秦晓霞赵颖
（北方工程设计研究院有限公司）
摘要：通风机对在整个矿区的生产和安全方面起着重中之重的作用，本着“安全、经济、节能、可控”的原则，本文经过多种方案比较及对高压变频器原理的阐述，论证了高压变频器在对旋风机中应用的合理性及先进性。
关键词：变频器；对旋风机；节能；控制
1、前言
煤炭工业堪称我国第一能源工业，既是产能大户，又是耗能大户，同时也是节能潜力大户。煤炭工业用的排水泵和通风机耗电量即占生产耗电的40%左右，其中通风机耗电占生产耗电的15%～25%。
通风机堪称煤矿的“肺脏”，担负着向井下输送新鲜空气，保障井下作业人员正常呼吸，同时还肩负着稀释、排除矿井瓦斯与粉尘以及作业区间降温等重任。主扇风机一旦发生故障，将会对整个矿区生产和安全造成重大影响。
2、以往的解决方法
在两级的轴流风机中，对旋风机具有结构紧凑、效率高、反风性能好等优点。这种风机是一拖二系统，抽风时需要先启动送风机，等送风机达到额定转速后，启动引风机，反风时过程相反。这种风机在直起过程中电网有明显的压降。
以往同类型的矿井的主扇风机通常采用以下几种方法调节：1、闸门调节，2、改变前导器叶片角度，3、轴流式通风机改变动叶安装角，4、离心式通风机调节尾翼摆角，5、轴流式通风机改变动叶数目，6、轴流式通风机改变静叶角度等方法。其中以闸门调节效率最差，它是人为地改变阻力曲线，增加风阻，越调节性能就越恶化；前导器叶片角度调节和尾翼摆角调节效率比闸门要高；改变动叶安装角和动叶数目，可改变风机的特性曲线，使风机在较大范围内以较高的效率运行，以达到节能降耗的目的。但以上几种方法，总体上来说通风效率都比较低，造成能源浪费，增加了生产成本。又由于主扇风机在设计时要考虑到矿井建设和开采前后期的风量变化，一般设计余量较大，在相当长的时间主扇风机一直处在较轻负载下运行，能源浪费更加突出。
当主扇风机采用直接启动或电抗器启动时，启动时间长，启动电流大，对电机绝缘有着较大威胁，严重时甚至烧毁电机。高压电机启动时产生的单轴转矩现象，使风机产生较大的震动应力，影响风机使用寿命。由此造成的维护成本很高。
针对以上问题，笔者经过多种方案比较，认为通过变频器改变通风机速度，使其在最佳工况点运行，使风机在最大范围内以最高的效率运行，节能效果好。采用变频调速技术可大幅度地降低电耗，节电率平均按30%计，年节电潜力至少（10～15）×108kW·h。变频器本身具有软启动功能，避免了对电机的机械损伤，又节约了一笔维护成本。每台电机配备一套高压变频器驱动，并配置旁路切换柜。同时采用“高压变频器＋PLC控制＋远程监控”的模式，自动采集各风机运行的工艺参数、电气参数及电气设备运行的状况。对风机运行状况自动做出判断及控制，并可通过通讯接口将信号传至矿井安全检测监控系统。自动化水平高，操作简单易行，节约人力资源。系统的控制应与高压开关柜、低压开关柜等相互配合。
3、高压变频器的工作原理
3.1变频调速系统
煤矿对旋风机高压变频调速系统采用自动一拖一方案，一台高压变频器驱动一台电机，为防止因变频器严重故障损坏而造成风机停机，每个电机设有旁路功能，变频器损坏后可以在工频下继续运行，如左图。
它由3个高压真空接触器KM41~KM43和2个高压隔离开关QS41和QS42组成。要求KM41、KM42不能和KM43同时闭合，在电气上实现互锁。变频运行时，KM41和KM42闭合，KM43断开；工频运行时，KM43闭合，KM41和KM42断开。
主回路用真空接触器实现通断，隔离开关实现检修隔离；进线端装有高压带电显示装置；外加输入、输出端子；分别有KM41、KM42、KM43及工频、变频的状态指示。
本工程采用的HARSVERT-A10高压变频调速系统采用单元串联多电平技术，属高-高电压源型变频器，直接10KV输入，10KV高压输出。变频器主要由移相变压器、器、功率模块和控制器组成。
HARSVERT-A10高压变频器输入侧由移相变压器给每个功率模块供电，移相变压器的副边绕组分为三组，根据电压等级和模块串联级数，一般由24、30、42、48脉冲系列等构成多级相叠加的整流方式，可以大大改善网侧的电流波形。使其负载下的网侧功率因数接近1，无需任何功率因数补偿、谐波抑制装置。。
HARSVERT-A10高压变频器输出侧由每个单元的U、V输出端子相互串接而成星型接法给电机供电，通过对每个单元的PWM波形进行重组，可得到阶梯正弦PWM波形。这种波形正弦度好，dv/dt小，对电缆和电机的5级叠加的输出侧PWM波形绝缘无损坏，无须输出滤波器，就可以延长输出电缆长度，可直接用于普通电机。同时，电机的谐波损耗大大减少，消除负载机械轴承和叶片的振动。当某一个功率模块出现故障时，通过控制使输出端子短路，可将此单元旁路退出系统，变频器可降额机械运行；由此可避免很多场合下停机造成的损失。
3.2、PLC控制系统
为保证风机不间断运行，PLC系统采用了软冗余系统，核心CPU采用两套，一用一备。当前工作CPU出现故障停机时，备用CPU会自动将控制任务接手。故障CPU回复后，作为备用CPU继续运行。极大的提高了主扇风机的可靠性和稳定性。
上位机和调度中心通过交换机以工业以太网通讯方式进行数据交换，CPU与上位机使用以太网通讯，主站的作用是实现对变频系统的控制、风门电机、风机传感器的监测。PLC控制站主要完成变频器控制及变频器运行状态监控任务。
3.3、在线监测系统
用户可通过监控系统实现对风机运行工况（风压、风量、电流、电压、有功功率、风机功率、电机绕组温度及轴承温度）进行实况检测。并可通过通讯接口将信号传至矿井安全检测监控系统。
4、高压变频器在对旋风机上的实际应用效果
通过多个煤矿的应用经验看，采用高压变频技术后，主扇风机是通过变频器改变通风机速度，使其在最佳工况点运行，使风机在最大范围内以最高的效率运行，节能效果好。采用变频调速技术可大幅度地降低电耗，节电率平均按30%计，年节电潜力至少（10～15）×108kW·h。变频器本身具有软启动功能，避免了对电机的机械损伤，又节约了一笔维护成本。同时采用“高压变频器＋PLC控制＋远程监控”的方式后，能自动采集各风机运行的工艺参数、电气参数及电气设备运行的状况。对风机运行状况自动做出判断及控制，并可通过通讯接口将信号传至矿井安全检测监控系统。自动化水平高，操作简单易行，节约人力资源。
5、结束语
总体来说，在工业生产中，高压变频器发挥着非常重要的作用，特别是在煤炭、钢铁等企业中有着不可取代的作用。采用高压变频技术后，大功率风机、水泵等重要设备运行更稳定、更节能，为企业节省生产成本并取得了非常好的经济效益。
参考文献：
[1]陈密，高强，徐殿国，《10kV对旋风机软启动及触发技术研究》
[2]赵岩《高压变频器在除尘风机上的应用思考》