三、方案論證

1、北風(fēng)井風(fēng)機(jī)在實(shí)際使用過程中存在的主要問題：

    (1)風(fēng)機(jī)運(yùn)行正常，通風(fēng)機(jī)前導(dǎo)器調(diào)節(jié)葉片角度約為33°，節(jié)流損失很大，存在大量的電能浪費(fèi)現(xiàn)象。

    (2) 調(diào)節(jié)誤差大。通風(fēng)機(jī)較小的角度變化將產(chǎn)生一個(gè)較大的風(fēng)量變化，使運(yùn)行控制比較困難，不能保證最佳運(yùn)行工況。

    2、可行性分析

(1)方案選擇：為了選擇合理的節(jié)能方案，我們調(diào)研和計(jì)算了不同風(fēng)量調(diào)節(jié)方式的功率消耗情況(如圖1)。

圖1  不同風(fēng)量調(diào)節(jié)方法功率消耗曲線

(1—擋板法；2—前導(dǎo)器法；3—液力耦合器；4—繞線電動(dòng)機(jī)切換轉(zhuǎn)子電阻調(diào)速法；5—變頻調(diào)速法。)

由圖1可見，變頻調(diào)速法在現(xiàn)有的幾種風(fēng)量調(diào)節(jié)方法中是最理想、最有效、最節(jié)能的調(diào)節(jié)方法，而孫村煤礦現(xiàn)在使用的前導(dǎo)器法，功率消耗僅次于擋板法，節(jié)能空間較大。

(2)效益測算：應(yīng)用變頻調(diào)速，可以大大提高電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制精度，使電機(jī)在最節(jié)能的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。根據(jù)流體力學(xué)原理，軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。當(dāng)所需風(fēng)量減少，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，其功率按轉(zhuǎn)速的三次方下降。因此，精確調(diào)速的節(jié)電效果非?？捎^。測算如下：

1#風(fēng)機(jī)的軸功率為796kW，入口導(dǎo)葉的角度為33.75°，實(shí)際流量132.86 m3/s。流量的百分比為：132.86/189=70.3%，因?qū)嶋H的測算可能有誤差，估計(jì)流量百分比在70.3%～80%之間，按著80%保守計(jì)算，通過查表，得出功率減少約20%，因工況的變化，估計(jì)節(jié)能點(diǎn)在15%～25%之間，節(jié)約功率，796×（0.15～0.25）=119.4～199kW。

2#風(fēng)機(jī)的軸功率為761kW，入口導(dǎo)葉的角度為33.75度，實(shí)際流量129.94 m3/s。流量的百分比為：129.94/189=68.8%，因?qū)嶋H的測算可能有誤差，估計(jì)流量百分比在68.8%～80%之間，按著80%保守計(jì)算，通過查表，得出功率減少約20%，因工況的變化，估計(jì)節(jié)能點(diǎn)在15%～25%之間，節(jié)約功率，761×（0.15～0.25）=114.15～190.25kW。

預(yù)計(jì)節(jié)電為120～190kW左右，按著電費(fèi)為0.58元/度，一年365天計(jì)算，（120～190）×24×365×0.58=60.9～96.5萬元。變頻改造預(yù)計(jì)投資170萬元，投資回收期為1.76～2.79年之間。

四、現(xiàn)場應(yīng)用

1、根據(jù)要求，設(shè)計(jì)方案一次回路如下圖所示：

在原來設(shè)備的基礎(chǔ)上，增加變頻器（HIVERT-Y06/154）一臺(tái)，增加自動(dòng)切換柜兩臺(tái)2#、3#，增加高壓電源柜1#（采用真空斷路器和微機(jī)保護(hù)等）一臺(tái)。

2、運(yùn)行方式：

①變頻器運(yùn)行1#風(fēng)機(jī)：DL1閉合，DL12閉合，DL11斷開，KM1閉合，DL22斷開。

②變頻器運(yùn)行2#風(fēng)機(jī)：DL1閉合，DL12斷開，DL21斷開，KM2閉合，DL22閉合。

③工頻運(yùn)行1#風(fēng)機(jī)：DL12斷開，DL11閉合，KM1受原系統(tǒng)控制。

④工頻運(yùn)行2#風(fēng)機(jī)：DL22斷開，DL21閉合，KM2受原系統(tǒng)控制。

3、現(xiàn)場技術(shù)參數(shù)

