1 引言
山西三元煤業(yè)股份有限公司是由山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)有限公司控股的股份制企業(yè)，全國煤企百強(qiáng)企業(yè)，生產(chǎn)能力為345萬噸/年。山西三元煤礦礦井主扇風(fēng)機(jī)擔(dān)負(fù)著整個(gè)礦井的通風(fēng)任務(wù)，要求安全穩(wěn)定性極高，因?yàn)轱L(fēng)機(jī)一旦停機(jī)，短時(shí)間內(nèi)就將造成全礦無法正常生產(chǎn)。控制方式采用調(diào)節(jié)風(fēng)門開度的大小來調(diào)整風(fēng)量，這樣，不論生產(chǎn)的需求大小，風(fēng)機(jī)都要全速運(yùn)轉(zhuǎn)，而運(yùn)行工況的變化則使得能量以風(fēng)門節(jié)流損失消耗掉了。不僅控制精度受到限制，而且還造成大量的能源浪費(fèi)和設(shè)備損耗，從而導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加，設(shè)備使用壽命縮短，設(shè)備維護(hù)、維修費(fèi)用高居不下，針對這種情況，礦領(lǐng)導(dǎo)經(jīng)過論證，最后決定選用山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的jd-bp37系列的高壓變頻調(diào)速器2套系統(tǒng)對1#、2#主扇風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻改造，監(jiān)控系統(tǒng)采用濟(jì)南辰洋自動化有限公司設(shè)計(jì)的在線監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)行升級換代，改造達(dá)到了預(yù)期目的。

2 變頻改造前存在的問題
（1）原工況為使用的是轉(zhuǎn)子串頻敏電阻啟動方式，啟動不穩(wěn)定，造成了大的機(jī)械沖擊，導(dǎo)致電機(jī)壽命大大降低。
（2）轉(zhuǎn)子串電阻啟動時(shí)，控制系統(tǒng)復(fù)雜，故障率高，接觸器、電阻器等容易損壞，維護(hù)工作量大。
（3）啟動時(shí)電流過大，對電網(wǎng)沖擊很大，影響電網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。
（4）主扇風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)上余量大，風(fēng)機(jī)一直處在較輕負(fù)載下運(yùn)行，由于采用檔板調(diào)節(jié)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率低下，造成能源浪費(fèi)。
（5）自動化程度低，風(fēng)機(jī)各項(xiàng)參數(shù)監(jiān)測不完全，影響煤礦供風(fēng)系統(tǒng)安全。

3 現(xiàn)場情況簡介
現(xiàn)場1#、2#主扇風(fēng)機(jī)型號相同，現(xiàn)場1#風(fēng)機(jī)電動機(jī)及風(fēng)機(jī)參數(shù)如表1、表2所示。

表1 電動機(jī)參數(shù)

表2 風(fēng)機(jī)參數(shù)

表3 風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)記錄表

4 風(fēng)光jd-bp37系列高壓變頻系統(tǒng)工作原理
山東新風(fēng)光是國家高新技術(shù)企業(yè)，生產(chǎn)的風(fēng)光牌jd-bp37系列高壓變頻器是“中國名牌產(chǎn)品”，jd-bp37系列高壓變頻器以高速dsp為控制核心，采用無速度矢量控制技術(shù)、功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)，屬高-高電壓源型變頻器，其諧波指標(biāo)遠(yuǎn)小于iee519-1992的諧波標(biāo)準(zhǔn)，輸入功率因數(shù)高，輸出波形質(zhì)量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數(shù)補(bǔ)償裝置和輸出濾波器；不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，可以使用普通的異步電機(jī)。
風(fēng)光牌高壓變頻器由移相變壓器，功率單元和控制器組成。前端由一個(gè)多繞組的隔離移相變壓器供電，變壓器次級共有15組付邊繞組，變頻器每相由功率單元串接組成，每相5個(gè)功率單元，三相共15個(gè)單元。每個(gè)功率單元完全一樣，可以互換。假如一單元發(fā)生故障，該單元的輸出端能自動通過晶閘管旁路，不影響整機(jī)的連續(xù)運(yùn)行。輸出側(cè)由每個(gè)單元的兩個(gè)輸出端子相互串接而成，三相星型接法輸出給電機(jī)供電。控制器部分以高速微處理器實(shí)現(xiàn)控制以及與子微處理器間進(jìn)行通信。
控制器核心由高速dsp運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)，精心設(shè)計(jì)的算法可以保證電機(jī)達(dá)到最優(yōu)的運(yùn)行性能。人機(jī)界面提供友好的全中文監(jiān)控和操作界面，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制。控制器用于柜體內(nèi)開關(guān)信號的邏輯處理，以及與現(xiàn)場各種操作信號和狀態(tài)信號的協(xié)調(diào)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。
控制器及各控制單元板中采用dsp和fpga等大規(guī)模集成電路和表面焊接技術(shù)，系統(tǒng)具有極高的可靠性。
控制器與功率單元之間采用多通道光纖通訊技術(shù)，系統(tǒng)具有極高的安全性和可靠性，同時(shí)具有很好的抗電磁干擾能力。并且各個(gè)功率單元的控制電源采用一個(gè)獨(dú)立于高壓系統(tǒng)的統(tǒng)一控制器，方便了調(diào)試、維修、現(xiàn)場培訓(xùn)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。
本機(jī)中移相變壓器的副邊繞組分為三組，采用30脈沖整流方式。這種多級移相疊加的整流方式可以大大改善網(wǎng)側(cè)的電流波形，使其負(fù)載下的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1，輸入電流諧波成分低，實(shí)測輸入電流總諧波成分小于2%。
系統(tǒng)主回路原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)主回路原理圖

