摘 要：介紹了大功率高壓變頻器在主扇風機中應用的設計方案、調速原理及應用情況，通過應用實現了主扇風機的變頻調速，達到了提高風機啟動性能與節約電能的目的。

　　關鍵詞：大功率高壓變頻器；主扇風機；應用

　　漳村煤礦西風井主扇風機是礦通風系統的命脈，由2臺沈陽發動機研究所風機廠生產的AGF一606—2．442—1．2—2型軸流式風機和JRl510—8型電機組成，功率為475kW，轉速750r／min，電壓為6000V，啟動方式為高開串頻敏電阻啟動，啟動電流大，對電機的沖擊較大。主扇風機啟動后以工頻方式運行，無法根據井下用風量的改變調節風量，電能的浪費現象較為嚴重。因此在2007年9月對西風井1＃主扇風機進行了變頻控制改造，在系統主回路中接人北京康得新電科技有限公司生產的Diamond—HV一06／600型高壓變頻器一套，控制1＃主扇風機，并于2007年9月30日完成了變頻器調試工作，風機啟動時實現了平滑啟動，變頻器帶井下負荷，正式投入運行。

　　1 異步電動機的變頻調速原理

　　異步電動機的變頻調速是通過改變定子供電頻率廠來改變同步轉速而實現調速的，在調速中從高速到低速都可以保持較小的轉差率，因而消耗轉差功率小，效率高，是異步電動機的最為合理的調速方法。

　　由公式n=6Of/p（1一s）（其中：n為電機轉速；f為頻率；P為電機的極對數；s為轉差率）可以看出，若均勻地改變供電頻率f，即可平滑地改變電動機的同步轉速。異步電動機變頻調速具有調速范圍寬、平滑性較高、機械特性較硬的優點，目前變頻調速已成為異步電動機最主要的調速方式，在很多領域都獲得了廣泛的應用。

　　變頻調速具有如下顯著的優點：

　　1） 由設備設計余量而導致“大馬拉小車”現象，因電機定速旋轉不可調節，這樣運行自然浪費很大，而變頻調節徹底解決了這一問題；

　　2） 由負載檔板或閥門調節導致的大量節流損失，在變頻后不再存在；

　　3） 某些工況負載需頻繁調節，而檔板調節線性太差，跟不上工況變化速度，故能耗很高，而變頻調節響應極快，基本與工況變化同步；

　　4） 異步電動機功率因數由變頻前的0．85左右提高到變頻后的0．95以上；

　　5） 可實現零轉速啟動，無啟動沖擊電流，從而降低了啟動負載，減輕了沖擊扭振；

　　6） 高壓變頻器本身損耗極小，整機效率在97％ 以上。

　　2 設備的選型與方案設計

　　2．1 設備選型

　　過去電動機變頻調速采用高一低變頻方式來調速，變頻器為低壓變頻器，采用輸入降壓變壓器，先把電網電壓降低，然后采用一臺低壓變頻器實現變頻；對于電機，則有兩種辦法，一種辦法是采用低壓電機；另一種辦法，則是仍采用原來的高壓電機，需要在變頻器和電機之間增加一臺升壓變壓器，即高一低一高變頻方式。這是當時高壓變頻技術未成熟時的一種過渡技術。這種做法由于采用低壓變頻器，容量也比較小，對電網側的諧波較大。現在高壓變頻器的技術已經成熟，經過研究決定采用一次性解決方案，直接采用高壓變頻器對主扇通風機進行變頻控制改造。經過多方比較性價比，選用了北京康得新電科技有限公司生產的Diamond—HV一06／600型高壓變頻器一套，首先在礦西風井1＃主扇風機上應用，待應用成熟后再進行推廣。

