（ 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機進行變頻改造的原理方案和效果。該主要通風機 工頻運行時 存在起動電流過大、調控不便、電能浪費嚴重、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公司生產的MDS2000高壓變頻器進行改造，并進行了測試，取得了 良好的效果，節(jié)能效果顯著。��

關鍵詞 主要通風機 變頻調速 風量調控 節(jié)能

1 引言

變頻調速技術及系統(tǒng)的應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)有各類電動機總裝機容量達3��5億kWh,電耗占總用電量的50％左右。考 慮到生產機械在各種工況下的工作運行，因而配用的拖動電動機功率一般定位在最大工作能 力 情況下。而大量的生產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 行拖動功率與實際功率需求的匹配平衡。在低功率需求的情況下，就導致大量的電動機處 于 輕載運行，電能利用率低，浪費電能現(xiàn)象嚴重。在電傳系統(tǒng)中，加入變頻器環(huán)節(jié)，可較大幅 度地降低生產性電耗，還可大大優(yōu)化生產機械的控制性能。煤炭行業(yè)中的礦井通風，配備了 大量的功率較大的主要通風機，其平均效率僅達60％，運行效率不到55％，比國外水平低15個百分點。在礦井主要通風機的拖動系統(tǒng)上實施變頻調速技術改造，可產生良好的經濟效益。 ��

2 基本情況介紹

山西三元煤業(yè)有限公司是新建礦，現(xiàn)在年生產能力已達100萬t，生產用電量很大，主要用 電設備為礦井主要通風機及提升設備。礦井通風設備是根據(jù)生產發(fā)展規(guī)劃配備的，電機及主 要通風機 容量選用的比較大，由于建礦時間短，實際生產能力沒有達到中遠期設計水平，因此通風設備存在較大裕量。��

三元煤業(yè)公司礦井只有一個采區(qū)，礦井通風方式為抽出式，設有一個通風機房，裝備兩臺 軸流式 通風機，風機啟動方式為串電抗器降壓啟動，兩臺同型號的主要通風機互為備用。主要通風 機選 用的是沈陽風機廠生產的2K58系列礦井軸流通風機，型號為2K58-No28型，額定電壓600 0V，轉速590r/ min。配備電機均為沈陽電機廠生產的高壓電機，型號為JS-157-10，額 定電壓6000V，額定電流33A，額定功率260kW，轉速 590r/ min。��

1998年由山西省煤礦節(jié)能監(jiān)測中心對兩臺2K58-No28通風機的性能進行了技術測定。通風 機效率為86.3%；通風機運行工況點為：風量104m��3/s，全壓為1996Pa，風機效率為27.5 %， 風機軸功率90kW。針對礦井實際的風量需求，采用調節(jié)前導器角度和調節(jié)垂直風門開啟度實 現(xiàn)風量調整。經計算，通風機房兩臺2K58-No28通風機采用輪換工作制，與近最佳工況運行 情況相比，每年多消耗電能45.32萬kWh，電能浪費十分嚴重。��

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

為解決上述問題，我們根據(jù)我 礦的實際生產及發(fā)展要求，選用北京天寵電力技術有限公司生產的高壓變頻調速器MDS2000- 260/6G一臺，對主要通風機進行變頻調速技術改造。��

3 風機調速運行節(jié)能原理

通常調節(jié)風量的方法有改變風門開度和改變風機轉速兩種方法。��

風機的壓力—風量特性曲線如圖1（略）。��

根據(jù)風機軸功率諸公式：

�И�P=KQp/η�璫η�璪〖JY〗(1)�И�

式中：��

�玃��——軸功率（kW）； 〖WB〗�獽��——系數(shù)；��

�玅��——風量（m��3/s）； ��η���璪——風機效率；��

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

風機G��2，G��5工作點的軸功率為：

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��即為風機調速控制所節(jié)省的功率，或者說風門調節(jié)時要多消耗在風門上的功率 。

