引言
節(jié)能降耗已成為我國的基本國策。煤礦企業(yè)既是產(chǎn)能大戶，又是耗能大戶，許多煤礦企業(yè)都非常重視高耗能用電設(shè)備的節(jié)能技改工作。特別是主通風(fēng)機(jī)，設(shè)備功率大、24 h不停運(yùn)轉(zhuǎn)。由于煤礦特殊的工藝要求，該設(shè)備存在很大的節(jié)能空問。在滿足礦井的通風(fēng)需要的同時(shí)，又實(shí)現(xiàn)最大程度的節(jié)能，本文通過闡述對(duì)山西某大型煤礦企業(yè)礦井主通風(fēng)機(jī)采用高壓變頻改造，選用功率單元串聯(lián)多電平高壓變頻器，實(shí)現(xiàn)了主通風(fēng)機(jī)的電能節(jié)約和風(fēng)量無級(jí)自動(dòng)調(diào)節(jié)。
一、設(shè)備的工況和節(jié)能要求
1 、設(shè)備參數(shù)
煤礦企業(yè)主通風(fēng)機(jī)為南陽防爆集團(tuán)生產(chǎn)的2臺(tái)防爆對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)主要參數(shù)如下：
型號(hào) BDK65—10一N026
| 電動(dòng)機(jī)額定功率／kW | 2 x 800 |
| 負(fù)壓／Pa | 3077～120 |
| 風(fēng)量／m •s | 60～150 |
| 額定轉(zhuǎn)速／r-min | 990 |
| 額定電壓／V | 10000 |
| 額定電流／A | 2x 56.3 |
| 絕緣等級(jí) | F級(jí) |
2 、運(yùn)行情況
2臺(tái)對(duì)旋風(fēng)機(jī)互為備用，單臺(tái)電機(jī)運(yùn)行電流在43 A左右，該風(fēng)機(jī)月用電量在63萬kWh以上。
3 、對(duì)設(shè)備節(jié)能的具體要求
根據(jù)礦井具體情況，確定了采用變頻方式進(jìn)行技術(shù)改造。
(1)在不影響通風(fēng)量的前提下，變頻設(shè)備應(yīng)大幅度降低原用電設(shè)備(指的是煤礦主通風(fēng)機(jī))的電能，節(jié)電量要在20％ 以上。
(2)在不降低的基礎(chǔ)上，能夠提高原用電設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性。
(3)變頻設(shè)備自身的使用壽命長，損耗低，日常維護(hù)量少。同時(shí)能夠降低原用電設(shè)備的維護(hù)量。
(4)變頻設(shè)備操作方便、不改變?cè)秒娫O(shè)備操作工的操作習(xí)慣。操作工在簡單培訓(xùn)后就可以熟練操作變頻設(shè)備。
(5)為了滿足未來煤礦的發(fā)展需要，變頻設(shè)備容量留有一定的富裕。
二、改造方案的確定
經(jīng)過論證分析，確定了采用功率單元串聯(lián)多電平型高壓變頻器根據(jù)井下負(fù)壓值連續(xù)控制主通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量的節(jié)能方案，利用1臺(tái)變頻器同時(shí)拖動(dòng)1臺(tái)對(duì)旋風(fēng)機(jī)的2臺(tái)電機(jī)，2臺(tái)對(duì)旋風(fēng)機(jī)可以分時(shí)使用變頻。
1 、風(fēng)量調(diào)節(jié)方式的選擇
礦井生產(chǎn)過程中，井下對(duì)風(fēng)量的需求和通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)特性經(jīng)常發(fā)生變化，需要經(jīng)常調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)以適應(yīng)生產(chǎn)要求。《煤礦安全規(guī)程》對(duì)煤礦井下的通風(fēng)量有具體規(guī)定，小了不能滿足要求，大了會(huì)使采煤工作面粉塵加劇而且浪費(fèi)能源，操作工人通過觀察井下的負(fù)壓值高低來判斷風(fēng)量是否適合。
