雷諾爾高壓變頻器在山西古縣蘭花寶欣煤礦主扇風機的應用
1 引言
近年來，國家節能形勢日益嚴峻，節能已成為全社會普遍關注的話題之一，各大型煤炭企業也紛紛利用各種先進技術以降低生產成本，而拖動高壓電機的變頻器在煤炭行業的需求也就越來越大。
主扇風機是煤礦通風系統中最重要的設備，是煤礦安全生產中最重要的一個環節。從工頻運行時電動機的狀態來看，電機長期保持在工頻運行狀態，當用戶需要調節風量和風壓時，主要是通過調節風機葉片角度或風門開度來實現，其實質上是通過犧牲風機效率的方式來降低風壓，這樣就造成了不必要的能源浪費，葉片在切割流體時的角度偏差或做功在風門上增加了風機的機械損耗，沒有達到經濟運行的目的，而且一天24h不間斷運行，根據反風及開采后期運行工況要求，所設計的通風機及拖動的電動機的功率，通常遠大于煤礦正常生產所需的運行功率。風機設計的余量大，在相當長的時間內風機一直處在較輕負載下運行，因此，煤礦通風系統中存在著極為嚴重的大馬拉小車現象，能源浪費非常突出。因此，主扇風機的變頻節能改造勢在必行。
2 現場情況簡介
山西古縣蘭花寶欣煤礦位于山西省古縣，主扇風機擔負著整個礦井的通風任務，要求安全穩定性極高，風機一旦停機，短時間內就將造成全礦無法正常生產，通風調節方式采用調節風門開度的大小來調整風量，不論生產需求的風量大小，風機都要工頻全速運轉，而運行工況的變化則使得能量以空氣在風門上做功損失消耗掉了。不僅控制精度低，而且還造成大量的能源浪費和設備損耗，從而導致生產成本增加，設備使用壽命縮短，設備維護、維修費用高居不下，針對這種情況，經過電氣技術人員反復的調查研究，決定采用上海雷諾爾科技股份有限公司生產的RNHV智能型高壓變頻器對其進行節能改造。
3 主扇風機的節能原理
由流體力學可知，P（功率）=Q（風量）╳ H（壓力），風量Q與轉速N的一次方成正比，壓力H與轉速N的平方成正比，功率P與轉速N的立方成正比，主扇風機控制是借助改變風門開度的大小來調節風量的，其實質是改變管道中氣體阻力的大小來改變風量。因為風機的轉速不變，其特性曲線保持不變，當風門全開時，風量為Qa，風機的壓頭為Ha。若關小風門，管阻特性曲線改變，此時風量為Qb，風機的壓頭到Hb。則壓頭的升高量為：ΔHb=Hb-Ha。于是產生了能量損失：ΔPb=ΔHb×Qb。
而借助改變給風機的轉速來調節風量，其實質是通過改變所輸送氣體的能量來改變風量。因為只是轉速變化，風門的開度不變，管阻特性曲線也就維持不變。額定轉速時風量為Qa，壓頭為Ha。當轉速降低時，特性曲線改變，風量變為Qc。此時，假設將風量Qc控制為風門控制方式下的風量Qb，則風機的風量將降低到Hc。因此，與風門控制方式相比壓頭降低了：ΔHc=Ha-Hc。據此可節約能量為：ΔPc=ΔHc×Qb。與風門控制方式相比，其節約的能量為：P＝ΔPb+ΔPc＝(ΔHb－ΔHc)×Qb。
將這兩種方法相比較可見，在風量相同的情況下，轉速控制避免了風門控制下因壓頭的升高和管阻增大所帶來的能量損失。在風量減小時，轉速控制使壓頭反而大幅度降低，所以它只需要一個比風門控制小得多的，得以充分利用的功率損耗。
由上述可知，當要求調節風量下降時，轉速N可成比例的下降，而此時軸輸出功率P成立方關系下降。即風機電機的耗電功率與轉速近似成立方比的關系。
4 雷諾爾高壓變頻器的特點
RNVH-A系列高壓變頻器采用多單元串聯多電平技術，屬于高-高電壓源型變頻器，可直接6KV/10KV輸入，直接6KV/10KV輸出。以6KV系列為例，每相由5個功率單元串聯，各個功率單元由輸入隔離變壓器的二次隔離線圈分別供電，輸出三相構成Y形，直接給6KV電機供電。
6KV高壓變頻器系統拓撲結構圖
該結構使用低壓器件實現了高壓輸出，降低了對功率器件的耐壓要求，對電網諧波污染非常小。輸入功率因數高，不必采用輸入諧波濾波器和功率因數補償裝置，輸出波形接近正弦波。不存在諧波引起的電機附加發熱、轉矩脈動、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。