根據(jù)風機風量、壓力、轉速、轉矩之間的關系：

〗Q∝n��

p∝T∝n��2 (2)��

P∝Tn∝n��3�И�

式中： �玅——風量；

p——壓力；

T——轉矩；

P��——軸功率〖ZK)〗��

可以看出，風量與轉速的1次方成正比，壓力與轉速的2次方成正比，軸功率與轉速的3次方 成正比。調節(jié)轉速即可調節(jié)輸入風機的功率。��

交流電機轉速與頻率的關系為：

�И�N=60f(1-S)/p (3)�И�

式中：

N——轉速； f——電機電源頻率；��

p——電機極對數(shù)；   S��——轉差率��

從（1）、（2）、（3）式可以看出，均勻調節(jié)電機定子繞組的電源頻率f，就可以均勻地改 變電機轉速，改變轉速即可調節(jié)風量的大小。因此調節(jié)電機轉速，就可相應地調節(jié)輸入風機 的功率。這樣，避免風門調節(jié)風量時消耗在風門上的功率，這正是采用變頻調速達到節(jié)能的 原理。��

4 高壓變頻調速器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)倍壓技術方案。整個設備是由切 分裝置、變換裝置和控制裝置三部分組成。��

切分裝置是一個特殊設計的三相隔離變壓器。該變壓器一次輸入有三個分接頭，分別對應的 一次輸入電壓為6000V、6300V、5700V，即對電網(wǎng)的輸入可調整為電網(wǎng)輸入的100%、105%、9 5%，目的在于適應電網(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準，容 量為330kVA。變壓器的二次有三組輸出，對應三相輸出，每組包括8個獨立的切分單元繞組 ，繞組之間相差一定的電角度，每個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個結構相同的功率模塊組成，主電路結構采用電平串聯(lián)倍壓方式， 8個功率模塊串聯(lián)成一相，三相輸出采用Y形接法。每個功率單元包含整流、濾波、逆變3 個部分。通過軟件編程，控制逆變部分中的開關元件的開、關規(guī)律，從而控制每個逆變模塊 的輸出電壓幅值大小、方向和寬度（相應的頻率）。��

波形的輸出采用優(yōu)化的PWM變換技術，對相電壓波形進行優(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：首先恢復風機扇葉數(shù)量，將扇葉調整到最佳工作角度３0°，使風機工作 在最佳狀態(tài)；利用變頻器變頻調速功能，根據(jù)生產對風量和風壓的要求，自動調節(jié)風機吸風 量，使風機獲得最大的節(jié)能效果；同時變頻器具有軟起動功能，可根據(jù)實際情況，設定相應 的起動時間，以減少直接起動所產生的大的沖擊電流，取消了直接起動時所串接的限流電抗 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月初安裝使用該設備，運行一段時間后，并經過測試，整體情況和 以前工頻運行時有以下幾個方面的比較。�� 

（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主要通風機變改造后，在滿足正常生產對風量（現(xiàn)在為46.33～53.67m��3/s）和風壓（ 1700P a）需求的前提下，電機實際轉速比額定轉速590r/min下降了17%，電機實際功率為電機額 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，實現(xiàn)了軟起動，取消了起動時的限流電抗器，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)和電機的沖激。��

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

④測試結果表明，變頻器輸出諧波含量很小，低于4%。��

⑤變頻改造后，實現(xiàn)了生產對風量的自動控制，提高了設備自動化控制程度和設備的可靠性 。��

⑥設備磨損減輕、維護費用降低，延長了維護周期，工作強度減少。��

⑦變頻設備操作簡單，工況良好，運行可靠。��

⑧變頻運行后設備噪音降低、改善工作環(huán)境。��

７ 結語

通過此例應用及其他的風機變頻改造應用實例，可以認為：煤礦主要通風機如能較為普遍地 實施變頻調速改造，經濟效益是非�？捎^的。��

對風機實施變頻技術改造，實際上是在拖動風機的電傳動系統(tǒng)中應用了變頻調速技術。一 方面，變頻調速技術的應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。��

變頻調速技術如能進一步地在風機 拖動以泵類機械拖動、及整個電力傳動系統(tǒng)中推廣應用，將對推動企業(yè)科技進步起到重要作 用。