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案例頻道 一、現(xiàn)場系統(tǒng)情況
煤礦因生產(chǎn)的特殊性，礦井通風(fēng)系統(tǒng)關(guān)系到礦山的安全生產(chǎn)，所以通風(fēng)系統(tǒng)在煤炭生產(chǎn)中具有舉足輕重的地位。其中主扇風(fēng)機在煤礦生產(chǎn)中有著最重要的地位，隨著開采和掘進的不斷延伸，巷道延長，盡管風(fēng)量基本不變，但風(fēng)壓要求卻不斷增加，風(fēng)機需用功率也隨之增加。根據(jù)反風(fēng)及開采后期運行狀況來確定的主扇風(fēng)機及拖動電動機的功率通常遠大于煤礦長期開采所需的正常運行功率。五溝煤礦主扇風(fēng)機采用500KW/6KV電動機傳動，電機采用直接啟動的方式。
目前采用高壓電動機直接啟動，存在以下幾個問題：
●電能的嚴重浪費。煤礦的服務(wù)年限大多在60年以上，投產(chǎn)初期到井田穩(wěn)定開采一般在10年左右，這就意味著有這10年的時間里，主扇風(fēng)機一直處在較輕負載下運行。由于工頻運行的電動機轉(zhuǎn)速不可調(diào)節(jié)，只能通過改變風(fēng)機葉片的角度進行風(fēng)量調(diào)節(jié)，因此造成能源浪費，增加了生產(chǎn)成本。
●啟動困難，機械損傷嚴重。主扇風(fēng)機采用直接啟動，啟動時間長，啟動電流大，對電動機的絕緣有著較大的威脅，嚴重時甚至燒毀電動機。而電動機在啟動過程中所產(chǎn)生的單軸轉(zhuǎn)矩現(xiàn)象使風(fēng)機產(chǎn)生較大的機械振動應(yīng)力，嚴重影響到電動機、風(fēng)機及其它機械的使用壽命。
●自動化程度低。主扇風(fēng)機依靠人工調(diào)節(jié)風(fēng)機葉片調(diào)節(jié)風(fēng)量和風(fēng)壓，更不具備風(fēng)量的自動實時調(diào)節(jié)功能，自動化程度低。在故障狀態(tài)下，如風(fēng)流短路，將對礦井正常生產(chǎn)造成嚴重影響。
為了礦井的安全生產(chǎn)和降低生產(chǎn)成本，提升該煤礦的自動化水平，對主扇風(fēng)機進行變頻調(diào)速改造具有非常重要的意義。
二、高壓變頻改造方案
1、主回路系統(tǒng)方案
考慮到現(xiàn)場設(shè)備實際運行的情況，煤礦主扇軸流風(fēng)機變頻系統(tǒng)采用一拖二手動旁路方式，采用一臺變頻器分別單獨傳動二臺風(fēng)機中的一臺風(fēng)機的電動機，正常情況下，允許有一負載工作在變頻狀態(tài)，另一負載工作在工頻狀態(tài)，也可以兩臺都在工頻狀態(tài)；
該系列變頻采用若干個低壓PWM變頻功率單元串聯(lián)的方式實現(xiàn)直接高壓輸出。變頻器具有對電網(wǎng)諧波污染極小，輸入功率因數(shù)高，輸出波形質(zhì)量好，不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱、轉(zhuǎn)矩脈動、噪音、dv/dt及共模電壓等問題的特性，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機，不需要更換電機。
一拖二手動旁路系統(tǒng)
基本原理：它是由8個高壓隔離開關(guān)QS1～QS8組成（見左圖）。其中QS2和QS3,QS5和QS6安裝機械互鎖裝置；各隔離開關(guān)間有電氣互鎖。如果兩路電源同時供電，M1工作在變頻狀態(tài)，M2工作在工頻狀態(tài)時，QS3、QS7和QS4、QS5、QS8分閘，QS2、QS1和QS6處于合閘狀態(tài)；M2工作在變頻狀態(tài)，M1工作在工頻狀態(tài)時，與M1工作在變頻狀態(tài)，M2工作在工頻狀態(tài)時類似；如果檢修變頻器，QS3和QS6可以處于任一狀態(tài)，其它隔離開關(guān)都分閘，兩臺負載可以同時工頻運行；當(dāng)一路電源檢修時，可以通過分合隔離開關(guān)使任一電機變頻運行。
