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主扇风机系统

变频技术在轴流式主通风机上的应用分析

默认分类2011-02-2217:

06:

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郭锋，何栋，韩卫钦

（大统矿业有限公司，山东兖州272100）

摘要根据国家发改委十一五节能工程要求，结合轴流式风机在设计选型与生产过程通过主通风机电控系统高压变频改造，实现满足安全生产需要和节约电能的双重目标

关键词风机；变频调速；高压变频器；功率单元串联多电平

煤矿行业既是我国的产能大户，又是耗能大户，其中作为矿井“肺”的主通风机的耗电量约占生产电耗的15%25%，随着节能降耗成为国策，越来越多的企业寻求对其进行技术改造。

由于煤矿的工艺特点，主通风机设计选型时按照矿井最大需量考虑，实际生产过程中，运行效率普遍较低，部分甚至在30%以下而传统运行方式下，无论需用风量大小，风机都以最高转速运行，系统所需风量的大小一般是通过调节风门开度或增减运行电机的台数来完成的，功率较大，消耗电能多；而采用变频调速技术后，可通过改变电动机工作电源频率来调节系统风量，最大化地实现了节能。

1调速原理分析

按照电机学的基本原理，已知交流异步电动机的转速表达式为：

n=（1-s）60f/p

式中s--滑差；

P--电机极对数；

f--电机运行频率

结论：

如果平滑地改变加到异步电动机定子绕组的交流电的频率f，就可以平滑地调节异步电动机的转子转速n。

2节能原理分析

由流体力学及电机学公式可知，风机工况参数与电源频率的关系为：

式中Q--风机风量；

H--风机风压；

P--风机功率；

f--电源频率

上式说明，风机的流量与电源的频率成正比，风压与电源频率的平方成正比，功率与电源频率的立方成正比因此，通过变频方式改变风量时，当风量下降20%时，功率可将下降49%；如风量下降50%，功率可下降87.5%

3方案选择

星村煤矿设计选用BDK-8-No.27型（740r/min）矿用对旋轴流风机二台，一台工作，一台备用配套电机为防爆电动机（10kV，2450kW，740r/min）方案一：

高-低-高方式变频系统：

采用降压升压变压器，将10kV高压降为低压，经低压变频器变频后，再经升压后驱动电动机。

方案二：

功率单元串联多电平高压变频系统：

在10kV侧设置移相变压器，将高压交流电变成多组低压交流电，每组低压交流电分别输人到单个功率单元，经整流为直流电后，逆变

成为交流电，各功率单元的交流电按照一定的规律在逆变侧串联成为高压交流电，输出供给高压电动机

4技术分析

方案一采用设备较多，控制环节较复杂，且对电网侧的谐波分量较大；方案二采用低压器件实现高压变频输出，输入输出谐波非常小；通过比较，确定本次改造选择一拖二的功率单元串联式多电平高压变频技术。

5谐波污染分析

改造后的控制系统选用交-直-交结构高压变频系统，先将电源交流电用整流电路转变成直流电，再用逆变电路将直流电转换为频率可变的交流电输入侧移相变压器将网侧高压变换为副边的多组低压，各副边绕组在绕制时采用延边三角接法，相互之间有一定的相位差（60/n）这种多级移相叠加的整流方式，消除了大部分由独立功率单元引起的谐波电流，可以大大改善网侧的电流波形，使变频器网侧电流近似为正弦波，不需要输入滤波器；其负载下的网侧功率因数可达0.95以上

系统整流电路采取全控型电力电子器件，为PWM多电平控制方式，电压源型储能方式，其结构与逆变部分基本对称，则可以做到输入电流基本为正弦波，谐波成分很低，功率因数可调，且能量可双向流动这种变频器对电机选择性要求不高，从技术上有效地降低了逆变器件的损坏度，从而保证了系统运行的安全可靠性这种系统控制的电机谐波损耗大大减少，消除了由此引起的机械振动，减小了轴承和叶轮的机械力，从而保证主通风机电机运行寿命，且网侧谐波含量很低，有效地降低了系统对矿井供电系统的谐波污染。

6调节性能分析

系统控制方式选用压频比及无传感器矢量控制两种方式相结合的运行模式，有效地保证了电机在高低速情况下控制的快速性及控制精度准确性V/f比恒定控制常用于风机水泵的调速功能，以及对调速范围要求不高的场合V/f比恒定控制的突出优点是可以进行电机的开环速度控制利用矢量控制来弥补压频比控制方式动态性能控制不好的缺点，从而实现全面优良的控制品质目前变频器控制元件多采用IGBT器件，它作为大功率电子器件，具有驱动功率小，开关能耗小工作频率高等优点，保证系统的高可靠性及运行稳定性。