原系統(tǒng)主通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量調(diào)節(jié)主要是改變?nèi)~片安裝角度和節(jié)流調(diào)節(jié)，但是節(jié)流調(diào)節(jié)會(huì)造成能源浪費(fèi)；改變?nèi)~輪葉片安裝角度一方面需停機(jī)操作，另一方面也會(huì)使風(fēng)機(jī)效率發(fā)生變化，通常需調(diào)節(jié)的幅度較大時(shí)才采用。只有根據(jù)負(fù)壓值變化自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方式不改變風(fēng)機(jī)的效率，在各個(gè)工況點(diǎn)實(shí)現(xiàn)不停機(jī)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)高效狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)。
2 、調(diào)速方式的選擇
(1)液力耦合器在電機(jī)和負(fù)載之間串人一個(gè)液力耦合裝置，通過液面的高低調(diào)節(jié)電機(jī)和負(fù)載之間耦合力的大小，實(shí)現(xiàn)負(fù)載的速度調(diào)節(jié)。這種調(diào)速方法實(shí)質(zhì)上是轉(zhuǎn)差功率消耗型的做法，其主要缺點(diǎn)是隨著轉(zhuǎn)速下降效率越來越低，并且維護(hù)工作量大。
(2)串級(jí)調(diào)速 串級(jí)調(diào)速必須采用繞線式異步電動(dòng)機(jī)，將轉(zhuǎn)子繞組的一部分能量通過整流、逆變?cè)偎突氐诫娋W(wǎng)，而現(xiàn)在工業(yè)現(xiàn)場幾乎都采用鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，更換電機(jī)非常麻煩。這種調(diào)速方式的調(diào)速范圍一般在70％ ～95％，調(diào)速范圍窄。容易造成對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，功率因數(shù)低；串級(jí)調(diào)速電機(jī)受轉(zhuǎn)子滑環(huán)的影響，大功率無法實(shí)現(xiàn)；滑環(huán)維護(hù)工作量大；屬于落后技術(shù)。
(3)變頻調(diào)速方式(根據(jù)公式n=60f(1一s)／P)通過高壓變頻器改變電源頻率來調(diào)節(jié)三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種調(diào)速方式調(diào)速范圍寬、設(shè)備使用壽命長、自身能耗低、日常維護(hù)量少。缺點(diǎn)是設(shè)備造價(jià)比較高，但是隨著高壓變頻器大規(guī)模的推廣，其造價(jià)正在逐步降低。通過以上分析可見高壓變頻方式最為合適。
3 、高壓變頻器種類的選擇
高壓變頻技術(shù)由于現(xiàn)有的電力電子器件耐壓不足，所以每臺(tái)產(chǎn)品均需要使用大量的電力電子器件。這些器件組合的多樣性，使得高壓變頻電路組合也很多，當(dāng)前常用的高壓變頻器主要有以下幾類技術(shù)
方案：
(1)高低高方式
即變頻器為低壓變頻器，采用輸入降壓變壓器，先把電網(wǎng)電壓降低，然后采用1臺(tái)低壓變頻器實(shí)現(xiàn)變頻；對(duì)于電機(jī)，則有2種辦法：①改用低壓電機(jī)；②仍采用原來的高壓電機(jī)，需要在變頻器和電機(jī)之間再增加1臺(tái)升壓變壓器，即高一低一高變頻方式。這種做法由于采用低壓變頻器，容量也比較小，對(duì)電網(wǎng)側(cè)的諧波較大。
(2)三電平電壓型高壓變頻調(diào)速方式
三電平電壓源型高壓變頻技術(shù)通過獨(dú)特的二極管鉗位(或者其他的鉗位)方法，可以使系統(tǒng)的輸出電壓增加一個(gè)電平，與兩電平相比較，這種方式的相電壓可以有3個(gè)電平輸出，故稱為三電平。同時(shí)每個(gè)電力電子器件所承受的耐壓只有直流母線電壓的一半，所以采用這種方式，可以使電力電子器件的耐壓要求降低一半，當(dāng)采用一些高壓的全控型器件，如高壓IGBrI1、IGCT、ⅢCI1、GTO晶閘管時(shí)，可以直接實(shí)現(xiàn)高壓輸出。由于控制上難度較大，這種方法目前應(yīng)用比較少，技術(shù)尚不成熟，所以不采用。
