矿用对旋轴流主通风机的变频改造

　　一、矿井和矿用对旋轴流通风机概述

　　星村煤矿位于山东省曲阜市境内，生产系统按照120万吨/年装备，为全隐蔽型井田。井田内主要有第四系、侏罗系和石炭二叠系含煤地层，煤层埋藏较深，采用立井开拓方式。矿井通风方式采用中央并列式。副井进风，主井回风。两台对旋轴流风机，一用一备。

　　将一个叶轮装在另一个叶轮的后面，而叶轮的转向彼此相反，称为对旋型轴流通风机，或者对置式轴流风机。煤矿所使用的对旋轴流风机因其主要由该通风机采用两级叶轮对旋式结构，两级叶轮分别由容量及相同型号电动机驱动，两个叶轮旋转方向相反，从进风口看，第一级叶轮顺时针方向旋转，第二级叶轮则按逆时针方向旋转。当空气流入第一级叶轮获得能量后并经第二级叶轮排出，第二级叶轮兼备普通轴流风机中静叶的功能，在获得正直圆周方向速度风量的同时，增加气流的能量，从而达到了高效率，高风压。

　　我矿主通风机为湘潭平安电气生产的BD-II系列弯掠组合正交型隔爆对旋轴流式主通风机。型号为BD-II-8-NO.27。一用一备，每台风机配置两台450kW、10kV防爆型鼠笼电机。电机采用了南阳防爆集团的风机用高压隔爆型三相异步电动机。电机型号为YBF630M-8。电机电压为10kV，转速为744转/分，额定电流33.9A.。通过调节风机叶片角度和风道挡板来完成风量的调节。

　　二、矿用对旋轴流通风机变频改造的必要性

　　矿用对旋轴流通风机(俗称“主通风机”)是煤矿的“呼吸系统”的中枢，须24小时不间断运行。由于煤矿企业受复杂的生产条件和环境影响，在设备选型上煤矿根据反风及开采后期运行工况所设计的通风机及拖动的电动机的功率，远大于煤矿正常生产所需的运行功率，造成了大马拉小车的普遍现象，耗能相当严重。如何降低企业的生产成本，提高劳动生产效率是煤炭生产企业需要解决的主要问题。

　　从通风机选型的过程和煤炭生产的实际情况，对旋轴流通风机在恒速运行中存在以下问题：

　　1.电能的严重浪费
　　主扇风机设计上余量大，主扇风机一直处在较轻负载下运行。由于采用档板调节，因此造成能源浪费，增加了生产成本。

　　2.启动困难，机械损伤严重 
　　主扇风机采用直接启动，启动时间长，启动电流大，对电动机的绝缘有着较大的威胁，严重时甚至烧毁电动机。而高压电动机在启动过程中所产生的单轴转矩现象使风机产生较大的机械振动应力，严重影响到电动机、风机及其它机械的使用寿命。

　　3.自动化程度低
　　主扇风机依靠人工调节档板，更不具备风量的自动实时调节功能，自动化程度低。在故障状态下，如风流短路，将对矿井正常生产造成严重影响。

　　高压变频器作为一种新型的电力变换装置，已经成熟地应用到工业生产的各个行业，不但启动容易，节能效果显著，而且对电机的保护功能齐全。因此，为保证矿井生产的安全，降低生产成本，提高自动化程度，对旋轴流通风机的变频改造就成为事在必行的工作。

　　三、高压变频器的技术特点

　　为克服以上存在的问题，我们决定对主通风机进行变频改造。根据论证分析和现在高压变频的技术现状，我们采用了利德华福公司的HARSVERT-A10/070功率单元串联多电平高压变频器。利用一台变频器直接拖动一台风机的两台电机的改造方案。HARSVERT-A系列高压变频调速系统采用单元串联多电平技术，属高-高电压源型变频器，直接10kV输入，直接10kV高压输出。变频器主要由移相变压器、功率模块和控制器组成。它采用了新型IGBT功率器件，全数字化微机控制。具有可靠性高、易操作、性能稳定等特点。