特點：正常情況下，允許有一負載工作在變頻狀態(tài)，另一負載工作在工頻狀態(tài)，也可以兩臺都在工頻狀態(tài)。
同時工頻運行時1#電機通過QS7、QS3 ，2#電機通過QS8、QS6切換完成反風(fēng)功能，變頻運行時通過變頻設(shè)備內(nèi)部設(shè)置即可完成電機轉(zhuǎn)向的正反方向的轉(zhuǎn)換完成反風(fēng)功能。
2、控制系統(tǒng)方案
變頻系統(tǒng)控制方式可以采用下述4種方式，現(xiàn)場用戶可以根據(jù)實際情況采用相應(yīng)的一種或幾種控制方式。
A、閉環(huán)控制方式
變頻系統(tǒng)可以根據(jù)現(xiàn)場要求在變頻操作界面上設(shè)定需要的壓力或流量值、或通過模擬給定形式給定需要的壓力或流量值，變頻設(shè)備根據(jù)設(shè)定值和現(xiàn)場壓力或流量的反饋值自動閉環(huán)控制調(diào)節(jié)設(shè)備轉(zhuǎn)速，使系統(tǒng)壓力或流量值運行在要求的設(shè)定值。
B、本控開環(huán)控制方式
變頻系統(tǒng)可以通過本控方式在變頻設(shè)備控制柜監(jiān)控界面手動設(shè)定負載設(shè)備需要運行的轉(zhuǎn)速值，變頻設(shè)備自動將負載設(shè)備傳動到要求轉(zhuǎn)速值。
C、總線控制方式
變頻系統(tǒng)也可以通過RS485、Profibus/Device Net 與工廠控制系統(tǒng)通訊進行協(xié)調(diào)控制。
D、遠控開環(huán)控制方式
變頻調(diào)速系統(tǒng)可由現(xiàn)場DCS監(jiān)控操作系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)控制，根據(jù)運行工況按設(shè)定程序，實現(xiàn)對負載設(shè)備電動機轉(zhuǎn)速控制。
具體控制接口情況如下：
變頻系統(tǒng)和現(xiàn)場DCS監(jiān)控操作系統(tǒng)進行通訊連接，從現(xiàn)場DCS監(jiān)控操作系統(tǒng)上發(fā)出變頻器的啟動、停機等信號。變頻器反饋以下信號接入到現(xiàn)場監(jiān)控操作系統(tǒng)上： (1)報警及故障信息：重故障報警、輕故障報警；(2)調(diào)速裝置的狀態(tài)信息：待機狀態(tài)、正常運行狀態(tài)、故障狀態(tài)、系統(tǒng)旁路狀態(tài)；（3）電機電流、轉(zhuǎn)速、電壓等。
以下為變頻器與現(xiàn)場DCS監(jiān)控操作系統(tǒng)系統(tǒng)具體接口：
1）．變頻器需要提供的開關(guān)量輸出6：
(1) 變頻器待機狀態(tài)指示：表示變頻器已待命，具備啟動條件。
(2) 變頻器運行狀態(tài)指示：表示變頻器正在運行。
(3) 變頻器控制狀態(tài)指示：節(jié)點閉合表示變頻器控制權(quán)為現(xiàn)場遠程控制；節(jié)點斷開表示變頻器控制權(quán)為本地變頻器控制。
(4) 變頻器輕故障指示：表示變頻器產(chǎn)生報警信號。
(5) 變頻器重故障指示：表示變頻器發(fā)生重故障，立即關(guān)斷輸出切斷高壓。
(6)電機在工頻旁路：表示風(fēng)機電動機處于工頻旁路狀態(tài)。
以上所有數(shù)字量采用無源接點輸出，定義為接點閉合時有效。除特別注明外，接點容量均為AC220V、3A/DC24V，1A。
2）．變頻器需要提供的模擬量2路：
(1) 變頻器輸出轉(zhuǎn)速
(2) 電機電流
變頻器提供2路4～20mADC的電流源輸出（變頻器供電），帶負載能力均為250Ω。
