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摘要：矿井主扇风机是煤矿生产中主要的用电负荷之一，风机是按照矿井最大用风量进行选型设计。根据规程要求对井下需求供风量进行计算，流量达到15516m3/min就能满足井下供风要求。为了节约能源的消耗，对主扇风机进行高压变频改造，改造后风机运行稳定，大大地节约了能源的消耗。
关键词：矿井通风机；变频器；变频调速
中图分类号：TD633 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）26-0084-02
1 概述
我公司使用两台通风机是沈阳通鼓风机厂生产的型号为K4-73-01№32F的离心式主通风机，各配有一台Y630-12G型电动机，额定电压6kV，功率1200kW，额定电流150A，转速580r/min，一台工作，一台备用，该风机的额定流量为20000m3/min。负压2300Pa，所需流量为
15516m3/min。
2 主扇风机采用高压变频调速可行性分析
范各庄风机主要技术参数表如表1所示：
表1
设备名称 离心式风机 生产
厂家 沈阳通鼓风机厂
通风机
铭牌参数 型号 K4-73-01№32F
额定流量（m3/min） 20000
工作压力（kPa） 2.4
转速（r/min） 580
叶轮直径（m） 3.2
轴功率（kW） 1200
额定效率（%） 85
电动机
铭牌参数 型号 Y630-12G-2/Y630-12G-1
额定功率（kW） 1200
定子电压（V） 6000
定子电流（A） 150
转速（r/min） 496
功率因数 0.81
如图1所示，是通过调节风机的转速来改变风机特性的曲线，从图中可以看到：当风机转速调至n1时，风压-风量曲线与管网特性曲线R相交于点M1，风机的风量、风压分别为Q1、H1；相应的当风机转速调至n2时，风压-风量曲线与管网特性曲线R相交于点M2，风机的风量、风压分别为Q2、H2。n1>n2，根据特性曲线可以看出，当转速降低，流量降低，同时风机压力也随之降低，风机内部压力也随之下降。这样就可以使用高压变频器，通过改变频率来改变风机的转速，这种方法不必改造风机本身，只需由外部调节风机转速，风机档板能够保持全开的位置不变，同时能够实现无级线性调节风量，适用于需要风机连续运行、连调节的场合。
图1 调节风机转速改变风机的特性曲线
3 高压变频改造技术方案
高压变频器工作原理：三相6kV高压交流电通过高压开关柜送至干式隔离移相变压器，供给每相5个共计15个单相IGBT逆变器功率单元，采用Y形连接，每相上的5个功率单元输出的SPWM波相叠加后，将形成线电压为6kV的高质量的正选波输出，供给电动机。通过控制此输出正弦波的电压幅值和频率，来控制电动机的转速。
图2 曲型系统连接电路
系统连接电路：如图2所示是高压变频系统的典型的电路连接示意图，通过此图可以看出高压变频系统的整个工作过程：通过高压隔离开关K1变压器的原边能够连接到母线电网上，而母线电压经过多组副边绕组降压移项后，输入到高压变频器，高压电动机的工作就是有高压变频器的输出直接驱动的。
高压变频器主电路：图3所示就是高压变频器的主电路。图4和图5分别为实测的高压变频器输入电压波形和电流波形。
图3 变压变频器主电路
图4 高压变频器输和电压波形
图5 高压变频器输入电流波形
电压叠加原理：将多个功率单元的输出电压相互叠加就形成了高压变频器的输出电压。例如由5级功率单元叠加形成的6kV高压变频器的电压叠加原理如图6所示：
图6 高压变频器电压叠加原理
当电网电压为6kV时，变压器的副边输出电压即功率单元的输入电压为690V，每个功率单元的最高输出电压也为690V，同一相的五个单元串联后，相电压为690V×5=3450V，由于三相连接成星型，那么线电压便等于1.732×3450V≈6000V，达到电网电压的水平。
图6所示，是多个功率单元串联后所得到的阶梯正弦PWM波形。
