現今，節能降耗已成為我國的基本國策。煤礦企業既是產能大戶,又是耗能大戶,許多煤礦企業都非常重視高耗能用電設備的節能改造工作。鐵煤集團大興礦是1980年國家投資建設,于1990年11月份投產的中國東北最大的年設計、生產能力為300萬噸的井工礦井。主要通風機房安設了全局排風能力最大的離心式扇風機，保證了礦井的安全生產。同時帶來的問題是如何解決風量調節的問題，用風門調節風量風阻很大，存在著大量的能量浪費，能量浪費在50%以上。為了在滿足礦井的通風需要的同時,又能實現最大程度的節能,榮信電力電子有限公司對鐵煤集團大興礦井主通風機采用了高壓變頻改造,選用功率單元串聯多電平高壓變頻器 ,實現主通風機的電能節約和風量無級調速。
一、大興礦風機變頻改造的必要性
鐵煤集團大興礦井主通風機采用同步電機，而交流同步電機的調速是電氣驅動領域的一大難題。我國從20世紀70年代開始進行交流同步電機調速技術的研究，目前在國內煤炭業內，大功率變頻裝置成功應用于同步電機的實例還很少。難點在于與普通異步電機運行相比，同步電機在運行時，電樞電壓矢量與轉子磁極位置之間的夾角必須在某一范圍之內，否則將導致系統失步，因此同步電機變頻調速時必須時刻控制這一夾角在允許的范圍內變動。由于同步電機與異步電機的不同，同步電機進行變頻調速改造時對高壓變頻裝置的要求也有些差別，具體要求如下：
（1）能夠解決同步電機啟動整步問題；
（2）能夠解決同步電機調速過程中輸出電壓和勵磁電流的協調控制；
（3）變頻裝置輸出電壓、電流諧波應盡可能小。
鐵煤集團大興礦井主通風機擔負著該礦井下主通風任務，是至關重要的大型安全生產設備，需要長期、連續、可靠、安全的運行。風機現在采用的調節風量方式為調節風門開度方式，系統在正常運轉情況下風門開度僅為60％左右，其風量約為額定的60％~70％。現在系統存在的問題： 調節精度低、線性度差、實時性差； 采用風門調節，造成管路壓力增加，造成大量電能浪費； 直接起動時，造成電網波動嚴重和機械沖擊大，影響著系統的運行可靠性和壽命； 此通風機的電機轉速無法自動調節，長期以額定轉速運轉，對軸承等部分造成較大磨損； 檔板采用人工調節，實時性差，需停機進行，操作麻煩，費時費力。鑒于上述問題的存在，對現有風機進行變頻技術改造，采用完美無諧波大功率變頻器實現主通風機同步電機無級調速技術方案。
二、高壓變頻調速裝置設計
1、高壓變頻器系統原理及參數
該高壓變頻器將采用性能優良、技術成熟、安全可靠的完美無諧波功率單元串聯多電平技術。由電網送來的三相6000V交流電經過隔離移相變壓器變為15組690V分別供給15個功率單元，每相上的5個功率單元輸出的單相SPWM波相疊加后，采用Y形連接，將形成線電壓為6000V的高質量的正弦波輸出供給高壓同步電動機驅動風機。 主控柜和功率柜之間采用光纖隔離技術，防止了電磁干擾，做到了高壓與低壓的完全隔離，具有極高的安全性。功率單元采用交—直—交變頻技術，單相輸出，IGBT元件采用先進高效的熱管散熱技術，大大提高了的工作可靠性。
現場設備銘牌如下：
高壓變頻器銘牌：額定容量 2000kVA 主變壓器類型 干式移相變壓器容量 2200KVA 變比 6KV/15*690V 輸入電壓 6000V+15%-30% 高壓電網頻率 45—55HZ 輸出電壓 0—6000V 輸出頻率 0—50HZ 調速范圍 0—500r/min 輸出電壓諧波含量 < 4% 功率因數 96% 過載能力 120% （5分鐘） 效率 96% 控制柜與功率單元的傳輸 光纖傳輸冷卻方式 超導熱管強制冷卻工作環境溫度 -20°C — +45°C 電機銘牌：額定電壓 6KV 額定功率 1600KW 額定電流 150A 額定轉速 500r/m 功率因數 95% 勵磁電流 180A 勵磁電壓 80V
2、主通風機高壓變頻改造系統設計
針對通風機目前的情況，現采用高壓變頻器一臺，一拖一的工作方式，對主通風機同步電機實現無級調速控制方案。風機電機由高壓變頻器控制，原風門調節開度開到最大，風量的調整通過控制電機轉速來實現，達到風量的實時精確調節。
采用高壓變頻無級調速技術方案后，風機電動機的轉速可方便地從目前的額定轉速向下調節，得到生產所需要的風量； 電機不用一直工作在額定轉速，大大降低了系統機械的磨損，延長了設備的使用壽命； 通過與控制中心通訊連接，可實現風機的自動調節； 通過變頻控制在風量滿足條件下，還可取得可觀的節能效果。電機實現真正軟起動，起動電流控制在額定以下。
3、變頻系統組成及各部件功能
整個變頻系統由高壓開關柜、移相變壓器柜、變頻柜和控制柜共4部分組成。
三、通風機變頻調速系統的經濟效益
通風機變頻控制節能分析： 風機屬于平方轉矩負載，風機的風量Q與轉速n成正比，而風機的功率P與轉速n的立方成正比。 風機風量Q = K1n 風機風壓 P = K2 n2 風機功率 P = K2 n3 根據現系統的狀況，風門開度55％，考慮風門大小會有變動，計算分析取值風門開度60％，現實際運行電流100A,風機為連續工作制年工作時間計24小時×365天＝8760小時，上網電價0.45元／度： 改造前：每年耗電量為（電流為運行實際值）: P = UI ＝ ×6kV×146A×8700小時＝1517.2kW ×8700＝1320萬度年電費為：1320萬度×0.45＝594萬元變頻改造后：風機與電機軸直連，傳動效率100％：每年耗電量為（電流為運行實際值）: P = UI ＝ ×6kV×92A×8700小時＝956kW ×8700＝832萬度 年電費為：832萬度×0.45＝374萬元 變頻改造后，風機的年節電：594萬元-374萬元=220萬元 使用變頻控制后，還能節油、節水、節省維修費用。設備投入大約在二年左右可全部收回。 實踐證明高壓變頻器的應用不僅節省了能源, 且改善了工藝，起動平穩, 可對電機及風機起到保護作用,提高生產效率，保障生產安全。
四、結論
同步電機的調速是電氣驅動行業的一大難題，近年來應用高壓變頻調速一直是我國變頻廠家研究的課題。而此次榮信電力電子有限公司高壓變頻器成功應用在大興礦主扇風機同步電機上，其示范意義是不言而喻的。實際應用表明，高壓變頻器的應用于煤礦主扇風機的系統改造，必將取得良好的運行效果和經濟效益。
(審核編輯: 智匯小新)
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