4、變頻器選型及性能特性

根據(jù)現(xiàn)場情況，選擇北京合康億盛科技有限公司的高壓變頻器HIVERT-Y06/154和HIVERT-Y06/192。變頻器的主要技術(shù)參數(shù)如下：

(1)主要技術(shù)性能指標(biāo)

(2)HIVERT變頻器的主要優(yōu)勢及特點(diǎn)

變頻器采用先進(jìn)的功率單元串聯(lián)疊波技術(shù)，空間矢量控制的正弦波PWM調(diào)制方法，新穎的全中文操作界面和高性能IGBT功率器件，可靠性高、性能優(yōu)越、操作簡便?？蓱?yīng)用于高壓交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載的調(diào)速、節(jié)能、軟啟動(dòng)和智能控制等多種場合。

高質(zhì)量電源輸入：輸入側(cè)隔離變壓器二次線圈經(jīng)過移相，為功率單元提供電源對于6kV而言相當(dāng)于30脈沖不可控整流輸入，消除了大部分由單個(gè)功率單元所引起的諧波電流，大大抑制了網(wǎng)側(cè)諧波（尤其是低次諧波）的產(chǎn)生。變頻器引起的電網(wǎng)諧波電壓和諧波電流含量滿足IEEE 519-1992和GB/T14549-93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》對諧波含量最嚴(yán)格要求，無需安裝輸入濾波器并保護(hù)周邊設(shè)備免受諧波干擾。正常調(diào)速范圍內(nèi)功率因數(shù)大于0.96。無需功率因數(shù)補(bǔ)償電容，減少無功輸入，降低供電容量。

完美的輸出性能：單元脈寬調(diào)制疊波輸出，6kV系列每相5個(gè)單元，大大削弱了輸出諧波含量，輸出波形幾近完美的正弦波。

         輸出電壓波形                                                                     輸出電流波形

友好的用戶界面：HIVERT變頻器采用全中文LCD顯示，面板輕觸按鈕直接操作，更適合國人使用習(xí)慣。

HIVERT變頻器的主要功能及特點(diǎn)

1)輸入諧波含量低。變頻器引起的電網(wǎng)諧波電壓和諧波電流含量滿足IEEE Std 519-1992和GB/T 14549-93《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》對諧波含量的最嚴(yán)格要求，無需安裝輸入濾波器并保護(hù)周邊設(shè)備免受諧波干擾；

2)輸入功率因數(shù)高。無需功率因數(shù)補(bǔ)償裝置，降低供電容量；

3)輸出諧波含量低。無需濾波器，可直接驅(qū)動(dòng)普通電機(jī)，不會(huì)增加電機(jī)溫升而降低電機(jī)容量，對電機(jī)電纜無任何長度限制，并保護(hù)電機(jī)絕緣不受dv/dt應(yīng)力的損害，不會(huì)因?yàn)橹C波力矩而降低電機(jī)使用壽命；

4)限流功能。避免啟動(dòng)或負(fù)載突然變化時(shí)，使變頻器輸出電流過大而導(dǎo)致保護(hù)動(dòng)作；

5)完善的上位控制功能?？膳cDCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通訊（采用標(biāo)準(zhǔn)MODBUS通訊規(guī)約）或I/O方式連接。

6)輸出電壓自動(dòng)調(diào)整功能：輸入電壓變化時(shí)，自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出電壓，使輸出到電機(jī)的電壓保持相對穩(wěn)定，保護(hù)電機(jī)；

7)軟啟動(dòng)：變頻器具有軟啟動(dòng)功能，保證電機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)，啟動(dòng)和停機(jī)時(shí)間在10-1600秒內(nèi)連續(xù)可調(diào)；

8)內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器，可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)運(yùn)行；