5 變頻控制改造方案
為了滿足安全生產(chǎn)，選用兩套6kv變頻調(diào)速器分別對1#、2#主扇風(fēng)機(jī)一拖一控制，一用一備，并且每套變頻裝置通過切換，可以在變頻器故障狀態(tài)下，切換到工頻狀態(tài)運(yùn)行，1#、2#控制原理圖一樣，其中1#主扇風(fēng)機(jī)變頻改造主回路如圖2所示。

圖2 1#主扇風(fēng)機(jī)變頻改造主回路圖

qs1、qs2、qs3為三臺高壓隔離閘刀，qs1、qs3處于變頻運(yùn)行回路上，km1、km2為變頻上電瞬間實(shí)現(xiàn)限流電阻切換時(shí)所用，k10為用戶工、變頻轉(zhuǎn)換改造時(shí)加的一個(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)。變頻運(yùn)行時(shí)，qs1、qs3閉合，qs2斷開，k10打到變頻位置；變頻上電后，通過內(nèi)部程序km2會自動吸合將限流電阻引入主回路以消除大電流沖擊，上電3s后，km1吸合，km2斷開變頻可以投入運(yùn)行。工頻運(yùn)行時(shí)，qs1、qs3斷開，qs2閉合，k10打到工頻位置，實(shí)現(xiàn)原來的串電阻啟動方式。
這是高壓變頻器工變頻手動切換的典型應(yīng)用，qs1、qs2、qs3不能同時(shí)閉合，這三個(gè)閘刀在機(jī)械和電氣上都實(shí)現(xiàn)了互鎖。
另外，為了安全，變頻故障信號和上一級的高壓開關(guān)柜也實(shí)現(xiàn)互鎖，實(shí)現(xiàn)高壓故障連跳功能。

6 三元煤業(yè)礦井主扇風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)
本工程對山西三元煤業(yè)股份有限公司1#、2#通風(fēng)機(jī)房電控系統(tǒng)進(jìn)行改造，通過對通風(fēng)機(jī)房的風(fēng)機(jī)及相應(yīng)的電機(jī)、進(jìn)出口風(fēng)道、閥門等裝置實(shí)施自動控制及運(yùn)行參數(shù)自動檢測、動態(tài)顯示，可實(shí)現(xiàn)在10min內(nèi)主備用風(fēng)機(jī)間自動切換或反風(fēng)運(yùn)行，并將數(shù)據(jù)傳送到地面生產(chǎn)調(diào)度中心，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、控制及報(bào)警顯示。
本系統(tǒng)以煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“煤礦用主要通風(fēng)機(jī)現(xiàn)場性能參數(shù)測定方法”為依據(jù)，結(jié)合三元煤業(yè)主扇機(jī)房的現(xiàn)場情況與要求，應(yīng)用工業(yè)計(jì)算機(jī)檢測技術(shù)對通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)在線測量與處理，以多種方式提供通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的各種數(shù)據(jù)，保障通風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行和方便通風(fēng)機(jī)的性能測試，并為多種功能擴(kuò)充提供方便的條件。
6.1 系統(tǒng)的工作原理
該系統(tǒng)以作為上位機(jī)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為核心，配以下位機(jī)西門子s7-200系列的plc為中心的各種外圍設(shè)備組成，在wincc組態(tài)軟件的控制下，完成數(shù)據(jù)的采集、分析等工作，以圖表等多種形式顯示在顯示器上。
各監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集過程主要指電氣參數(shù)、風(fēng)壓、風(fēng)量、風(fēng)機(jī)振動、電機(jī)的軸承溫度、繞組溫度等風(fēng)機(jī)參數(shù)的監(jiān)測。
現(xiàn)介紹一下電氣參數(shù)的監(jiān)測過程：
電氣參數(shù)指配套變頻裝置的輸入電流、輸入電壓、輸出電流、輸出電壓等。此類參數(shù)由配套變頻裝置中的plc提供,以通訊的形式獲取。
電氣參數(shù)的監(jiān)測過程原理框圖如圖3所示：
三元煤業(yè)通風(fēng)運(yùn)行監(jiān)測dcs如圖4所示。

