傷，有效的延長了電機(jī)的使用壽命。
5、提高功率因數(shù)
電壓源型變頻器功率因數(shù)可達(dá)0.96,采用變頻調(diào)速系統(tǒng)后，無需無功補(bǔ)償裝置就能滿足電網(wǎng)要求。不但提高了廠變及其它相關(guān)電氣設(shè)備的利用率、而且節(jié)約了線路能量損失，節(jié)約了經(jīng)費，可謂一舉多得。
6、完善的故障診斷和保護(hù)功能
變頻器具備對電機(jī)和變頻器本身完善的保護(hù)功能，如過熱、過載、過流、過壓、缺相、接地等，從而避免設(shè)備在不正常狀態(tài)下長時間運行，保證設(shè)備不至于損壞。并且，故障信息可以準(zhǔn)確地指示故障點，變頻器使用說明書中還有引起故障的原因及排除故障的措施，極大地方便了維護(hù)人員排查故障。
曹啟申，男，1977年6月出生，籍貫：安徽淮北，畢業(yè)于淮南工業(yè)學(xué)院電氣自動化專業(yè)，現(xiàn)任機(jī)運事業(yè)部電氣主管，工程師，從事四大件電氣技術(shù)維護(hù)、管理工作。
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