（ 1�鄙轿魅�元煤業(yè)有限公司，山西長冶市，046013；��

2�北本┨鞂欕娏�技術(shù)公司，北京市東城區(qū)，100027）

摘 要  介紹了山西三元煤業(yè)有限公司對主要通風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻改造的原理方案和效果。該主要通風(fēng)機(jī) 工頻運(yùn)行時(shí) 存在起動電流過大、調(diào)控不便、電能浪費(fèi)嚴(yán)重、維修工作量大等問題；為解決上述問題，通 過選用北京天寵電力技術(shù)公司生產(chǎn)的MDS2000高壓變頻器進(jìn)行改造，并進(jìn)行了測試，取得了 良好的效果，節(jié)能效果顯著。��

關(guān)鍵詞 主要通風(fēng)機(jī) 變頻調(diào)速 風(fēng)量調(diào)控 節(jié)能

1 引言

變頻調(diào)速技術(shù)及系統(tǒng)的應(yīng)用能夠使電力傳動系統(tǒng)的控制性能和節(jié)能水平有較大幅 度提高。我國現(xiàn)有各類電動機(jī)總裝機(jī)容量達(dá)3��5億kWh,電耗占總用電量的50％左右�？� 慮到生產(chǎn)機(jī)械在各種工況下的工作運(yùn)行，因而配用的拖動電動機(jī)功率一般定位在最大工作能 力 情況下。而大量的生產(chǎn)場合由于功率需求始終處在變動狀態(tài)中，因此在定速拖動方式下， 無法進(jìn) 行拖動功率與實(shí)際功率需求的匹配平衡。在低功率需求的情況下，就導(dǎo)致大量的電動機(jī)處 于 輕載運(yùn)行，電能利用率低，浪費(fèi)電能現(xiàn)象嚴(yán)重。在電傳系統(tǒng)中，加入變頻器環(huán)節(jié)，可較大幅 度地降低生產(chǎn)性電耗，還可大大優(yōu)化生產(chǎn)機(jī)械的控制性能。煤炭行業(yè)中的礦井通風(fēng)，配備了 大量的功率較大的主要通風(fēng)機(jī)，其平均效率僅達(dá)60％，運(yùn)行效率不到55％，比國外水平低15個(gè)百分點(diǎn)。在礦井主要通風(fēng)機(jī)的拖動系統(tǒng)上實(shí)施變頻調(diào)速技術(shù)改造，可產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益。 ��

2 基本情況介紹

山西三元煤業(yè)有限公司是新建礦，現(xiàn)在年生產(chǎn)能力已達(dá)100萬t，生產(chǎn)用電量很大，主要用 電設(shè)備為礦井主要通風(fēng)機(jī)及提升設(shè)備。礦井通風(fēng)設(shè)備是根據(jù)生產(chǎn)發(fā)展規(guī)劃配備的，電機(jī)及主 要通風(fēng)機(jī) 容量選用的比較大，由于建礦時(shí)間短，實(shí)際生產(chǎn)能力沒有達(dá)到中遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)水平，因此通風(fēng)設(shè)備存在較大裕量。��

三元煤業(yè)公司礦井只有一個(gè)采區(qū)，礦井通風(fēng)方式為抽出式，設(shè)有一個(gè)通風(fēng)機(jī)房，裝備兩臺 軸流式 通風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)啟動方式為串電抗器降壓啟動，兩臺同型號的主要通風(fēng)機(jī)互為備用。主要通風(fēng) 機(jī)選 用的是沈陽風(fēng)機(jī)廠生產(chǎn)的2K58系列礦井軸流通風(fēng)機(jī)，型號為2K58-No28型，額定電壓600 0V，轉(zhuǎn)速590r/ min。配備電機(jī)均為沈陽電機(jī)廠生產(chǎn)的高壓電機(jī)，型號為JS-157-10，額 定電壓6000V，額定電流33A，額定功率260kW，轉(zhuǎn)速 590r/ min。��

1998年由山西省煤礦節(jié)能監(jiān)測中心對兩臺2K58-No28通風(fēng)機(jī)的性能進(jìn)行了技術(shù)測定。通風(fēng) 機(jī)效率為86.3%；通風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)為：風(fēng)量104m��3/s，全壓為1996Pa，風(fēng)機(jī)效率為27.5 %， 風(fēng)機(jī)軸功率90kW。針對礦井實(shí)際的風(fēng)量需求，采用調(diào)節(jié)前導(dǎo)器角度和調(diào)節(jié)垂直風(fēng)門開啟度實(shí) 現(xiàn)風(fēng)量調(diào)整。經(jīng)計(jì)算，通風(fēng)機(jī)房兩臺2K58-No28通風(fēng)機(jī)采用輪換工作制，與近最佳工況運(yùn)行 情況相比，每年多消耗電能45.32萬kWh，電能浪費(fèi)十分嚴(yán)重。��

