变频器在煤矿主扇风机上的应用

1引言

随着我国经济的发展，各行各业煤炭的需求量也越来越大，各大型煤炭企业纷纷开辟新的矿井来扩大规模，并且利用各种技术降低生产成本，因此变频器在煤炭行业的需求也就越来越大。

主扇风机是煤矿通风系统中最重要的一部分，它可以说是每一个井下工作人员的呼吸要道，因此它也是煤矿安全生产中最重要的一个环节。长期以来，矿井主扇风机的功率都比较大，而且一天24小时不间断运行，矿井所需的风量都是通过调节风门挡板或叶片角度来实现，根据反风及开采后期运行工况要求，所设计的通风机及拖动的电动机的功率，通常远大于煤矿正常生产所需的运行功率。风机设计上余量特别大，在相当长的时间风机一直处在较轻负载下运行，因此，煤矿通风系统中存在着极为严重的大马拉小车现象，能源浪费非常突出。

2 用户介绍

山西焦煤集团正兴煤业有限公司于2009年8月由山西焦煤集团投资有限公司作为主体企业，重组整合偏关县五座煤矿而成，下有九鑫矿、闫家沟矿两座矿井。九鑫矿生产能力为120万吨/年，其主扇风机担负着整个矿井的通风任务，要求安全稳定性极高，因为风机一旦停机，短时间内就将造成全矿无法正常生产，控制方式采用调节风门开度的大小来调整风量，这样，不论生产的需求大小，风机都要全速运转，而运行工况的变化则使得能量以风门节流损失消耗掉了。不仅控制精度受到限制，而且还造成大量的能源浪费，从而导致生产成本增加，设备使用寿命缩短，设备维护、维修费用高居不下，针对这种情况，矿领导经过论证，决定选用山东新风光电子科技发展有限公司生产的JD-BP34系列中压变频调速器4套对主扇风机进行控制，改造取得了成功。

九鑫矿主扇风机为两台，一用一备，现场1#、2#通风机设备参数相同，下面表1、表2给出1#风机基本参数。现场主扇风机如图1所示。

3 风光牌JD-BP34-270F中压三电平变频器介绍

风光牌JD-BP34-270F中压三电平变频器采用高速DSP和CPLD芯片作为主控器件，主电路采用三电平或称中点箝位拓扑结构。友好人机界面可以设置各种参数及实时监测运行状态。国内较早成功研制三电平变频器的厂商，产品荣获山东省科技进步奖。

3.1 产品性能特点

（1）主电路采用三电平或称中点箝位拓扑结构，不但能输出较高电压，而且能降低输出电压谐波成分和电压变化率dv/dt，输出波形良好。
（2）输出端采用三相RLC低通滤波器，将变频器输出的三相SPWM波滤成正弦波，有利于保护电机。
（3）采用先进的高速DSP和CPLD芯片作为主控器件，保证变频器的稳定运行。易于操作的人机界面可实现各种参数的设置及运行状态的监控。
（4）不受电网波动影响，电机侧电压稳定。增加低频启动电压可以补偿线路损耗，适应远距离传输（最远达3000m以上）。
（5）保护功能齐全。设有过压、欠压、硬件过流、2倍过流、过载、欠载、温升过高及失速等保护，并配有电机保护仪，变频器一旦保护，会立即保存故障数据，便于查找分析，有效保护变频器及电机。

（6）内置PID调节器，可开/闭环运行。

3.2产品技术规范

3.3风光牌JD-BP34-270F中压三电平变频器有关设计

本文仅对该变频系统的技术特点简述如下，与380V级通用变频器相同部分不再赘述。

（1）主电路与功率器件的选择

在PWM电压型380V级变频器中，一般采用两电平电路。若用两电平电路实现1140V的输出势必要用昂贵的高压管或采用低压管串联结构，由于器件串联动态均压问题不易解决，应尽量避免。