(3)功率單元串聯(lián)式多電平高壓變頻方式
功率單元串聯(lián)式多電平高壓變頻產(chǎn)品是在輸入端設(shè)置1臺(tái)輸入隔離變壓器，將輸入高壓交流電變成多組低壓交流電，每組低壓交流電分別輸入到1個(gè)功率單元，經(jīng)整流濾波為直流電后，再經(jīng)逆變成為交流電，各功率單元的交流信號(hào)在逆變側(cè)串聯(lián)成為高壓交流輸出供給高壓電動(dòng)機(jī)。為了減少輸入諧波，變壓器的每個(gè)二次繞組的相位1次錯(cuò)開1個(gè)角度，形成多脈沖、多重化整流方式。其逆變輸出采用多重PWM方式，輸出諧波非常小。這種方式采用低壓器件實(shí)現(xiàn)高壓變頻輸出，器件無需串聯(lián)，輸入輸出諧波非常小，是一種成熟穩(wěn)定的高壓變頻技術(shù)。
本次改造選用的就是功率單元串聯(lián)式多電平高壓變頻器產(chǎn)品。
4 、控制方式的選擇
由于進(jìn)行的是設(shè)備節(jié)能改造，所以在保證穩(wěn)定性的前提下，成本是優(yōu)先考慮的。一拖二方式在性能上基本與一對(duì)一方式相同，工程造價(jià)上降低50％以上的費(fèi)用。以下是2種方式的介紹：
(1)一對(duì)一的方式
一對(duì)一的方式即變頻器與電機(jī)一對(duì)一方式。由于對(duì)旋風(fēng)機(jī)為2臺(tái)風(fēng)機(jī)首尾相對(duì)放置，那么1臺(tái)對(duì)旋風(fēng)機(jī)就需要2臺(tái)變頻器。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是控制簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定性高。由于4OO kW以下的高壓變頻器原材料成本幾乎一樣，所以這樣的工程造價(jià)將非常大。如果把備用的對(duì)旋風(fēng)機(jī)也全部配齊的話，整個(gè)工程造價(jià)將又翻一倍。
(2)一拖二的方式
一拖二方式就是1臺(tái)變頻同時(shí)拖動(dòng)1臺(tái)對(duì)旋風(fēng)機(jī)的2臺(tái)電機(jī)，2臺(tái)對(duì)旋風(fēng)機(jī)可以分時(shí)使用該變頻器。這種方式缺點(diǎn)是控制系統(tǒng)復(fù)雜，安裝調(diào)試時(shí)間長。但是優(yōu)點(diǎn)是整個(gè)工程造價(jià)低(比一對(duì)一方式降低一半以上費(fèi)用)，設(shè)備使用率高。
三、高壓變頻設(shè)備介紹
通過對(duì)各方面比較，決定采用高壓變頻器對(duì)主通風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造。選用了深圳市英威騰電氣股份有限公司生產(chǎn)CHH100-1600-10的高壓變頻器。
(1)高壓變頻器的主要性能指標(biāo)
| 變頻器容量／kVA | 1900 |
| 輸入頻率／Hz | 0～50 |
| 額定輸入電壓／kV | 10．0(±10％) |
| 輸出頻率范圍／Hz | 一50～+50 |
| 過載能力／％ | 120(1 min)；150立即保護(hù) |
關(guān)于英威騰：
英威騰，成立于2002年，致力于成為全球領(lǐng)先、受人尊敬的電氣傳動(dòng)、工業(yè)控制、新能源領(lǐng)域產(chǎn)品與服務(wù)供應(yīng)商，2010年在深交所A股上市。英威騰是國家火炬計(jì)劃重點(diǎn)高新技術(shù)企業(yè)，總部員工1100多人，國內(nèi)、外辦事處30余個(gè)，控股子公司9家，業(yè)務(wù)涉及電氣傳動(dòng)、工業(yè)自動(dòng)化、新能源、軌道交通牽引、礦用防爆、能源管理、樓宇智能等領(lǐng)域。在基礎(chǔ)業(yè)務(wù)變頻器領(lǐng)域，英威騰占據(jù)國內(nèi)領(lǐng)先地位，擁有覆蓋高、中、低壓通用及各行業(yè)專用豐富的產(chǎn)品系列，產(chǎn)品在市政、塑膠、油田、化工、冶金、紡織、機(jī)床、礦山等行業(yè)廣泛應(yīng)用，產(chǎn)品銷售遍布全球60多個(gè)國家和地區(qū)。
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