初期（近10年內(nèi)），整個(gè)風(fēng)機(jī)和電拖動系統(tǒng)處于低效率運(yùn)行狀態(tài)，存在“大馬拉小車”的問題，在礦井生產(chǎn)后期，260kW的電動機(jī)仍能 滿 足后期通風(fēng)的需求。同時(shí)電機(jī)起動電流過大，盡管加入起動電抗器，起動電流仍然很大。 在正常生產(chǎn)過程中以及采煤斷面的加深和延長，對風(fēng)量和風(fēng)壓有著不同的要求，而對風(fēng)量的 不同需求，一般是通過人工改變風(fēng)門的開啟度或者改變風(fēng)機(jī)的扇葉角度來實(shí)現(xiàn)的，勞動強(qiáng)度 大，風(fēng)量調(diào)控不便，設(shè)備維修工作量大。��

為解決上述問題，我們根據(jù)我 礦的實(shí)際生產(chǎn)及發(fā)展要求，選用北京天寵電力技術(shù)有限公司生產(chǎn)的高壓變頻調(diào)速器MDS2000- 260/6G一臺，對主要通風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速技術(shù)改造。��

3 風(fēng)機(jī)調(diào)速運(yùn)行節(jié)能原理

通常調(diào)節(jié)風(fēng)量的方法有改變風(fēng)門開度和改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速兩種方法。��

風(fēng)機(jī)的壓力—風(fēng)量特性曲線如圖1（略）。��

根據(jù)風(fēng)機(jī)軸功率諸公式：

�И�P=KQp/η�璫η�璪〖JY〗(1)�И�

式中：��

�玃��——軸功率（kW）； 〖WB〗�獽��——系數(shù)；��

�玅��——風(fēng)量（m��3/s）； ��η���璪——風(fēng)機(jī)效率；��

�玴��——壓力（Pa）； ��η���璫——傳動裝置效率（直接傳動時(shí)為1）��

風(fēng)機(jī)G��2，G��5工作點(diǎn)的軸功率為：

P���〨2��=KQ��2P��2/η�璫η�璪(�玨W��)��

P���〨5��=KQ��2P��5/η�璫η�璪(�玨W��)��

△P=KQ��2(P��2-P��5)/η�璫η�璪(�玨W��)�И�

△Pn��即為風(fēng)機(jī)調(diào)速控制所節(jié)省的功率，或者說風(fēng)門調(diào)節(jié)時(shí)要多消耗在風(fēng)門上的功率 。

根據(jù)風(fēng)機(jī)風(fēng)量、壓力、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系：

〗Q∝n��

p∝T∝n��2 (2)��

P∝Tn∝n��3�И�

式中： �玅——風(fēng)量；

p——壓力；

T——轉(zhuǎn)矩；

P��——軸功率〖ZK)〗��

可以看出，風(fēng)量與轉(zhuǎn)速的1次方成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的2次方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的3次方 成正比。調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速即可調(diào)節(jié)輸入風(fēng)機(jī)的功率。��

交流電機(jī)轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系為：

�И�N=60f(1-S)/p (3)�И�

式中：

N——轉(zhuǎn)速； f——電機(jī)電源頻率；��

p——電機(jī)極對數(shù)；   S��——轉(zhuǎn)差率��

從（1）、（2）、（3）式可以看出，均勻調(diào)節(jié)電機(jī)定子繞組的電源頻率f，就可以均勻地改 變電機(jī)轉(zhuǎn)速，改變轉(zhuǎn)速即可調(diào)節(jié)風(fēng)量的大小。因此調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，就可相應(yīng)地調(diào)節(jié)輸入風(fēng)機(jī) 的功率。這樣，避免風(fēng)門調(diào)節(jié)風(fēng)量時(shí)消耗在風(fēng)門上的功率，這正是采用變頻調(diào)速達(dá)到節(jié)能的 原理。��

4 高壓變頻調(diào)速器MDS2000工作原理

MDS2000高壓變頻器采用直接高-高變換的方式，多電平串聯(lián)倍壓技術(shù)方案。整個(gè)設(shè)備是由切 分裝置、變換裝置和控制裝置三部分組成。��

切分裝置是一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的三相隔離變壓器。該變壓器一次輸入有三個(gè)分接頭，分別對應(yīng)的 一次輸入電壓為6000V、6300V、5700V，即對電網(wǎng)的輸入可調(diào)整為電網(wǎng)輸入的100%、105%、9 5%，目的在于適應(yīng)電網(wǎng)寬范圍的電壓輸入。本裝置的變壓器輸入電壓符合國家標(biāo)準(zhǔn)，容 量為330kVA。變壓器的二次有三組輸出，對應(yīng)三相輸出，每組包括8個(gè)獨(dú)立的切分單元繞組 ，繞組之間相差一定的電角度，每個(gè)繞組輸出同樣大小的三相交流電。��

