1  引言

   我国煤开采仅2005年即耗能5086.81×10⁴t标准煤,耗电  376.04×10⁸ KW·h,分别占全国总耗能量和总耗电量3.86% 和3.49%,所以,煤炭工业堪称我国第一能源工业,既是产能大户,又是耗能大户,同时也是节能潜力大户。煤炭工业用的排水泵和通风的耗电量即占生产电耗44%左右,约 40×10⁸ ~50×10⁸KW·h ，其中排水量占生产电耗的20%~30%，约 25×10⁸ ~30×10⁸KW·h；通风机耗电量占生产电耗的15%~25% ，约20×10⁸KW·h左右。为此，采用变频调速技术可大幅度地降低电耗，节电率平均按 30%计，年节电潜力至少10×10⁸ ~15×10⁸KW·h。所以，利用变频技术对现有用电设备进行节能改造，是解决我国煤炭工业高消耗、低效益的根本措施。

2  工况简介

   乌兰矿位于贺兰山中段，井田走向长5公里，倾斜宽8公里，总面积16.15平方公里，井田划分为五个采区和一个备用区，井田内含薄、中、厚煤层22个，其中可采和局部可采煤层17层，可采储量1.36亿吨。2006年延深工程和矿井改扩建完成后，乌兰煤矿的原煤产量将达到240万吨。煤矿开采遵循以风定产的要求，有多大的风量允许有多大的开采量，风量随煤的产量的增加而增加。在采煤作业中瓦斯随着煤的开采不断地涌出，涌出瓦斯与煤的开采量呈正比，而保障每个煤矿工人正常工作所需的新鲜空气也与煤的开采量呈正比。因此为了煤矿生产安全、完成生产任务，所需风量、风压随着开采和掘进的不断延伸，巷道延长，及开采量的增加而增加，风机需用功率也随之增加。

   乌兰矿原来的南翼风机随着掘进的深入，已经不能满足生产需要，故对南翼主扇通风进行了改造，撤除了原南翼主扇，增设南二主扇，大幅度提高了井下的通风能力。

3  矿用主扇通风机调速方案选择

   在煤矿生产中，所需风量风压在不同阶段有不同的要求，为满足生产要求，煤矿通常采用以下几种方法调节：

(1) 闸门调节；
(2) 改变通风机速度；
(3 )改变前导器叶片角度；
(4) 轴流式通风机改变动叶安装角；
(5) 离心式通风机调节尾翼摆角；
(6 )轴流式通风机改变动叶数目；
(7 )轴流式通风机改变静叶角度。

    其中以闸门调节效率最差，它是人为地改变阻力曲线，增加风阻，越调节性能就越恶化；前导器调节和尾翼摆角调节效率比闸门要高；改变动叶安装角和动叶数目，可改变风机的特性曲线，使风机在较大范围内以较高的效率运行，以达到节能降耗的目的。改变通风机速度，使其在最佳工况点运行，使风机在最大的范围内以最高的效率运行，节能效果好。

   乌兰矿南二主扇风机为两台对旋式轴流通风机，一用一备。轴流式通风机的一般性能曲线如图1所示：

   其中压力曲线有驼峰，工况点如在驼峰以右区域时，通风机的工作状态是稳定的；工况点如在驼峰以左区域，通风机的工作状态就很难稳定，此时风压、流量发生波动，当工况点移至左下部时，流量、风压有激烈脉动，并引起整个风机装置强烈振动，我们称这种现象叫喘振。喘振可能使风机装置遭到破坏，因此通风机不允许在喘振状态下运行。为了避免风机在小流量时发生喘振现象，对风机进行变频改造是首选，并且当风机速度变化不超过20%，效率基本无变化，使用变频调速后就可以使风机在小流量段高效运行，不仅不会使风机喘振，还扩大了风机高效运行的工作范围，由于风机在投运的初始阶段所需风量相对风机风量都比较小，甚至小很多，因此在风机投运的初始阶段这点尤为重要。

    该矿上原来的主扇风机采用工频运行， 在运行中一般采用改变导叶角度和改变档板角度调节通风量，因此通风效率较低，造成能源浪费，增加了生产成本。又由于主扇风机设计上余量特别大，在相当长的时间主扇风机一直处在较轻负载下运行，能源浪费更加突出。