3）．需要提供給變頻器的模擬量1路：
(1) 變頻器轉(zhuǎn)速給定值
現(xiàn)場提供1路4～20mADC二線制電流源輸出，帶載能力必須大于250Ω，4～20mADC對應(yīng)轉(zhuǎn)速低高限，須呈線性關(guān)系。
4）．需要提供給變頻器的開關(guān)量有2路：
(1) 啟動指令：干接點，3秒脈沖閉合時有效，變頻器開始運行。
(2) 停機指令：干接點，3秒脈沖閉合時有效，變頻器正常停機。
5、變頻器與其他電氣設(shè)備接口
1）．變頻器給高壓開關(guān)柜的有2路：
(1)高壓緊急分斷：變頻器出現(xiàn)重故障時，自動分斷高壓開關(guān)，閉點有效。
(2)高壓合閘允許：變頻器自檢通過或系統(tǒng)處于工頻狀態(tài)，具備上高壓條件，閉點有效。
以上所有數(shù)字量采用無源接點輸出，定義為接點閉合時有效。除特別注明外，接點容量均為DC220V，3A。
2）．高壓開關(guān)柜給變頻器的狀態(tài)信號1路：
(1)高壓開關(guān)分閘信號：高壓開關(guān)處于分斷時，輔助節(jié)點閉合；1個。
變頻系統(tǒng)具有如下特點：
變頻系統(tǒng)，既可以變頻調(diào)速運行，也可以投工頻運行；
為變頻器提供的交流220V控制電源掉電時，變頻器可以通過內(nèi)部配置UPS供電使控制系統(tǒng)繼續(xù)運行達30分鐘；現(xiàn)場如果采用交、直流220V雙路供電時，變頻裝置能按照交流電源優(yōu)先的原則進行交、直流無擾切換供電，保證供電可靠性。
在現(xiàn)場速度給定信號掉線時，變頻器提供報警的同時，可按原轉(zhuǎn)速繼續(xù)運轉(zhuǎn)，維持機組的工況不變；
3、有關(guān)變頻改造后風(fēng)機效率情況說明
風(fēng)機設(shè)備工頻運行時，為保證生產(chǎn)工藝要求的壓力及流量值，一般通過改變風(fēng)門擋板的開度滿足要求，相應(yīng)的風(fēng)道風(fēng)阻曲線也會發(fā)生變化；故工頻運行擋板調(diào)節(jié)方式是一種保持風(fēng)機特性曲線及效率范圍不變，改變風(fēng)道風(fēng)阻曲線來滿足實際工藝需求的方式，由于風(fēng)道風(fēng)阻曲線的變化就有可能會出現(xiàn)風(fēng)機運行在低效率區(qū)的情況。
主扇風(fēng)機變頻改造后，其各轉(zhuǎn)速點的壓力和流量曲線相對工頻時的曲線是平行往下移動的，相應(yīng)的各速度點的風(fēng)機高效運行區(qū)也是跟著各轉(zhuǎn)速點的壓力和流量曲線移動的；變頻改造后，在保持風(fēng)道風(fēng)阻曲線不變的情況下，通過調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速達到滿足工藝要求壓力和流量的目的；故變頻運行調(diào)節(jié)方式是一種保持風(fēng)道風(fēng)阻曲線不變，改變壓力和流量曲線來滿足實際工藝需求的方式，由于風(fēng)機效率曲線是跟著各轉(zhuǎn)速點的壓力和流量曲線移動變化的，故變頻改造后能保證風(fēng)機一直運行在高效率區(qū)。
4、系統(tǒng)散熱方案
高壓變頻器屬于大型電子設(shè)備，對環(huán)境要求比較嚴格。統(tǒng)計多臺設(shè)備的運行情況，由于現(xiàn)場環(huán)境溫度過高而引起的設(shè)備故障比例較大，因此總結(jié)了三種方案為：1、加裝風(fēng)道；2、加裝空調(diào)；3、加裝空冷器。三種方案各有其適用的范圍。