圖3 電氣參數(shù)的監(jiān)測原理框圖

圖4 三元煤業(yè)通風(fēng)運(yùn)行監(jiān)測dcs圖

6.2 系統(tǒng)的優(yōu)越性
（1）實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動化采集，改變了過去靠人工測量獲取數(shù)據(jù)的方式，大大提高了工作效率。
（2）實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)報(bào)表的自動生成，可方便的查閱實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，從而掌握主扇風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)。
（3）實(shí)現(xiàn)了過程數(shù)據(jù)的自動歸檔，可供各部門按需調(diào)閱各個(gè)時(shí)期各個(gè)監(jiān)測量的歷史數(shù)據(jù)值，從而制定相應(yīng)的工作計(jì)劃。
（4）實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)異常時(shí)的自動報(bào)警，當(dāng)監(jiān)測值超過設(shè)定范圍時(shí)，系統(tǒng)會通過畫面報(bào)警和警鈴振動報(bào)警相結(jié)合的方式，提醒值班人員及時(shí)處理異常情況。并可根據(jù)報(bào)警的嚴(yán)重程度，通過事先編寫的程序使通風(fēng)主扇做出自動切換備用設(shè)備等應(yīng)急反應(yīng)。
（5）系統(tǒng)可納入全礦的監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的全礦共享，并能通過授權(quán)的方式，實(shí)現(xiàn)更高級別監(jiān)控系統(tǒng)對本系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。

7 現(xiàn)場應(yīng)用情況
三元煤業(yè)主扇風(fēng)機(jī)選用型號jd-bp37-280f風(fēng)光變頻器2套和濟(jì)南辰洋公司設(shè)計(jì)的主扇風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)，于2008年12月20日開始安裝調(diào)試，2008年12月28日變頻器、在線監(jiān)控系統(tǒng)一次性投運(yùn)成功。至今運(yùn)行正常。變頻運(yùn)行后，風(fēng)門全部打開，不僅完全滿足煤礦生產(chǎn)工藝要求，而且用戶操作非常方便。監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程監(jiān)測的可視化管理，使整個(gè)過程直觀、生動，提高了主扇風(fēng)機(jī)各項(xiàng)參數(shù)的監(jiān)控水平。
7.1 節(jié)能計(jì)算
煤礦節(jié)能服務(wù)中心2010年8月25日對1#主扇風(fēng)機(jī)進(jìn)行了測試，變頻運(yùn)行時(shí)風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)記錄如表3所示。
按工頻和變頻運(yùn)行實(shí)際電流計(jì)算，計(jì)算工頻數(shù)據(jù)取2007年技術(shù)測定：
1#主扇風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)，風(fēng)門開度為2m左右，運(yùn)行電流在32a，電網(wǎng)電壓6kv。
工頻運(yùn)行時(shí)功率：
p1=1.732×6×32×0.8=266.03kw。
變頻器運(yùn)行時(shí)，風(fēng)門全開，運(yùn)行電流在20.2a，由變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)速度來滿足風(fēng)量要求。
變頻運(yùn)行時(shí)功率：
p2=1.732×6×20.2×0.95=199.42kw。
節(jié)電率：
(p1－p2)/p1=(266.03－199.42)/266.03=25%。
1#主扇風(fēng)機(jī) 年節(jié)約電費(fèi)計(jì)算：
以該礦電價(jià)0.6元/ kw·h計(jì)算，工頻24h耗電費(fèi)：
266.03×24×0.6=3830.9元。
變頻24h耗電費(fèi)：
199.42×24×0.6=2871.7元。
變頻改造后，日節(jié)約電費(fèi)：
3830.9－2871.7=959.2元。
一年以300天為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，1#主扇風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)年節(jié)約電費(fèi)：
959.2×300=287760元。
7.2 其他效益
（1）實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動，減小啟動沖擊，降低維護(hù)費(fèi)用，延長設(shè)備使用壽命。
（2）系統(tǒng)安全、可靠，具有變頻故障轉(zhuǎn)工頻功能，確保風(fēng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行。
（3）控制方便、靈活，自動化水平高。
（4）輸入諧波含量小，不對電網(wǎng)造成污染；輸出諧波含量低。
（5）監(jiān)控界面全為純中文操作，操作簡單，使用方便。
（6）保護(hù)功能齊全，除了過壓、過熱、過載、短路等自身保護(hù)功能外，還設(shè)有外圍連鎖保護(hù)系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。

8 結(jié)束語
三元煤業(yè)公司通過對礦用主扇風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能改造，提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率，取得了顯著的節(jié)能效果，可以對風(fēng)機(jī)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，既節(jié)約了能源，又滿足了生產(chǎn)工藝要求，并且大大減少了設(shè)備維護(hù)、維修費(fèi)用，提高了風(fēng)機(jī)設(shè)備運(yùn)行的監(jiān)控水平，社會效益和經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。

作者簡介
張斌 高級工程師，任山西三元煤業(yè)股份有限公司機(jī)電科長。

參考文獻(xiàn)
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[3] 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)調(diào)試大綱.山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司.
[4] 三元煤業(yè)煤礦主扇風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)手冊. 濟(jì)南辰洋自動化有限公司.

作 者：山西三元煤業(yè)股份有限公司 張 斌