本设计的整机方块图如图2所示。

图2 整机主回路

其中主电路部分采用三电平电路或称中心点部位（NeturalPointClamped-Npc）方式，它不但能输出较高电压，而且能降低输出谐波和电压变化率（dv/dt），良好的波形正是本设计的目标之一。图中的功率开关器件选用西门子的双单元IGBT模块（300A/1700V），采用两模块并联，整流桥采用300A/1600V双单元，整流后由两组大电容器相串联组成滤波器，电解电容采用10000UF/400VDC，六串四并，如图电容器的连接点即本电路的中心点（三电平的中间电平）。主回路可控硅延时导通，选用350A/1600V的模块。

（2）载波频率的选择

提高载波频率对改善波形、降低噪声大有好处，可是载波频率提高，会使开关损耗增加，所以选择时必须权衡利弊，本设备中载波频率选为2.0kHz，选择这个值时考虑到了输出端LC低通滤波器电感铁芯的重量因素。

（3）变频器有关参数设置如表4所示。

4改造主回路控制方案

正兴煤业九鑫矿主扇风机为两台，一用一备。风机电机变频器采用一拖一控制，风光中压变频调速系统由一次回路进线柜、变频单元柜组成。变频运行时，变频器为电机提供全面的保护。如果变频器在运行中出现故障，立即将备用风机投入运行，保证煤矿通风生产要求。1#风机中压变频器柜一次回路如图3所示。

DL：用户负荷开关
1#、2#BPQ：JD-BP34-270F中压变频器
D：220kW/1140V异步电动机

5 现场应用情况

正兴煤业九鑫矿主扇风机选用型号JD-BP34-270F风光变频器4套，于2012年7月2日一次性投运成功。变频运行后，风门全部打开，运行频率26Hz左右，不仅完全满足煤矿生产工艺要求，而且用户操作非常方便。变频器运行稳定。变频器现场运行如图4所示，人机界面运行如图5所示，变频器运行参数记录如表5所示。

风机采用变频器改造投入运行后，输入电流从72A下降到30A左右，风机电机功率从113.7kW下降到56.9kW，节电率为（113.7kW-56.9kW）/113.7kW=50%。

变频改造的其他优点：

（1）采用变频器后启动风机时可以实现变频软启动，避免了启动电流对电网及控制设备的冲击，可以有效地延长电气设备的使用周期。
（2）按需调节风量，调速范围宽且调速精度高，避免浪费。进行变频改造后，风机的风量不再需要通过改变叶片角度来调节，而是由变频器通过调节电机的转速来实现，调节线性度好，因而可以根据井下生产需要随时调节风量，避免了浪费。
（3）降低了风机的工作强度，延长了使用寿命。进行变频改造后，风机的大部分时间工作在低速状态下，因而大大降低了风机的机械强度和电气冲击，大大延长了风机寿命，提高了风机的安全运行系数和运行周期。
（4）变频器具有短路、过载、过压、欠压、缺相等各种保护，有效地保护了电机。
（5）改善了现场工作环境，由于降低了风机的转速，风机噪声大大降低，深受现场工作人员的欢迎。
（6）减少了反风中的操作环节，以前反风需要操作系统的立式风门、水平风门以及反风风门，工序繁多而且经常出现倒错风门的事故。现在使用轴流式风机和变频器控制后，反风时极其简单，只要在人机界面上将运行频率调整为负的频率，电机就会先减速至零点然后再反转到所调频率，这期间不用再调整整个风门系统，减少了工作量，降低了操作过程中的故障率。

6结束语

正兴煤业九鑫矿主扇风机经过变频改造之后，不仅达到了良好的节能效果，并且使整套通风系统的稳定性提高了一个大台阶。随着国家对节能减排工作的越来越重视，煤矿企业通过各种措施降低生产成本，其中变频技术起到了关键作用，取得了明显的经济效益和社会效益，适应了国家建设资源节约型社会的潮流。

审核编辑：汤梓红