图7所示，是实测得到的高压变频器输出电压波形和电流波形。
正弦PWM波形因为正弦度好、du/dt值小。
图7 功率单无输出波形及输出相电压波形
高压变频器的系统组成：高压变频调速系统的组成包括功率柜和变压器柜、旁路柜。
4 风机应用高压变频器后取得的效果
（1）变频器控制电源可以实现双路同时供电，保证控制电安全可靠。（2）变频器除具有远程控制外还可以实现本机控制，即可通过变频器本机控制操作面板选择“本机/远程”控制。（3）变频器具有过流、短路、接地、过压、超温、通信故障、控制电源故障等保护功能。（4）高压变频器自身功率因数高，无需额外的无功补偿装置。（5）变频器与现有风机控制系统配套使用。（6）能够实现现场、矿调度室远程监控变频器与风机的运行状况。（7）根据GB12497《三相异步电动机经济运行》强制性国家标准实施监督指南中的计算公式可计算出年节约电能消耗：
P=[0.45+0.55（Q/Qn）]
Pe=[0.45+0.55×257/333]×1200=1079kW
式中：
Q——风机实际风量
Qn——风机额定风量
Pe——电机额定功率
节电率由公式k=1-（Q/Qn）3/[0.45+0.55（Q/Qn）2]=1-0.773/[0.45+0.55（0.772）]=0.41
年节电：1079×0.41×24×330=350.3728万度，每度按0.5元/度计算，年可节电：350.3728×0.5=174.1864万元。
5 结语
采用高压变频调速装置，风机得到高效运转，减少了风机负荷，节电效果显著，年节电350万kWh。采用变频调节后，系统实现软启动，减少了对电网的冲击，减轻了起动对风机叶片、电机的机械损伤；大幅度降低风机噪音和振动，减少了噪声对环境的污染，具有一定推广应用价值。
参考文献
[1] 朱荣花，于励鹏.矿井通风机与通风系统的经济运行分析[J].煤矿安全，2009，（8）.
[2] 荣信.RHVC系列高压变频器用户手册.
[3] 李峰，李永强，王伟.浅析矿井通风机采用变频的节能效果[J].才智，2008，（14）.
作者简介：宋长喜（1963—），河北唐山人，开滦能源化工股份有限公司范各庄矿业分公司生产部机电副总，电气高级工程师。
关键词：矿井通风机；变频器；变频调速
中图分类号：TD633 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）26-0084-02
1 概述
我公司使用两台通风机是沈阳通鼓风机厂生产的型号为K4-73-01№32F的离心式主通风机，各配有一台Y630-12G型电动机，额定电压6kV，功率1200kW，额定电流150A，转速580r/min，一台工作，一台备用，该风机的额定流量为20000m3/min。负压2300Pa，所需流量为
15516m3/min。
2 主扇风机采用高压变频调速可行性分析
范各庄风机主要技术参数表如表1所示：
表1
设备名称 离心式风机 生产
厂家 沈阳通鼓风机厂
通风机
铭牌参数 型号 K4-73-01№32F
额定流量（m3/min） 20000
工作压力（kPa） 2.4
转速（r/min） 580
叶轮直径（m） 3.2
轴功率（kW） 1200
额定效率（%） 85
电动机
铭牌参数 型号 Y630-12G-2/Y630-12G-1
额定功率（kW） 1200
定子电压（V） 6000
定子电流（A） 150
转速（r/min） 496
功率因数 0.81
如图1所示，是通过调节风机的转速来改变风机特性的曲线，从图中可以看到：当风机转速调至n1时，风压-风量曲线与管网特性曲线R相交于点M1，风机的风量、风压分别为Q1、H1；相应的当风机转速调至n2时，风压-风量曲线与管网特性曲线R相交于点M2，风机的风量、风压分别为Q2、H2。n1>n2，根据特性曲线可以看出，当转速降低，流量降低，同时风机压力也随之降低，风机内部压力也随之下降。这样就可以使用高压变频器，通过改变频率来改变风机的转速，这种方法不必改造风机本身，只需由外部调节风机转速，风机档板能够保持全开的位置不变，同时能够实现无级线性调节风量，适用于需要风机连续运行、连调节的场合。