1、加裝風(fēng)道。常規(guī)的設(shè)計是在機柜上面安裝風(fēng)道，將變頻器產(chǎn)生的熱量直接排放到室外，由變頻器室的進風(fēng)口不斷補充冷風(fēng)，對系統(tǒng)進行冷卻。在使用中需要注意的是如果變頻器柜頂風(fēng)機距出風(fēng)口較近（小于2米，中間無轉(zhuǎn)折），出風(fēng)口可不加裝輔助排風(fēng)機，否則需加裝排風(fēng)機。如果進風(fēng)口的現(xiàn)場施工存在不便，風(fēng)道需有轉(zhuǎn)折，則可以考慮加裝風(fēng)機強迫進風(fēng)。
加裝風(fēng)道的優(yōu)點是成本低，可靠性高，散熱效果良好。適用于現(xiàn)場環(huán)境比較清潔的場合，否則就需要經(jīng)常清洗濾網(wǎng)。
2、加裝空調(diào)就是把高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)放置于一個比較封閉且相對狹小的房間內(nèi)（主要是可以減小空調(diào)的容量），但要滿足系統(tǒng)維護的需要，然后在房間內(nèi)安裝空調(diào)，通過空調(diào)內(nèi)部的循環(huán)將高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量排到室外。空調(diào)總體的制冷量為變頻器的發(fā)熱量加上空間制冷所需的制冷量。變頻器發(fā)熱需要根據(jù)運行工況選擇，考慮一定的裕量，最大發(fā)熱量為變頻器額定功率的4%，如果長期運行頻率低于40Hz，則發(fā)熱量可按照變頻器額定功率的2%進行估算。空間制冷所需的制冷量，一般每平方米可以按照150瓦特計算。
加裝空調(diào)的優(yōu)點是由于沒有室內(nèi)外空氣的直接流通，容易保持室內(nèi)環(huán)境的清潔，但是空調(diào)的可靠性會影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，初次投資和運行成本會相應(yīng)增加。
3、加裝空冷器。空冷器是一種利用高效、環(huán)保、節(jié)能的冷卻系統(tǒng)，其應(yīng)用技術(shù)在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位。從變頻器出來的熱風(fēng)，經(jīng)過風(fēng)管連接到內(nèi)有固定水冷管的散熱器中，散熱器中通過溫度低于33℃的冷水，熱風(fēng)經(jīng)過散熱片后，將熱量傳遞給冷水，變成冷風(fēng)從散熱片吹出，熱量被循環(huán)冷卻水帶走，保證了變頻器控制室內(nèi)的溫度恒定。
三、風(fēng)機變頻調(diào)速節(jié)能分析及計算
1、現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)：
五溝煤礦風(fēng)機運行工況調(diào)查表
1、設(shè)備基本情況表（銘牌）：
2、運行情況表（實際運行,取10～30天數(shù)據(jù)，）：
2、工頻狀態(tài)下耗電計算
Pd：電動機功率 ； 
d：電動機效率 ； U：電動機輸入電壓 ；
I：電動機實際運行電流 ；cosφ：功率因子。
計算公式：Pd = 
× U × I × cosφ …①
然后將電機實際工頻下運行的電流代入上面的公式，得出電機工頻狀態(tài)下的功率Pd
實際計算方法：工頻運行下功率：Pd=
×6.3×38.7×0.85=358.9KW
3、變頻狀態(tài)下年耗電量計算
1）、風(fēng)機類負載的運行特性及管路性能曲線的繪制與計算：
Pd’：電動機軸功率 ； P′：風(fēng)機軸功率 ；
：電動機效率 ； 
：變頻器實際效率 ；
Q：出口流量 ；H：出、入口壓力差，。
風(fēng)機設(shè)備屬平方轉(zhuǎn)矩負載，其轉(zhuǎn)速n與流量Q，壓力H以及軸功率P具有如下關(guān)系：Q∝n ，H∝n2，P∝n3；即，流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。通過風(fēng)機數(shù)據(jù)，依據(jù) 