本裝置的變換裝置是由24個(gè)結(jié)構(gòu)相同的功率模塊組成，主電路結(jié)構(gòu)采用電平串聯(lián)倍壓方式， 8個(gè)功率模塊串聯(lián)成一相，三相輸出采用Y形接法。每個(gè)功率單元包含整流、濾波、逆變3 個(gè)部分。通過軟件編程，控制逆變部分中的開關(guān)元件的開、關(guān)規(guī)律，從而控制每個(gè)逆變模塊 的輸出電壓幅值大小、方向和寬度（相應(yīng)的頻率）。��

波形的輸出采用優(yōu)化的PWM變換技術(shù)，對相電壓波形進(jìn)行優(yōu)化變形，提高電壓利用率；加上 輸出多電平的串聯(lián)倍壓，使得輸出波形更加接進(jìn)正弦波，有效地抑制輸出電壓和電波的諧 波含量。��

５ 改造方案

具體改造方式為：首先恢復(fù)風(fēng)機(jī)扇葉數(shù)量，將扇葉調(diào)整到最佳工作角度３0°，使風(fēng)機(jī)工作 在最佳狀態(tài)；利用變頻器變頻調(diào)速功能，根據(jù)生產(chǎn)對風(fēng)量和風(fēng)壓的要求，自動調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)吸風(fēng) 量，使風(fēng)機(jī)獲得最大的節(jié)能效果；同時(shí)變頻器具有軟起動功能，可根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)定相應(yīng) 的起動時(shí)間，以減少直接起動所產(chǎn)生的大的沖擊電流，取消了直接起動時(shí)所串接的限流電抗 器。��

改造后的系統(tǒng)主接線圖如圖2所示：��

圖2（略）

６ 改造前后的一些主要數(shù)據(jù)對比及效益

三元煤業(yè)公司在2001年８月初安裝使用該設(shè)備，運(yùn)行一段時(shí)間后，并經(jīng)過測試，整體情況和 以前工頻運(yùn)行時(shí)有以下幾個(gè)方面的比較。�� 

（1）改造前后的一些主要數(shù)據(jù)對比如表1。��

（２）整體情況��

①主要通風(fēng)機(jī)變改造后，在滿足正常生產(chǎn)對風(fēng)量（現(xiàn)在為46.33～53.67m��3/s）和風(fēng)壓（ 1700P a）需求的前提下，電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速比額定轉(zhuǎn)速590r/min下降了17%，電機(jī)實(shí)際功率為電機(jī)額 定功率的56%，節(jié)電率約在44%。��

表1 改造前后主要數(shù)據(jù)對比（略）

②變頻改造后，實(shí)現(xiàn)了軟起動，取消了起動時(shí)的限流電抗器，起動電流大大減小，低于 額定電流，避免的起動電流對電網(wǎng)和電機(jī)的沖激。��

③由于高壓變頻器功率因數(shù)高，不需功率補(bǔ)償，因而去掉了原有的并在電機(jī)輸入側(cè)的電容 器。��

④測試結(jié)果表明，變頻器輸出諧波含量很小，低于4%。��

⑤變頻改造后，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)對風(fēng)量的自動控制，提高了設(shè)備自動化控制程度和設(shè)備的可靠性 。��

⑥設(shè)備磨損減輕、維護(hù)費(fèi)用降低，延長了維護(hù)周期，工作強(qiáng)度減少。��

⑦變頻設(shè)備操作簡單，工況良好，運(yùn)行可靠。��

⑧變頻運(yùn)行后設(shè)備噪音降低、改善工作環(huán)境。��

７ 結(jié)語

通過此例應(yīng)用及其他的風(fēng)機(jī)變頻改造應(yīng)用實(shí)例，可以認(rèn)為：煤礦主要通風(fēng)機(jī)如能較為普遍地 實(shí)施變頻調(diào)速改造，經(jīng)濟(jì)效益是非常可觀的。��

對風(fēng)機(jī)實(shí)施變頻技術(shù)改造，實(shí)際上是在拖動風(fēng)機(jī)的電傳動系統(tǒng)中應(yīng)用了變頻調(diào)速技術(shù)。一 方面，變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用不僅能使電力傳動系統(tǒng)的節(jié)能水平有較大提高，另一方面，也能 使電力傳動系統(tǒng)的控制性能也得到較大的提高。��

變頻調(diào)速技術(shù)如能進(jìn)一步地在風(fēng)機(jī) 拖動以泵類機(jī)械拖動、及整個(gè)電力傳動系統(tǒng)中推廣應(yīng)用，將對推動企業(yè)科技進(jìn)步起到重要作 用。