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1引言

登封市君鑫煤業(yè)有限責任公司位于登封市石道鄉(xiāng)上沃村境內(nèi)，距登封市區(qū)30公里，交通便利。井田面積6.58平方公里，地質(zhì)儲量3181萬噸，設(shè)計生產(chǎn)能力30萬噸/年。君鑫煤業(yè)2009年獲得河南省工業(yè)和信息化廳頒發(fā)的“一級安全質(zhì)量標準化礦井”；2010年獲得鄭州市總工會、鄭州市工業(yè)和信息化委員會、鄭州市環(huán)境保護局頒發(fā)的“雙比雙降”節(jié)能減排競賽先進單位；2011年獲得鄭州市煤炭管理局、鄭州市煤炭行業(yè)協(xié)會頒發(fā)的“鄭州市煤炭工業(yè)先進企業(yè)”。

君鑫煤礦壓風機房內(nèi)安裝兩臺62m3/min壓風機，供生產(chǎn)、各采區(qū)工作面。由于壓風機選型裕量大，存在著大馬拉小車的現(xiàn)象，浪費嚴重，而且設(shè)備控制方式落后，為響應(yīng)國家號召和社會發(fā)展的需要，礦領(lǐng)導(dǎo)決定對原有設(shè)備進行升級改造。經(jīng)過多方調(diào)查研究，決定選用山東新風光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP38-400F型高壓變頻器2套分別對2臺螺桿式空氣壓縮機進行節(jié)能改造。
電機基本參數(shù)：
型號：Y4505-2        額定電壓：10kV     額定電流：25.2A
額定功率：355kW     額定頻率：50Hz    額定轉(zhuǎn)速：2960r/min
壓縮機參數(shù)：
型號：SA350W-6K-T   排氣量：62.0 m3/min   電機功率：355kW
額定排氣壓力：0.8MPa
2螺桿式空壓機
2.1螺桿式空氣壓縮機工作原理

螺桿式空氣壓縮機由螺桿機頭、電動機、油氣分離桶、冷卻系統(tǒng)、空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、安全閥及控制系統(tǒng)等組成。螺桿壓縮機的工作循環(huán)可分為進氣，壓縮和排氣三個過程。隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，每對相互嚙合的齒相繼完成相同的工作循環(huán)。
（1）進氣過程：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，陰陽轉(zhuǎn)子的齒溝空間在轉(zhuǎn)至進氣端壁開口時，其空間較大，此時轉(zhuǎn)子齒溝空間與進氣口的相通，因在排氣時齒溝的氣體被完全排出，排氣完成時，齒溝處于真空狀態(tài)，當轉(zhuǎn)至進氣口時，外界氣體即被吸入，沿軸向進入陰陽轉(zhuǎn)子的齒溝內(nèi)。當氣體充滿了整個齒溝時，轉(zhuǎn)子進氣側(cè)端面轉(zhuǎn)離機殼進氣口，在齒溝的氣體即被封閉。
（2）壓縮過程：陰陽轉(zhuǎn)子在吸氣結(jié)束時，其陰陽轉(zhuǎn)子齒尖會與機殼封閉，此時氣體在齒溝內(nèi)不再外流。其嚙合面逐漸向排氣端移動。嚙合面與排氣口之間的齒溝空間漸漸件小，齒溝內(nèi)的氣體被壓縮壓力提高。
（3）排氣過程：當轉(zhuǎn)子的嚙合端面轉(zhuǎn)到與機殼排氣口相通時，被壓縮的氣體開始排出，直至齒尖與齒溝的嚙合面移至排氣端面，此時陰陽轉(zhuǎn)子的嚙合面與機殼排氣口的齒溝空間為0，即完成排氣過程，在此同時轉(zhuǎn)子的嚙合面與機殼進氣口之間的齒溝長度又達到較長，進氣過程又再進行。

從上述工作原理可以看出，螺桿壓縮機是一種工作容積作回轉(zhuǎn)運動的容積式氣體壓縮機械。氣體的壓縮依靠容積的變化來實現(xiàn)，而容積的變化又是借助壓縮機的一對轉(zhuǎn)子在機殼內(nèi)作回轉(zhuǎn)運動來達到。
2.2螺桿式空氣壓縮機的缺點