图1 调节风机转速改变风机的特性曲线
3 高压变频改造技术方案
高压变频器工作原理：三相6kV高压交流电通过高压开关柜送至干式隔离移相变压器，供给每相5个共计15个单相IGBT逆变器功率单元，采用Y形连接，每相上的5个功率单元输出的SPWM波相叠加后，将形成线电压为6kV的高质量的正选波输出，供给电动机。通过控制此输出正弦波的电压幅值和频率，来控制电动机的转速。
图2 曲型系统连接电路
系统连接电路：如图2所示是高压变频系统的典型的电路连接示意图，通过此图可以看出高压变频系统的整个工作过程：通过高压隔离开关K1变压器的原边能够连接到母线电网上，而母线电压经过多组副边绕组降压移项后，输入到高压变频器，高压电动机的工作就是有高压变频器的输出直接驱动的。
高压变频器主电路：图3所示就是高压变频器的主电路。图4和图5分别为实测的高压变频器输入电压波形和电流波形。
图3 变压变频器主电路
图4 高压变频器输和电压波形
图5 高压变频器输入电流波形
电压叠加原理：将多个功率单元的输出电压相互叠加就形成了高压变频器的输出电压。例如由5级功率单元叠加形成的6kV高压变频器的电压叠加原理如图6所示：
图6 高压变频器电压叠加原理
当电网电压为6kV时，变压器的副边输出电压即功率单元的输入电压为690V，每个功率单元的最高输出电压也为690V，同一相的五个单元串联后，相电压为690V×5=3450V，由于三相连接成星型，那么线电压便等于1.732×3450V≈6000V，达到电网电压的水平。
图6所示，是多个功率单元串联后所得到的阶梯正弦PWM波形。
图7所示，是实测得到的高压变频器输出电压波形和电流波形。
正弦PWM波形因为正弦度好、du/dt值小。
图7 功率单无输出波形及输出相电压波形
高压变频器的系统组成：高压变频调速系统的组成包括功率柜和变压器柜、旁路柜。
4 风机应用高压变频器后取得的效果
（1）变频器控制电源可以实现双路同时供电，保证控制电安全可靠。（2）变频器除具有远程控制外还可以实现本机控制，即可通过变频器本机控制操作面板选择“本机/远程”控制。（3）变频器具有过流、短路、接地、过压、超温、通信故障、控制电源故障等保护功能。（4）高压变频器自身功率因数高，无需额外的无功补偿装置。（5）变频器与现有风机控制系统配套使用。（6）能够实现现场、矿调度室远程监控变频器与风机的运行状况。（7）根据GB12497《三相异步电动机经济运行》强制性国家标准实施监督指南中的计算公式可计算出年节约电能消耗：
P=[0.45+0.55（Q/Qn）]
Pe=[0.45+0.55×257/333]×1200=1079kW
式中：
Q——风机实际风量
Qn——风机额定风量
Pe——电机额定功率
节电率由公式k=1-（Q/Qn）3/[0.45+0.55（Q/Qn）2]=1-0.773/[0.45+0.55（0.772）]=0.41
年节电：1079×0.41×24×330=350.3728万度，每度按0.5元/度计算，年可节电：350.3728×0.5=174.1864万元。
5 结语
采用高压变频调速装置，风机得到高效运转，减少了风机负荷，节电效果显著，年节电350万kWh。采用变频调节后，系统实现软启动，减少了对电网的冲击，减轻了起动对风机叶片、电机的机械损伤；大幅度降低风机噪音和振动，减少了噪声对环境的污染，具有一定推广应用价值。
参考文献
[1] 朱荣花，于励鹏.矿井通风机与通风系统的经济运行分析[J].煤矿安全，2009，（8）.
[2] 荣信.RHVC系列高压变频器用户手册.
[3] 李峰，李永强，王伟.浅析矿井通风机采用变频的节能效果[J].才智，2008，（14）.
作者简介：宋长喜（1963—），河北唐山人，开滦能源化工股份有限公司范各庄矿业分公司生产部机电副总，电气高级工程师。