煤矿主通风机改造中高压变频器的应用

周永杰

（山西焦煤集团有限责任公司东曲煤矿机电科外维一队，山西 古交 030200）

引言

在国家相关政策的积极引导下，煤矿企业也越来越重视矿用高能耗设备的节能技改。在矿用大型机电设备中主通风设备功率较大，一般情况下24 h不停运转，该设备节能技改必将为其余高能耗设备改造提供成功经验，并使煤矿生产高能耗问题得到一定程度缓解。

1 设备运行情况

某煤矿以南阳防爆集团所生产的BDK68-10-NO26 型防爆对旋式轴流通风机为主通风机，该设备额定功率2×160 kW，负压3 075～120 Pa，风量60～150 m3/s，额定转速590 r/min，额定电压6 000 V，额定电流2×22 A，绝缘等级达到F 级。该煤矿两台风机互为备用，在单台风机运行工况下月耗电量至少16×104kWh。为响应节能降耗的生产要求，该煤矿决定进行变频技术改造：风量既定的基础上变频设备能使主通风机电能能耗降低至少20%，并能使原设备运行的稳定性和安全性显著提升，维护量大大减少；变频设备在不改变原用电设备操作习惯的基础上，可大大简化操作过程，且变频设备容量包括一定的富裕值设定[1]。

2 改造方案

经过多方论证，该煤矿决定改用功率单元串联的多电平型高压变频器，并通过井下负压连续控制主通风机风量，1 台变频器能同时拖动2 台对旋风机电机，以达到节能降耗的目的。

2.1 风量调节及调速方式

煤矿井下生产对通风网络特性和风量有较高要求，必须进行风机工况的实时调整，某煤矿原通风系统主要依靠叶片安装角度改变及节流进行风量调节，这种调节方式很容易造成能源浪费，叶轮叶片安装角度的调整既会引起通风设备停机，又会导致风机效率发生改变。《煤矿安全规程》对井下通风量有具体规定，并要求操作人员根据对井下负压值的判断进行风量调节[2]，这种做法不改变风机运行效率，也无须停机，便能使风机处于高效运行状态。

与液力耦合装置调速及串级调速等方式不同，变频调速方式主要借助高压变频器使电源频率改变以调节三相异步电机转速，设备自身能耗低、寿命长，调速范围不受限；变频调速器造价较高，但随着高压变频技术的推广应用，其购置费用呈下降趋势。

2.2 高压变频器选择

考虑到当前电力电子器件耐压性不良，每台高压变频器在生产过程中都要使用大量电力电子器件，此类器件组合形式较多，所对应的高压变频器类型也有多种，如高-低-高变频方式、三电平电压型高压变频方式、功率单元串联式多电平高压变频方式等。功率单元串联式多电平高压变频方式高压变频输出主要通过低压器件完成，无须进行器件之间的串联，输入输出谐波小，技术成熟稳定，该煤矿主通风机改造中主要采用此种高压变频器产品。

2.3 控制方式选择

该煤矿主通风机节能技改过程中必须在确保风机性能稳定的基础上考虑成本，借鉴相关经验，变频器和电机一对一控制方式与一拖二控制方式工效、性能基本相同，但前者造价比后者大约高出50%，若将备用对旋风机全部配齐，造价将翻升一倍。为此，该煤矿主通风机节能技改过程中，选择1 台变频器同时拖动2 台对旋风机电机的一拖二控制方式。

3 高压变频器的应用

3.1 高压变频设备

通过以上对煤矿主通风机改造中多方面的比较，某煤矿最终决定采用国产HYVERT-Y06/048 型高压变频器进行主通风机改造，该型号高压变频器容量为500 kVA，额定输入频率0～50 Hz，额定输入电压6.0 kV±0.2×6.0 kV，额定输出频率-50～50 Hz，60 s 过载能力120%，且其性能全部符合《电源系统谐波控制推荐规程及要求》（IEEE 519—1992）及《电能质量共用电网谐波》（GB/T14549—1993）要求[3]。

某煤矿所选用的高压变频器采用高-高变频方式，其主体结构所包括的功率模块通过并联方式连接，其调速范围在设计值的20%～100%时，在原有功率因数补偿情况下，变频器输入段功率因数至少为0.97，能有效降低无功输入，减小供电容量。所采用的变频系统适应电网电压波动能力较强，并能在电网电压下降30%后仍正常运行；变频系统按照国家相关标准提供过（欠）电压、过电流、短路及失速、电机及变频器过载、瞬时停电、元器件过热等方面的保护以及故障报警。其电路控制系统主要由断路器QF、高压变频器、自动切换柜QS 和KM、电动机M组成，具体见图1。其中，高压变频器合闸信号和高压开关合闸回路串联，如遇变频器故障，则高压开关合闸闭锁；高压变频器分断信号则与高压开关分闸回路并联，变频器发生故障后分闸、高压输入。高压开关柜主要起到向变频器馈电以及向其提供过载、过电压、速断保护等功能的作用，根据变频器额定值进行高压开关柜整定值确定。高压变频器电路控制系统中KM1和KM3电气之间、KM1与KM4电气之间、KM2与KM3之间及KM2与KM4之间均为互相闭锁关系；其中控制一台电机的真空接触器与高压断路器仅允许闭合其中1 个；仅拖动1 台对旋通风机变频运行时，M1正向转动M2反向转动，此时应将QF1、QF2断开，并闭合QS1、QS2、KM1、KM2、QF；如遇变频器故障，则另一台对旋式风机启动，QF、KM1、KM2、QS1、QS2将断开，QF3、QF4、KM3、KM4将闭合。

图1 高压变频器电气控制电路图

3.2 设备运行效果

某煤矿高压变频器于2021 年初安装完成并投运，变频器为中文显示界面，触屏操作，便于各种运行数据的存储、查询和共享；设备操作简单，可同时起动两级风机，并能在1～3 min 内达到最高运行速度和所需最大风量，安全性与效率性有保证；反风操作也较原风机简单可靠，在8～10 min 内便能满足煤矿生产对反风方面的要求。根据对该煤矿高压变频器数月以来运行数据的统计分析，其电能节约量可达到20 585 kWh/d，且高压变频器自投运以来性能十分稳定，实测变频器网侧功率因数达0.977，满载工况下网侧电流谐波容量均在3%以下，输出电流谐波则不超过4%，均符合国家相关节能降耗标准。