空壓機在運行過程中，根據(jù)壓力罐檢測到的壓力大小，控制閥門進行加載和卸載控制，確保壓力罐壓力在0.65MPa到0.75MPa之間波動，保證井下?lián)碛凶銐虻臍庠?；在采用工頻方式啟動時，主要有以下缺點：

（1）啟動電流仍然很大，直接影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性與其它用電設(shè)備的運行安全；
（2）空壓機時常出現(xiàn)空載運行，電能浪費嚴重，處于非經(jīng)濟運行狀態(tài)；
（3）啟動時對設(shè)備的沖擊較大，一些部件的動作頻率高（如電磁閥等），導(dǎo)致設(shè)備后期維護費用高；
（4）工頻運行，設(shè)備噪音大。
2.3 變頻改造必要性

通過改變壓縮機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，而閥門的開度保持不變（一般保持最大開度）。當壓縮機轉(zhuǎn)速改變時，供氣系統(tǒng)的供氣量發(fā)生變化，而管網(wǎng)壓力保持基本不變。

高壓交流變頻調(diào)速技術(shù)是上世紀九十年代迅速發(fā)展起來的交流電動機的調(diào)速技術(shù)，其技術(shù)和性能勝過其它任何一種調(diào)速方式。變頻調(diào)速以其顯著的節(jié)能效益、高精確的調(diào)速精度、寬范圍的調(diào)速、完善的保護功能，以及易于實現(xiàn)的自動通信功能，得到了用戶和市場的認可，在運行的安全可靠、安裝使用、維修維護等方面，也給使用者帶來了極大的便利，使之成為企業(yè)采用電機節(jié)能方式的首選方案。

在這種控制方式下，通過變頻調(diào)速技術(shù)改變壓縮機電機的轉(zhuǎn)速，壓縮機的供氣流量可隨著用氣流量的改變而改變，達到真正的供需平衡，在節(jié)能的同時，也可使整個系統(tǒng)達到較佳工作效率。
3風光JD-BP38系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)介紹

風光牌JD-BP38系列高壓變頻器以高速DSP為控制核心，采用無速度矢量控制技術(shù)、功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)，屬高-高電壓源型變頻器，其諧波指標小于IEE519-1992的諧波國家標準，輸入功率因數(shù)高，輸出波形質(zhì)量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數(shù)補償裝置和輸出濾波器；不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，可以使用普通的異步電機。具體來說，風光高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)各部分介紹如下。
3.1總體結(jié)構(gòu)

采用直接高壓變頻電路結(jié)構(gòu)，功率單元多重化連接，直接輸出到高壓電機，提供驅(qū)動電壓。從物理結(jié)構(gòu)上分為控制柜，功率柜，變壓器柜三大部分，根據(jù)現(xiàn)場工藝要求還可選配旁路柜，上位機，遠控盒，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 高壓變頻器外形

3.2控制柜

變頻控制柜主要有主控（CPU）、UPS、PLC、人機界面、控制電源開關(guān)、開關(guān)電源、繼電器、避雷器、信號隔離器、接線端子，柜門操作按鈕等部分構(gòu)成，控制柜主要構(gòu)成部分介紹如下。

（1）主控系統(tǒng)

主控系統(tǒng)為變頻器的核心，它接收和處理來自上位控制及PLC的控制命令，產(chǎn)生每相各級功率單元的控制信號，同時采集和處理所有故障單元反饋回來的故障信息。新風光JD-BP38系列變頻器采用高性能的主控系統(tǒng)，控制器采用32位DSP，運行速度可以達到150MIPS，足夠完成一些較復(fù)雜的控制算法。同時其有6路獨立的PWM輸出、2個異步串行通訊口、16通道12位AD輸入，內(nèi)置了36k的RAM和256k的Flash存儲器，可以存放較大規(guī)模的程序。線路板采用大規(guī)模集成電路和表面焊接技術(shù)，系統(tǒng)具有極高的可靠性。
（2）不間斷電源UPS