9)具有本地、模擬、多檔、上位四種調(diào)速方式；

10)具有轉(zhuǎn)速跟蹤功能，能實(shí)現(xiàn)電機(jī)的飛車啟動(dòng)。該功能可以在電機(jī)處于工頻運(yùn)行的時(shí)候，在不停機(jī)的狀態(tài)下，無沖擊的由工頻狀態(tài)切換到變頻狀態(tài)，最大程度的降低了生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)；該功能經(jīng)過多次實(shí)踐驗(yàn)證，能夠快速穩(wěn)定的無沖擊的將設(shè)備在工頻與變頻之間進(jìn)行自由地切換，有效地提高生產(chǎn)效率，保證企業(yè)生產(chǎn)的連續(xù)性。

11)一鍵反風(fēng)功能，針對煤礦通風(fēng)的特殊性，在使用軸流風(fēng)機(jī)時(shí)，通過在變頻器上操作，可以簡單的實(shí)現(xiàn)反風(fēng)功能。

保護(hù)功能

HIVERT變頻器具有非常完善的自診斷和保護(hù)功能，一旦變頻器發(fā)生故障或進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，系統(tǒng)將自動(dòng)記錄故障原因、故障位置、故障發(fā)生時(shí)間以及發(fā)生故障時(shí)變頻器各狀態(tài)參數(shù)，便于故障排除。

五、改造前后對比

孫村礦北風(fēng)井抽風(fēng)機(jī)變頻裝置11月27日正式投入運(yùn)行，此時(shí)正值41119工作面生產(chǎn)期間，根據(jù)風(fēng)量需求，將風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率調(diào)整為48Hz，電機(jī)輸出功率由改造前前導(dǎo)器葉片33.75°時(shí)的1027KW下降至911KW，下降了116KW。41119工作面結(jié)束后，北風(fēng)井抽風(fēng)機(jī)風(fēng)量富裕較多，根據(jù)風(fēng)量需求，將風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率降為44Hz，風(fēng)機(jī)輸出功率進(jìn)一步下降為726KW，節(jié)能效果更加顯著。使用情況如下：

1、實(shí)際節(jié)電情況

為了真實(shí)掌握風(fēng)機(jī)變頻改造后的實(shí)際節(jié)電情況，我們對風(fēng)機(jī)在工頻和變頻運(yùn)行狀態(tài)下的用電情況進(jìn)行了實(shí)測，風(fēng)量為130～131m3/min。

08年1月28日9：00－30日9：00風(fēng)機(jī)前導(dǎo)葉片33.75°，電機(jī)頻率為50Hz時(shí)，運(yùn)行2＃風(fēng)機(jī)電度表底數(shù)分別為9863.15和9889.1，24小時(shí)用電20760 Kwh。

08年1月30日11：00－2月2日11：00，風(fēng)機(jī)前導(dǎo)葉片0°，電機(jī)頻率為44Hz時(shí)，運(yùn)行2＃風(fēng)機(jī)電度表底數(shù)分別為9889.65和9911.07，24小時(shí)用電17136 Kwh。

在滿足礦井通風(fēng)要求的情況下，24小時(shí)節(jié)電3624 Kwh，節(jié)電率為17.46％，年節(jié)電132.3萬Kwh，電費(fèi)75萬元。

2、運(yùn)行情況

①該產(chǎn)品自身功率因數(shù)高，無需額外的無功補(bǔ)償裝置。

②經(jīng)測試，變頻器自身輸出諧波含量低于4％，符合國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

③變頻改造后，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)，去掉了原來的電抗器，避免了大電流對電網(wǎng)和電機(jī)的沖擊

④采用設(shè)備變頻運(yùn)行方式后，通風(fēng)系統(tǒng)操作更加方便，同時(shí)降低了運(yùn)行噪音，工作環(huán)境條件也有了明顯改善。

⑤設(shè)備磨損降低、延長了維護(hù)期，維護(hù)工作量大大減少。

六、結(jié)束語

從合康公司變頻器在新汶礦業(yè)集團(tuán)公司孫村煤礦北風(fēng)井主通風(fēng)機(jī)技術(shù)改造的實(shí)際應(yīng)用情況來看，對礦井主通風(fēng)機(jī)進(jìn)行高壓變頻改造，不僅能夠有效地減少電能消耗，而且可以優(yōu)化整個(gè)電力傳動(dòng)系統(tǒng)的控制性能，具有極大的推廣應(yīng)用價(jià)值。