7接口能力及保护功能

系统选用S7200型PLC做为控制核心，主要负责变频器与工业现场的接口，以及对变频器内部开关量的处理PLC负责对系统内外的各种状态进行综合判断，实现对变频器的启动停机急停控制，实现对变频器故障的报警与保护PLC模块可以有效地实现原有风机在线监测系统监测的所有功能，采集并显示各种监测数据，有利于实现远程控制，便于接入矿井自动化控制系统，故障智能化显示功能有利于快速查找系统故障，迅速处理问题，保证了系统地安全性可靠性高压变频器自身具有高性能的保护功能，如输出过载输出过流电网过电压电网欠电压电网失电直流母线过电压直流母线欠电压变压器过热缺相控制电源掉电驱动故障功率器件过热散热风机故障外部给定掉线接地故障光纤故障等等

8节能分析

根据星村煤矿实际工况，主通风机电机在夏季时运行在40Hz，冬季时运行在38Hz，年平均节约电能近400万kWh，按0.6元/kWh计算，年节约电费约240万元

8间接效益

（1）电机实现了真正的软启动软停车，减少了电网冲击，延长了电机的使用寿命

（2）降低了整机运行转数，减少了机械磨损，降低运行噪音和温升，延长了设备使用寿命

（3）易于寻找风机运行的最佳工况点，实现了小于设计风量风压的无级调节

（4）简化工人操作工艺，可实现了一键倒机一键反风等操作，为无人值守机台提供了技术支持.

（5）实现了就地补偿，提高了系统功率因数

9结束语

应用变频调速技术改造煤矿轴流式风机，不但可以在结合煤矿通风工艺要求的基础上降低了电能消耗设备维修费用，为矿井带来了较大的经济效益；而且又提升了系统的控制性能，提高了安全保障能力.

一、供电系统的拟定

1、地面主供电线路（详见供电系统图）

根据《煤矿规程》第四百四十一条规定，结合五一煤矿的实际情况，现拟定矿井供电线路为两条，一是由永安变电站向五一煤矿地面配电室输送的6KV供电线路；二是由元门坝变电站向五一煤矿地面配电室输送的6KV供电线路。

2、矿井主供电线路详见供电系统图）

根据《煤矿规程》第四百四十一条规定，结合五一煤矿的实际情况，现拟定矿井供电线路为两条，

第一条：

采用ZLQ50mm2铠装电缆从地面10KV站向510中央变电所供6000V电源，电缆长度为1200m。

第二条：

采用ZLQ35mm2铠装电缆从地面10KV站向350中央变电所供6000V电源，电缆长度为1700m。

第三条：

采用ZLQ35mm2铠装电缆从地面10KV站向200中央变电所供6000V电源，电缆长度为2200m；从200中央变电所采用VUZ35mm2铠装电缆向南翼采区变电所供6000V电源，电缆长度为2300m。

2、联络电缆供电情况：

510水平中央变电所与350水平中央变电所联络供电采用ZLQ35mm2铠装电缆，电缆长度为500m；350水平中央变电所与200水平中央变电所的联络供电采用ZLQ35mm2铠装电缆，电缆长度为500m。

二、各中央变电所变压器容量的计算

1、510中央变电所变压容量的计算

P510=ΣPeKx÷Cosψpj       

其中ΣPe=P1P2P3，

P1=130KW为2m绞车负荷；

P2=75KW为1.2m人车负荷；

P3=30KW为照明等其它负荷。

则

ΣPe=1307530=255KW；Kx=0.7，Cosψpj=0.7

P510=235*0.7÷0.7

=235KVA＞180KVA。

由于考虑到1.2m绞车是专提升人员用，故该变电所采用两台变压器分别向2m绞车和1.2m绞车供电。

即一台180KVA和一台100KVA的变压器。

因此完全能够满足生产需要。

2、目前350水平中央变电所变压器容量的计算

P350前=ΣPeKx÷Cosψpj       

其中ΣPe=P1P2P3P4P5，

P1=250KW为D280*43*5的主排水泵负荷；

P2=155KW为150D30*7排水泵的负荷；

P3=130KW为压风机负荷；

P4=110KW为1.6m人车负荷；

P5=15*2=30KW为充电设备及照明等其它负荷；则

ΣPe=25015513011030=675KW；Kx=0.85，Cosψpj=0.8

P350前=675*0.85÷0.8

=717.8KVA。

由于该中央变电所，目前有比较多的大容量设备，因此，选用三变压器，两台320KVA和一台200KVA的变压器。

其中一台320KVA的变压器供200D43*5的水泵250KW电动机的电；另一台320KVA的变压器供压风机130KW和1.6m人车130KW电动机的电；一台200KVA的变压器供两台150D30*7的水泵155KW电动机的电，两台水泵一台排水，一台备用。