    当主扇风机采用电抗启动时，由于电网容量有限，故主扇风机起动时只能先起动一级风机，风机起动正常后再起动另一级风机，起动时间长，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。

    综合以上几点，为了矿井的安全生产、降低生产成本和减小对风机的冲击，南二主扇风机采用变频器调节电机转速的方法最佳。

    通过招标方式，选择了山东新风光电子科技发展有限公司生产的4台JD-BP37-560F型高压变频器，一拖一控制，改造取得了成功。

4 山东新风光电子JD-BP37-560F高压变频器

4.1JD-BP37-560F高压变频器的主要性能指标:

变频器功率： 560KW

输入频率：   50Hz

输入电压：   6.0KV±20%

输出电压:    三相正弦波电压0-6KV

输出频率:    0-60Hz

频率分辨率:  0.01Hz

加速时间:    可按工艺要求设定

减速时间:    可按工艺要求设定

故障诊断及检测:自动检测,自动定位

网侧功率因数:0.95(高速时)

过载保护:   150%1分钟

防护等级:   IP20

环境湿度:    90%,无凝结

4.2性能特点

（1）高压变频调速系统采用直接“高-高”变换形式，为单元串联多电平拓扑结构，主体结构有多组功率模块并联而成。

（2）变频装置控制采用LED键盘控制和人机界面控制两种控制方式，两种方式互为备用，两种方式从就地界面上可以进行增、减负荷，开停机等操作。装置保留至少一年的故障记录。

（3）变频器能提供两种通讯功能：标准的RS485和有触摸屏处理器扩展的通讯接口。

（4）在20-100%的调速范围内，变频系统在不加任何功率因数补偿的情况下，本机输入端功率因数达到0.95。

（5）变频装置对输出电缆的长度无任何要求，变频装置保护电机不受共模电压及dv/dt应力的影响。

（6）变频装置输出电流谐波不大于2%，符合IEEE 519 1992及中国供电部门要求，高于国标GB14549-93对谐波失真的要求。变频装置输出波形不会引起电机的谐振，转矩脉动小于0.1%。变频器可自动跳过共振点。

（7）变频装置对电网反馈的电流谐波不大于4%，符合IEEE 519 1992及中国供电部门要求，高于国标GB14549-93对谐波失真的要求。

（8）变频装置对电网电压的波动有较强的适应能力，在-10%～+10%电网电压波动时仍能满载输出，可以承受30%的电网电压下降而继续运行。满足煤矿的电压大幅波动的要求。

（9）变频装置设以下保护：过电压、过电流、欠电压、缺相保护、短路保护、超频保护、失速保护、变频器过载、电机过载保护、半导体器件的过热保护、瞬时停电保护等，联跳至输入侧6KV开关。保护的性能符合国家有关标准的规定。并提供故障、断电、停机等报警。

（10）变频装置带故障自诊断功能，对所发生的故障类型及故障位置提供中文指示，在就地显示并远方报警，便于运行人员和检修人员辨别和解决所出现的问题。变频装置有对环境温度的监控，当温度超过变频器允许的环境温度时，变频器提供报警。

（11）系统在电子噪声，射频干扰及振动的环境中连续运行。变频装置满足国家标准对电磁兼容的规定。

5  变频改造主回路接线

    变频装置与主扇风机的连接方式见附图2。以其中一台主扇风机变频器接线为例。6KV电源经变频装置输入刀闸K1(k4)到高压变频装置，变频装置输出经出线刀闸K2(k5)送至电动机；6KV电源还可以经旁路刀闸K3(k6)后由KM1(KM2)直接起动电动机，K1(K4)、K2(K5)与K3(K6)具有机械互锁装置，当K1(K4)、K2(K5)在合闸位置时K3(K6)不能操作，反之亦然；当系统处于变频回路时，变频器开机后，K1(K4)、K2(K5)操作失效，当系统处于工频回路时，工频运行后K3(K6)操作失效，以防止操作人员误操作，避免带电拉闸带来的严重后果。进出线刀闸（K1、K2、k4、k5）和旁路刀闸（K3、k6）的作用是：一旦变频装置出现故障，即可马上断开进出线刀闸，将变频装置隔离，手动合旁路刀闸，在工频电源下起动电机运行。虚线框内为手动旁路开关柜。