　　2．1．1 Diamond—HV一06／600型高壓變頻器技術參數

　　變頻器容量：600 kVA；

　　適配電機功率：475 kW；

　　輸入頻率：45～55 Hz；

　　額定輸入電壓：6 kV土10％ ；

　　輸入功率因數：0．95（>20％負載）；

　　變頻器效率：額定負載下>0．96；

　　輸出頻率范圍：0～60 Hz；

　　輸出頻率分辨率：0．01 Hz；

　　運行環境溫度：一10～40°；

　　冷卻方式：強制風冷。

　　2．1．2 高壓變頻器性能特點

　　1） 高壓變頻調速系統采用直接“高一高”變換形式，為單元串聯多電平拓撲結構，主體結構有多組功率模塊并聯而成。

　　2） 變頻裝置控制采用LED鍵盤控制和人機界面控制兩種控制方式，兩種方式互為備用，兩種方式從就地界面上可以進行增、減負荷，開、停機等操作。裝置保留至少一年的故障記錄。

　　3） 變頻器能提供兩種通訊功能：標準的RS一485和有觸摸屏處理器擴展的通訊接口。

　　4） 在20％ ～100％ 的調速范圍內，變頻系統在不加任何功率因數補償的情況下，本機輸入端功率因數達到0．95。

　　5） 變頻裝置對輸出電纜的長度無任何要求，變頻裝置保護電機不受共模電壓及dV／dt應力的影響。

　　6） 變頻裝置輸出電流諧波不大于2％，符合IEEE 519 1992及我國供電部門對電壓失真最嚴格的要求，高于國標GB14549—93對諧波失真的要求。變頻裝置輸出波形不會引起電機的諧振，轉矩脈動小于0．1％ 。

　　7） 變頻裝置對電網反饋的電流諧波不大于4％ ，符合IEEE 519 1992及我國供電部門對電壓失真最嚴格的要求，高于國標GB14549—93對諧波失真的要求。

　　8） 變頻裝置對電網電壓的波動有較強的適應能力，在一10％ ～+10％ 電網電壓波動時必須滿載輸出，可以承受30％的電網電壓下降，而降額繼續運行，能滿足煤礦的電壓大幅波動的要求。

　　9） 變頻裝置設以下保護：過電壓、過電流、欠電壓、缺相保護、短路保護、失速保護、變頻器過載、電機過載保護、半導體器件的過熱保護、瞬時停電保護等，聯跳至輸入側6kV開關。保護的性能符合國家有關標準的規定。并提供故障、斷電、停機等報警。

　　10） 變頻裝置帶故障自診斷功能，對所發生的故障類型及故障位置提供中文指示，就地顯示，便于運行人員和檢修人員辨別和解決所出現的問題。變頻裝置有對環境溫度的監控，當溫度超過變頻器允許的環境溫度時，變頻器提供報警。

　　11） 系統可在電子噪聲，射頻干擾及振動的環境中連續運行，能滿足國家標準對電磁兼容的規定。

　　2．2 主扇風機變頻控制改造方案

　　2．2．1 高壓變頻器主回路接線

　　變頻裝置與主扇風機的連接方式如圖1所示。DL為主扇風機6kV開關；K1、K2、K3為變頻裝置隔離刀閘，K3為工頻刀閘，K1、K2為變頻刀閘；6kV電源經變頻裝置輸入刀閘K1到高壓變頻裝置，變頻裝置輸出經出線刀閘K2送至電動機；6kV電源還可以經旁路刀閘K3后直接啟動電動機。進出線刀閘（K1、K2）和旁路刀閘（K3）的作用是：一旦變頻裝置出現故障，即可馬上斷開進出線刀閘，將變頻裝置隔離，手動合旁路刀閘，在工頻電源下啟動電機運行。

　　2．2．2 工作方式

　　系統的工作方式變為原主扇風機系統采用兩臺風機一用一備方式運行，現在把其中1風機改為變頻拖動方式，另外一臺風機系統保持原運行方式不變。變頻裝置采用了工頻變頻切換的旁路柜，保證了在變頻裝置故障情況下直接倒閘操作進入工頻運行方式，切換速度快，完全可滿足在10min內啟動風機的要求，確保生產運行不受影響。并且反風比以前操作簡單可靠，完全可滿足10min內實現反風的要求。

　　3 變頻器調速功能的實現

　　3．1 高壓變頻器的調速原理

　　高壓變頻裝置為交一直一交電壓源型變頻調速系統，變頻器輸出的電流波形非常接近于理想正弦波形，對電網有害的諧波分量低，可通過改變調制波的頻率和幅值來調節逆變器輸出電壓的頻率和幅值。