每個功率單元由移相變壓器的一組副邊繞組供電，通過三相全橋整流器將交流輸入變為直流。電子控制部件接收主控系統發送的PWM信號并通過控制IGBT的工作狀態，輸出PWM電壓波形。監控電路實時監控IGBT和直流母線的狀態，將狀態反饋回主控系統。
將每相N個功率單元輸出的PWM電壓波形進行疊加，產生出2N+1個電壓階梯的多重化相電壓波形，5個功率單元輸出的PWM波形及疊加之后的相電壓波形如圖所示：
變頻器的單元輸出波形及相電壓疊加波形
主控系統包括主控板及其輸入輸出接口。主控板采用32位DSP、CPLD等大規模集成電路和表面焊接技術，系統具有極高的可靠性。主控板通過光纖通訊系統與所有功率單元之間建立通信聯系，向各個功率單元傳輸PWM信號，并返回各個功率單元狀態信息。通過觸摸屏，可以實現系統運行、停機、復位及功能參數設定和記錄查詢。主控板的I/O接口用來實現端子控制模式的外部通信，主要功能有：系統端子復位、運行/停止控制、外部模擬方式頻率給定、系統狀態、運行頻率。主控板的輸入還包括控制電源和運行電流的采樣信號。
電氣控制以西門子S7-200為高可靠性的可編程邏輯控制器（PLC）為中心，輔以繼電器、開關等器件，負責變頻器內部邏輯控制及外部與用戶的接口。PLC主要完成以下功能：與主控系統交換給定頻率、運行頻率、輸出電流及功能號等數據；監控主控系統就緒、運行、故障等狀態；處理變頻器控制電源切換、旁通柜開關切換、互鎖、風機、柜門、變壓器溫度等信號；處理用戶的高壓開關信號、控制指令信號，并向用戶提供變頻器運行狀態和參數，所以界面操作語言全部為中文，應用軟件也為漢化版內容，方便用戶使用，并終身提供軟件的免費升級。
5 變頻器改造情況
主扇風機為對旋型軸流通風機，一用一備，每臺風機包含兩臺電機，選用一臺變頻器拖動兩臺電機同時運行方式，外部加裝手動一拖二旁路切換柜。主回路如圖所示。
主回路圖
正常運行時閉合手動刀閘K12、K22，斷開工頻刀閘K11、K21，合上變頻開關QF，變頻器拖動兩臺電機同時運行，通過調節變頻器輸出頻率來調節風量；
變頻故障時，斷開變頻開關柜QF，閉合K11和K21、斷開K12、K22，系統恢復原有運行方式工頻運行；
K11和K12、K21和K22不能同時閉合，在機械上實現了互鎖。
變頻故障信號和變頻開關柜也實現互鎖，實現高壓故障連跳功能。
雷諾爾高壓變頻器對電機非常友好，現場改造完成后進行了變頻器輸出波形測量，不含有高次諧波，如圖所示。
6 改造后的效益
變頻改造后，風門全部打開，運行頻率在40Hz左右，運行電流23A，完全滿足礦井內生產通風要求，而且提高了風量調節的速度，簡化了用戶操作工序，變頻器運行非常穩定，降低了風機啟動時候的沖擊，產生了巨大的經濟效益。
節電效益如下：
工頻運行時，風門開度為2m左右，兩臺電機運行電流共計35A。
工頻運行時功率和一天耗電量：
P工= 1.732×10×35×0.85=515.27kW
變頻器運行時，風門全開，運行電流在21A，由變頻器調節風機速度來滿足風量要求。
變頻運行時功率和一天耗電量：
P變=1.732×10×21×0.96=349.17kW
節電率：(P工- P變)/ P工=（515.27-349.17）/515.27=32.2%。
節約電費計算：
電價以0.6元/ kW?h計算，工頻24h耗電費：
515.27×24×0.6=7419.89元。
變頻24h耗電費：
349.17×24×0.6=5028.05元。
變頻改造后，日節約電費：
7419.89-5028.05=2391.84元。
一年有效運行天數以280天計算，年節約電費：
2391.84×280=669715.2元。
7 結束語
山西古縣蘭花寶欣煤礦主扇風機經過變頻改造之后,不僅達到了良好的節能效果,并且使整套通風系統的穩定性提高了一個大臺階。隨著國家對節能減排工作的越來越重視，煤礦企業通過各種措施降低生產成本，變頻節能技術也越來越受到重視，上海雷諾爾科技股份有限公司生產的RNHV型高壓變頻器也必將發揮越來越大的作用，為整個國家的節能減排事業做出貢獻。