                              图2   主扇风机变频主回路图

6  高压变频器如何在风机的高效区进行调速

（1）根据矿井生产实际情况，用户提出矿井近期（或初期）所需的风量、负压。

(2）根据当前风机运行情况，作出目前及后期矿井通风网路阻力曲线，求出较准确的矿井通风网路阻力系统及网阻曲线方程。

(3）确定风机直径及转速后，根据厂家提供的产品特性曲线，作出风路阻力曲线，并根据风机所需的风量和负压，找出前后期工况点，必须使工况点运行在高效区，即系统效率在80%左右。如果工况点出现在低效区，可以调整风机的的动叶角度使其处于高效区。风机叶片安装角度可以通过公式计算和作图，找工况点两者相结合的方法确定。作风路特性曲线找工况点，可以由图查得平均角度。亦可通过计算求得。根据上述方法初算出的角度，对照矿井阻力曲线和风机性能曲线作出的工况点，再确定叶片安装角度。在实际应用中,风机转速大于50%的情况下,可以满足用户井下对风量及负压的影响,且风机运行在高效区。

7  变频运行情况

7.1变频器及其负载

   变频器为新风光电子生产的JD-BP37-560F风机变频器，主扇风机为BD-Ⅱ-10-NO:32对旋式轴流通风机，参数如下：
   电动机额定功率：2×400kW
   静压：3800-800Pa
   风量：150-255m³/s
   反风率：60%
   额定转速：539 r/min
   额定电压：6000V
   额定电流：53.5A
   变频器于4月30日安装完成，5月3日投入运行。

7.2变频运行

    变频投入运行以来一直稳定运行，输出频率、电压和电流稳定，风机运行稳定，变频器网侧实测功率因数为0.976，效率均高于96%，满载时网侧电流谐波总容量小于3%，输出电流谐波小于4%。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。

7.3变频操作

    变频器显示采用中文图形界面，触摸屏操作，生动直观，变频器的运行状态一目了然，各种运行数据可在触摸屏上查询，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3分钟之内起动至高速，短时间内达到所需风量。由于乌兰矿属于高瓦斯矿井，主扇风机停机10分钟就是重大事故，简便的操作和短的起动时间确保了生产安全。并且反风比以前操作简单可靠，完全可满足10分钟内实现反风的要求。

7.4 运行数据

    变频器运行数据如附表所示：
    2006年5月16日，功率因数：0.976

附表 变频器运行数据

7.5能耗分析

    主扇风机为对旋式轴流风机，一台主扇风机有两台旋转方向相反的风机组成，每台功率400kW， 下图4为BD-II-10-NO:32特性曲线图，R1为矿井的通风阻力曲线，R2为调整风门后的阻力曲线，由图4可知，当需风量为Q_A时，动叶角度为零度时、风机效率小于70%，这时需将动叶角度调至-5⁰（图中的A点），以提高风机的运行效率，这时风机的运行效率约为72%，由矿井的通风阻力曲线R₁和风机的性能曲线图，可知风机在动叶角度为0⁰时，效率较高，这时可通过变频器调节风机转速调至A点，以满足风量要求，这时风机运行在最佳状态，此时变频器的运行平均功率为：         P_变=386kW，变频运行与风机工频运行相比风压损失功率为：
          P_风损=Δp×Q_A /1000=（p_B－p_A）×Q_A /1000
             =（3050-2100）×147/1000=139.7kW

    在工频运行时，风机工作在工况点B点，这时风机通风有用功率：
           P_通=p_B×Q _B/1000=3050 ×147/1000=448.4 kW
    电机功率：
           P_电= P_通/η=448.4/72%=622.8kW

                    图4  静压—风量特性曲线

    因此，其节电率=（P_电- P_变）/P_电=（622.8-386）/622.8=38.02%
风机变频运行时的效率为：
              η=（p_A×Q_A/1000）/P_入
              =（2100×147/1000）/386=80%

    由此可见，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。

8 结束语

    在宁夏煤炭企业，主扇风机成功应用高压变频器这是第一次，在中国煤炭行业，矿用通风机高压变频改造也不多见，其示范意义是不言而喻的。实际应用表明，高压变频器的应用于煤矿主扇风机的系统改造，必将取得良好的运行效果和经济效益。我国是世界上的产煤大国，又是能源相对贫乏的国家之一，而且也是吨煤耗能较高的国家。而推广使用变频器在煤矿行业进行改造，节约能源的效果将是非常可观的，适应了国家建设节约型社会的潮流。