　　6kV高壓變頻器每相為三單元疊加。每單元直流電壓1800V，每單元最高輸出交流電壓1275V。整流逆變功率單元結構電路，見圖2。

　　經二極管全橋整流，電容濾波，SPWM方式控制IGBT逆變輸出，見圖3。

　　疊加后的變頻器輸出頻率與幅值可調的正弦波線電壓，對電機實現變頻調速控制。二極管整流電路在整個運行范圍內都有較高的功率因數，由于直流環節濾波電容的存在，負載所需的無功電流可以在逆變功率器件的開關周期內通過續流二極管瞬時由濾波電容提供，所以一般不會反映到整流器輸入側，導致輸入功率因數較高。

　　3．2 高壓變頻器如何在風機的高效區進行調速

　　在現有條件下風機廠家提供的風機運行轉速范圍為：①n<213r／min；②，n>732r／min；③406r／min<n<480r／rain。
　　風機的轉速可調范圍小，變頻控制改造的意義不大，經與風機廠家協商，若對風機進行一些小的改動，將前支板數增加2塊，可將轉速范圍擴大到：①n>580 r／min；②，n<500 r／min。

　　為保證風機運行的可靠性，首先將1＃風機風葉保持在原角度（0°角）運行，變頻器運行在工頻狀態下。待運行一段時間，變頻器運行穩定可靠后，再增加風機前支板數2塊，然后將風機調至大角度（5°角或10°角）運行。變頻器可進行調頻，降低頻率運行，根據井下用風量的大小實現風機的變頻控制運行，并使風機保持在高效區運行，提高風機的運行效率。

　　4 應用情況

　　在2007年9月30日對風機進行了調試，調試時使風機在0°角與5°角兩種狀態下運行，在0°角風機仍在工頻狀態下運行，未起到調節風量的作用，但電機實現了零轉速啟動，無啟動沖擊電流，從而降低了啟動負載，減輕了沖擊扭振，減少了對電網的沖擊。系統的功率因數提高，電網輸入電流下降，減少了線路上的電能損耗，風機振動也有所下降。

　　當將風機風葉角度調至5°角運行時，變頻器進行調頻，變頻器頻率降低至41．5Hz運行可滿足井下用風量要求，與風機變頻控制前運行參數對比如表1。

　　為保證風機運行的可靠性，現西風井1＃風機風葉保持在原角度（0°角）運行，變頻器運行在工頻狀態下。待運行一段時間，變頻器運行穩定可靠后，再增加風機前支板數2塊，然后，將風機調至大角度（5°角或10°角）運行。變頻器可進行調頻，降低頻率運行，根據井下用風量的大小實現風機的變頻控制運行，并使風機保持在高效區運行，提高風機的運行效率。

　　由此可見風機實現變頻運行后，風機的啟動性能得到改善，風機振動降低，電機功率因數明顯提高，風機效率明顯提高，電機運行電流下降，電能消耗明顯降低，實現了節能效果。

　　采用變頻調速實現了以下功能：①實現主扇風機的平滑啟動與無級變頻調速，提高風機效率；②根據井下需要調節風量與節約電能；③實現風機可在工頻與變頻工作方式之間的快速切換。

　　5 經濟效益分析

　　高壓變頻器的節電率一般為30％左右，西風井1＃主扇風機一年運行按照180d（1＃、2＃風機倒換運行）計算，一天運行24h，則一年節約電能為：475×30％×24×180=615600kW·h。

　　每度電按照0．5元計算，一年可節約資金：0．5×615600=307800元。

　　6 結語

　　在潞安集團公司范圍內，主扇風機成功應用高壓變頻器這是第一次，在中國煤炭行業，礦用通風機高壓變頻改造也不多見。實際應用表明，高壓變頻器應用于煤礦主扇風機的系統改造，必將取得良好的運行效果和經濟效益。而推廣使用變頻器在煤礦行業進行改造，節約能源的效果將是非常可觀的。