　　1.功率模块结构：功率单元结构原理是由不可控二极管整流的三相全控桥、低压绝缘栅双极型晶闸管（IGBT）逆变桥、电容器组等元件组成的控制回路，为基本的交-直-交单相逆变电路，通过对IGBT逆变桥进行正弦脉冲宽度调制（PWM）控制，可得到功率单元输出的PWM波形。每个功率单元结构一致，可以任意互换，而且当某个功率单元出现故障时，封锁该功率单元IGBT的触发信号，然后让旁路SCR导通，将这个功率单元隔离出去，而不影响其他功率单元的运行。

　　2.输入侧结构：输入侧由移相变压器给每个功率模块供电，移相变压器的副边绕组分为三组，根据电压等级和功率模块串联级数，为48脉冲构成多级相叠加的整流方式，可以大大改善网侧的电流波形（网侧电压电流谐波指标满足IEEE519-1992和GB/T14549-93的要求）。使其负载下的网侧功率因数接近于1，无需任何功率因数补偿、谐波抑制装置。

　　3.输出侧结构：输出侧由每个功率模块的U、V输出端子相互串接而成星型接法给电机供电，通过对每个单元的PWM波形进行重组，可得到阶梯正弦PWM波形。这种波形正弦度好，dv/dt小，对电缆和电机的绝缘无损坏，无须输出滤波器，就可以延长输出电缆长度，可直接用于普通电机。同时，电机的谐波损耗大大减少，消除负载机械轴承和叶片的振动。

　　4.控制器：控制器由DSP芯片、嵌入式人机界面和PLC共同构成。DSP芯片实现PWM控制。嵌入式人机界面提供友好的全中文WINDOWS监控和操作界面，同时可以实现远程监控和网络化控制，输入输出波形采集。内置PLC则用于柜体内开关信号的逻辑处理，可以和用户现场灵活接口，满足用户的特殊需要。

　　控制器与功率单元之间采用光纤通讯技术，低压部分和高压部分完全可靠隔离，系统具有极高的安全性，同时具有很好的抗电磁干扰性能，可靠性大大提高。另外，交流220V控制电源掉电时，控制器可由配备的UPS继续供电，变频器可以保持运行。

　　四、改造后的主要应用效果

　　1．变频起动对电网没有任何冲击。由于变频器改造后风机可以实现变频软起动，避免了起动电流的冲击，减少了对电网电压的任何冲击，而且还可以随时起动或停止，这体现了高压变频器作为软起动器的作用。

　　2．按需调节风量，避免浪费。变频改造后，风机的送风量不再需要由风门来调节，而是通过变频调节风机的转速来实现，调节范围可以从0%—100%；因而可以根据生产需要随意调节风量。

　　3．变频器运行中，如果需要机组切换，直接点击人机界面中的“启动1#”或者“启动2#”进行切换。

　　4．变频器运行过程中，可以一键反风功能，减少了操作员工的工作，缩短了工作时间，提高了工作效率。

　　5．变频节能运行，节约了大量能源。由于变频改造后不再使风机一直处于满负荷工作状态，节能率高达30%以上。

　　6．需要注意的是煤矿对旋风机变频调速后，一般情况下要求两台电机的运行频率尽量一致，从而保证电机转速一致。避免一台转速高，一台转速低，形成风阻，影响风机的正常运行。

　　五、运行效果

　　变频器于2008 年5月30日安装完成，6月3日投入运行。变频器显示采用中文图形人机界面，触摸屏操作，生动直观，并且配备有上位监控计算机，变频器的运行状态一目了然，各种运行数据和报警信息可在触摸屏和上位机上查询，便于操作人员及时了解变频器的运行情况。变频器操作简单，两级风机可以同时起动，可在短时间内起动至高速，达到所需风量。缩短的起动时间确保了生产安全，实现了一键反风，反风操作比以前简单可靠，完全可满足10min内实现反风的要求。变频器投入运行以来一直运行稳定，输出频率、电压和电流符合要求，满载时网侧电流谐波总容量小于3% ，风机以低于额定转速运行，不仅节约了能源，减少了维护费用，还降低了风机的运行噪声，经济效益良好。

　　由此可见，矿用通风机采用变频调速，不但实现了软起停，节约了电能，而且可根据巷道的风量需求方便的进行调速，应用效果是十分理想的。变频运行时，风机效率为80%，其节电率在30%以上，节能效果十分明显。