公式可依次求得風(fēng)機在采用變頻調(diào)速運行時對應(yīng)的風(fēng)機總功耗
。
另有，電動機效率 與電動機負荷率β之間的關(guān)系如圖一所示。
變頻器的效率 與電動機負荷率β之間的關(guān)系如圖二所示。
綜合考慮到電動機效率
和變頻器的效率
，
則網(wǎng)測功率損耗
…②
節(jié)電率 =
…③
風(fēng)機風(fēng)葉角度42°時，風(fēng)機效率最大，在此工況下，電機轉(zhuǎn)速757r/min，
風(fēng)機實際軸功率P′=
= 
=223.5 kW
變頻網(wǎng)側(cè)功耗
=
=
292.1 kW
考慮變頻冷卻的消耗功率在12kw，
則節(jié)電率 =
=
=18.6%
我礦扇風(fēng)機房年用電量298萬度，如按節(jié)電18.6%計算，則年節(jié)電55.4萬度，綜合電價0.61元，年節(jié)約資金33.79萬元。
計算說明：
現(xiàn)場設(shè)備變頻改造后實際節(jié)電效果僅僅與現(xiàn)有設(shè)備工頻運行時的工況及電流有關(guān)，與節(jié)電計算是沒有關(guān)系的；好的節(jié)電計算僅僅能達到能為設(shè)備變頻改造提供比較準(zhǔn)確的節(jié)電率估算的作用；變頻改造后，不管采用什么品牌的變頻器，在設(shè)備能夠穩(wěn)定運行的情況下其節(jié)電效果是基本相同的；品質(zhì)優(yōu)良的變頻設(shè)備能夠很好的保障用戶的節(jié)能效果和在各種生產(chǎn)過程正常高效地運行。
四、應(yīng)用高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生的其他效果
1、維護量減少。采用變頻調(diào)速后，無論哪種工藝條件，隨時可以通過調(diào)整轉(zhuǎn)速使系統(tǒng)運行在工藝要求的狀態(tài)下工作。
2、提高設(shè)備的使用壽命，大大降低維修費用以及時間。
3、工作強度降低。變頻調(diào)速系統(tǒng)可由主控系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)控制，根據(jù)運行工況按設(shè)定程序，實現(xiàn)對負載電動機轉(zhuǎn)速自動控制。大大降低了勞動強度，提高了生產(chǎn)效率，為優(yōu)化運營提供了可靠保證。
4、減少了對電網(wǎng)的沖擊。采用變頻調(diào)節(jié)后，系統(tǒng)實現(xiàn)軟啟動，電機啟動電流遠遠小于額定電流，啟動時間相應(yīng)延長，對電網(wǎng)無大的沖擊，減輕了起動機械轉(zhuǎn)矩對電機機械損傷，有效的延長了電機的使用壽命。
5、提高功率因數(shù)
電壓源型變頻器功率因數(shù)可達0.96,采用變頻調(diào)速系統(tǒng)后，無需無功補償裝置就能滿足電網(wǎng)要求。不但提高了廠變及其它相關(guān)電氣設(shè)備的利用率、而且節(jié)約了線路能量損失，節(jié)約了經(jīng)費，可謂一舉多得。
6、完善的故障診斷和保護功能
變頻器具備對電機和變頻器本身完善的保護功能，如過熱、過載、過流、過壓、缺相、接地等，從而避免設(shè)備在不正常狀態(tài)下長時間運行，保證設(shè)備不至于損壞。并且，故障信息可以準(zhǔn)確地指示故障點，變頻器使用說明書中還有引起故障的原因及排除故障的措施，極大地方便了維護人員排查故障。
曹啟申，男，1977年6月出生，籍貫：安徽淮北，畢業(yè)于淮南工業(yè)學(xué)院電氣自動化專業(yè)，現(xiàn)任機運事業(yè)部電氣主管，工程師，從事四大件電氣技術(shù)維護、管理工作。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號