3、南翼投产后350中央变电所变压器的容量计算

由于南翼投产后两台压风机已搬至南翼采区变电所，因此，350中央变电所的负荷发生变化，其变化后的情况如下：

P350后=ΣPeKx÷Cosψpj       

其中ΣPe=P1P2P3P4，

P1=250KW为D280*43*5的主排水泵负荷；

P2=155KW为150D30*7的排水泵负荷；

P3=110KW1.6m人车负荷；

P4=15*2=30KW为充电设备及照明等其它负荷；则

ΣPe=25015511030=545KW；Kx=0.85，Cosψpj=0.8

P350后=545*0.85÷0.8

=579KVA。

由于该中央变电所有比较多的大容量设备，而且又有主排水设备，因此，选用两台320KVA变压器。

其中一台320KVA的变压器供200D43*5的水泵250KW电动机的电；另一台320KVA的变压器供1.6m人车110KW电动机的电和两台150D30*7的水泵155KW电动机的电；两台水泵一台排水，一台备用。

4、200水平中央变电所变压器容量的计算

P200=ΣPeKx÷Cosψpj       

其中ΣPe=P1P2P3，

P1=250KW为D280*43*5的主排水泵负荷；

P2=155KW为150D30*7的排水泵负荷；

P3=70KW为充电设备及照明等其它负荷；则

ΣPe=25015570=475KW；Kx=0.85，Cosψpj=0.8

P200=475*0.85÷0.8

=504.7KVA。

由于该中央变电所担负着南翼主排水任务。

因此，选用两台315KVA变压器，其中一台315KVA的变压器供200D43*5的水泵250KW电动机的电；另一台315KVA的变压器供两台150D30*7的水泵155KW电动机的电，两台水泵一台排水，一台备用。

5、南翼采区变电所变压器容量的计算

P南翼=ΣPeKx÷Cosψpj       

其中ΣPe=P1P2P3P4P5P6，

P1=130KW为压风机负荷；

P2=40*2=80KW为两个采煤工作面40型电刮板运输机的负荷；

P3=30*2=60KW为两个采煤工作面泵站的负荷；

P4=17*2=34KW为两个掘进碛头装岩机的负荷；

P5=25*2=50KW为两个掘进碛头内齿轮绞车的负荷；

P6=70KW为各工作面和掘进碛头的干变、水泵、煤电钻、局扇以及硐室照明等其它负荷；则

ΣPe=1308860345070=432KW；Kx=0.7，Cosψpj=0.8

P南翼=432*0.7÷0.8

P南翼=378KVA。

由于该采区变电所担负着南翼主生产任务。

因此，选用一台320KVA变压器和一台180KVA的变压器，320KVA的变压器供压风机及充电设备的电；180KVA的变压器供两个掘进碛头和采煤工作面所有设备的电。

三、按经济电流密度校验各主输电电缆载面

1、510中央变电所主输电电缆截面的校验

①、510中央变所两台压器无功功率的计算

Q510=Q1Q2

Q1=I0%*Pe÷100ux%*Pe（P÷Pe）2÷100     式中：

I0%=6，Pe=180，ux%=4.5，P=130

Q1=6*180÷1004.5*180（130÷180）2÷100

=10.84.225

=15.025

Q2=I0%*Pe÷100ux%*Pe（P÷Pe）2÷100     式中：

I0%=6，Pe=100，ux%=4.5，P=75

Q2=6*100÷1004.5*100（75÷100）2÷100

=62.53

=8.53

Q510=Q1Q2

=15.0258.53

=23.56（千乏）

②、计算510中央变电所的最大长时负荷电流

Ig510=√（P5102Q5102）÷（√3 *U）       式中:

P510=235KW，Q510=23.56千乏,

U=6

Ig510=√（235223.562）÷（√3 *6）

=236÷10.39

=22.7（A）

③、按经济电流密度校验电缆截面

S510=Ig510÷Jn            式中：

Ig510=22.7A，Jn =1.15

S510=22.7÷1.15

=19.7（A）　

根据计算电流19.7A查电工手册可选取电缆截面为10mm2电缆，允许电流为65A，而现使用的电缆截面为50mm2，允许电流为135A，能继续使用，但不经济。

2、目前350中央变电所主输电电缆截面的校验

①、350中央变所三台压器无功功率的计算

Q350前=Q1Q2Q3

Q1=I0%*Pe÷100ux%*Pe（P÷Pe）2÷100     式中：

I0%=5.5，

Pe=320，ux%=4.5，P=310

Q1=5.5*320÷1004.5*320（310÷320）2÷100

=17.613.5

=31.1

Q2=I0%*Pe÷100ux%*Pe（P÷Pe）2÷100     式中：

I0%=5.5，

Pe=320，ux%=4.5，P=260

Q2=5.5*320÷1004.5*320（260÷320）2÷100

=17.613.5

=31.1

Q3=I0%*Pe÷100ux%*Pe（P÷Pe）2÷100     式中：

I0%=5.5，

Pe=200，ux%=4.5，P=185

Q3=5.5*200÷1004.5*200（185÷200）2÷100

=117.7

=18.7

Q350前=Q1Q2Q3

=31.131.118.7

=80.9（千乏）

②、计算目前350中央变电所的最大长时负荷电流

Ig350前=√（P350前2Q350前2）÷（√3 *U）       式中:

P350前=717.8KW，

Q350前=80.9千乏,

U=6

Ig350前=√（717.8280.92）÷（√3 *6）

=69.52（A）

③、按经济电流密度校验电缆截面

S350前=Ig350前÷Jn            式中：

Ig350前=69.52A，Jn =1.15

S350前=69.52÷1.15

=60.5（A）　

根据计算电流60.5A查电工手册可选取电缆截面为16mm2电缆，允许电流为65A,而现使用的电缆截面为35mm2，允许电流为105A,能继续使用,但不经济。

3、南翼投产后350中央变电所主输电电缆截面的校验

①、南翼投产后350中央变所二台压器无功功率的计算

Q350后=Q1Q2

Q1=I0%*Pe÷100ux%*Pe（P÷Pe）2÷100     式中：

I0%=5.5，

Pe=320，ux%=4.5，P=280

Q1=5.5*320÷1004.5*320（280÷320）2÷100

=17.611

=28.6

Q2=I0%*Pe÷100ux%*Pe（P÷Pe）2÷100     式中：

I0%=5.5，

Pe=320，ux%=4.5，P=260

Q2=5.5*320÷1004.5*320（260÷320）2÷100

=17.613.5

=31.1

Q350后=Q1Q2

=28.631.1

=59.7（千乏）

②、计算投产后350中央变电所的最大长时负荷电流

Ig350后=√（P350后2Q350后2）÷（√3 *U）       式中:

P350后=579KW，

Q350后=59.7千乏,

U=6

Ig350后=√（579259.72）÷（√3 *6）

=56（A）

③、按经济电流密度校验电缆截面

S350后=Ig350后÷Jn            式中：

Ig350后=56A，Jn =1.15

S350后=56÷1.15

=48.7（A）　

根据计算电流48.7A查电工手册可选取电缆截面为16mm2电缆，允许电流为65A,而现使用的电缆截面为35mm2，允许电流为105A,能继续使用,但不经济。

4、南翼投产后采区变电所主输电电缆截面的校验

①、南翼投产后采区变所二台压器无功功率的计算

Q南=Q1Q2

Q1=I0%*Pe÷100ux%*Pe（P÷Pe）2÷100     式中：

I0%=5.5，

Pe=320，ux%=4.5，P=250

Q1=5.5*320÷1004.5*320（250÷320）2÷100

=17.68.8

=26.4

Q2=I0%*Pe÷100ux%*Pe（P÷Pe）2÷100     式中：

I0%=5.5，

Pe=180，ux%=4.5，P=174

Q2=5.5*180÷1004.5*180（174÷180）2÷100

=9.97.5

=17.4

Q南=Q1Q2

=26.417.4

=43.8（千乏）

②、计算南翼投产后采区变电所的最大长时负荷电流

Ig南=√（P南2Q南2）÷（√3 *U）       式中:

P南=378KW，

Q南=43.8千乏,

U=6

Ig南=√（378243.82）÷（√3 *6）

=380.5÷10.39

=36.6（A）

③、按经济电流密度校验电缆截面

S南=Ig350后÷Jn            式中：

Ig南=36.6A，Jn =1.15

S南=36.6÷1.15

=31.8（A）　

根据计算电流31.8A查电工手册可选取电缆截面为10mm2电缆，允许电流为48A，而现使用的电缆截面为35mm2，允许电流为105A,能继续使用，但不经济。

5、南翼投产后200中央变电所主输电电缆截面的校验

①、南翼投产后350中央变所二台压器无功功率的计算

Q200=Q1Q2

Q1=I0%*Pe÷100ux%*Pe（P÷Pe）2÷100     式中：

I0%=5.5，

Pe=320，ux%=4.5，P=250

Q1=5.5*320÷1004.5*320（250÷320）2÷100

=17.68.8

=26.4

Q2=I0%*Pe÷100ux%*Pe（P÷Pe）2÷100     式中：

I0%=5.5，

Pe=320，ux%=4.5，P=225

Q2=5.5*320÷1004.5*320（225÷320）2÷100

=17.67.1

=24.7

Q200=Q1Q2

=26.424.7

=51.1（千乏）

②、计算投产后200中央变电所的最大长时负荷电流

Ig200=√（P2002Q2002）÷（√3 *U）Ig南       式中:

P200=504KW，

Q200=51.1千乏，U=6，Ig南=36.6

Ig200=√（504251.12）÷（√3 *6）36.6

=85.3（A）

③、按经济电流密度校验电缆截面

S200=Ig200÷Jn            式中：

Ig200=Ig200Ig南=48.736.6=85.3A，Jn =1.15

S200=85.3÷1.15

=74.2（A）　

根据计算电流74.2A查电工手册可选取电缆截面为25mm2电缆，允许电流为95A,而现使用的电缆截面为35mm2，允许电流为105A,能继续使用,但不经济。

6、按经济电流密度校验510与350联洛电缆的载面

①、根据510或350水平的经济电流密度校验联络电缆截面

若因向510或350主供电电缆任何一路出现电缆故障时，启用联络电缆，这时联络电缆则担分别任510或350水平的负荷。

根据计算电流 Ig510= 22.7A；Ig350前=69.5A；Ig350后=65A；查电工手册可选取电缆截面为25mm2电缆，其长时允许电流为95A；而现使用的联络电缆截面为35mm2，其长时允许电流为105A；因此，现使用ZLQ35mm2铠装联络电缆符合供电要求，可以继续使用，但不经济。

②、根据经济电流密度校验510、350主输电电缆的截面

若因向510或350主供电电缆任何一路出现电缆故障时，启用联络电缆，这时任何路主输电电缆就要担负510和350两个水平的全部负荷，则主输电电缆电流为两个水平高压电流之和。

Ig=Ig350Ig510                 Ig350= 69.5A，                 Ig510=22.7A

Ig=22.769.5=92.2（A）

根据计算电流92.2A，查电工手册可选取电缆截面为25mm2电缆，其长时允许电流为95A；而现使用的主输电电缆截面为35mm2，其长时允许电流105A；因此，现使用ZLQ35mm2铠装主输电电缆符合供电要求，可以继续使用。

7、根据经济电流密度校验350与200联洛电缆的载面

①、根据350或200水平的经济电流密度校验联络电缆截面

若因向350或200主供电电缆任何一路出现电缆故障时，启用联络电缆，这时联洛电缆则担分别任350或200水平的负荷。

根据计算电流Ig350后=65A；Ig200=85.3A；查电工手册可选取电缆截面为25mm2电缆，其长时允许电流为95A；而现使用的联络电缆截面为35mm2，其长时允许电流为105A；因此，现使用ZLQ35mm2铠装联洛电缆符合供电要求，可以继续使用。

②、根据经济电流密度校验350、200主输电电缆的截面

若因向350或200供电电缆任何一条出现电缆故障时，启用联络电缆，这时任何一条主输电电缆就要担负350和200两个水平的全部负荷，则主输电电缆电流为两个水平高压电流之和。

Ig=Ig350Ig200                Ig350= 65A， Ig200=85.3A

Ig=6585.3=150.3（A）

根据计算电流150.3A，查电工手册可选取电缆截面为70mm2电缆，其长时允许电流为165A；而现使用的主输电电缆截面为35mm2，其长时允许电流105A；因此，350和200两个水平现使用的ZLQ35mm2铠装主输电电缆不能担负两水平的全部负荷，