UPS不間斷電源，安裝在控制柜的底部，屬于純在線式，當外部提供的控制電源220VAC正常時，UPS提供給控制系統(tǒng)穩(wěn)定的220V電源，當外部電源掉電時，利用設(shè)計的電源冗余系統(tǒng)，相應(yīng)的控制電繼電器動作，轉(zhuǎn)到變壓器的二次繞組220V繼續(xù)提供控制電源，UPS不間斷工作，提供穩(wěn)定的電源。只有當控制電和高壓電同時掉電后，UPS利用自身的電池可繼續(xù)給系統(tǒng)供電30min，同時變頻器給出報警信號，用戶應(yīng)盡快恢復(fù)控制電源。
（3）內(nèi)置PLC

變頻器通過內(nèi)置PLC實現(xiàn)內(nèi)部開關(guān)信號以及現(xiàn)場操作信號和狀態(tài)信號的邏輯處理，增強了變頻器現(xiàn)場應(yīng)用的靈活性。對開關(guān)量的數(shù)量不能滿足要求時，可以用數(shù)字量擴展模塊來實現(xiàn)。PLC作為一種技術(shù)成熟的工業(yè)控制元件，為變頻器的現(xiàn)場應(yīng)用提供靈活的接口和可靠性保證。

高壓變頻器的控制系統(tǒng)標準接口如圖2所示：

3.3 功率柜

功率柜主要用于安裝功率單元，實現(xiàn)單元的串聯(lián)疊加三相輸出。功率單元是使用功率電力電子器件進行整流、濾波、逆變的高壓變頻器部件，也是構(gòu)成高壓變頻器主回路的主要部分。每個功率單元都相當于一臺交-直-交電壓型單相低壓變頻器。每個功率單元由H橋構(gòu)成，輸出一組SPWM波，每相8個單元，通過疊加輸出一組17個電平的正弦波；同一相中的每個功率單元的采樣頻率一致，用同一個載波進行調(diào)制，載波相差1/N個采樣周期。

當功率單元出現(xiàn)過流、過壓故障時，變頻器立即封鎖該單元的輸出，通過軟件控制，使功率單元輸出電流可以經(jīng)全橋逆變電路上橋臂，或者下橋臂形成電流回路實現(xiàn)將該單元旁路。

功率柜頂部配置冷卻風機，選擇德國EBM的風機，由移相變壓器二次檢測繞組220V供電，通過斷路器由PLC控制功率柜風機的啟動，當變頻器啟動頻率運行時，風機啟動。
3.4 變壓器柜

變壓器柜主要由移相變壓器、溫控儀、冷卻風機等部件構(gòu)成。

移相變壓器的原理：將高壓電源變換為副邊相互絕緣的多組低壓，各副邊繞組在繞制時采用延邊三角形的接法，相互之間有一定的相位差。移相變壓器示意圖如圖3所示。

4空壓機變頻改造主回路

根據(jù)現(xiàn)場要求，此系統(tǒng)采用雙電源一用一備兩套變頻器，如圖4所示。

本系統(tǒng)采用一用一備兩臺空氣壓縮機，1＃、2＃變頻器分別控制一臺空氣壓縮機，這樣1＃系統(tǒng)與2＃系統(tǒng)互為備用，保證系統(tǒng)安全正常運行。

此系統(tǒng)采用雙回路電源供電，1＃母線與2＃母線分別來自兩個不同的變壓器電源。K3為母線聯(lián)絡(luò)刀閘，當1#或者2#電源其中任何一路電源斷電的情況下，K3刀閘閉合，使得1#、2#變頻器供電電源正常。K1、K2為兩臺高壓隔離開關(guān)，為確保1#、2#電源不發(fā)生短路，K1、K2、K3采用電磁互鎖操動機構(gòu)，實現(xiàn)電磁和機械互鎖。K4、K5為兩臺高壓隔離開關(guān)，分別向1#、2#變頻器供電。K1、K4閉合，K2、K3、K5斷開，1#母線供電，1#變頻器運行；K1、K3、K4斷開，K2、K5閉合，2#母線供電，2#變頻器運行。

1#變頻器與2#變頻器互為備用，當其中一臺變頻器故障時，兩外一臺變頻器迅速投入運行。此時故障變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護和調(diào)試。

另外，為了保證安全，變頻器高壓連跳信號和上一級的高壓斷路器也實現(xiàn)互鎖，變頻器高壓連跳串入上一級高壓斷路器的脫扣線圈，變頻器出現(xiàn)故障時，上一級的高壓斷路器斷開，實現(xiàn)高壓故障連跳功能。
5 空壓機變頻系統(tǒng)控制原理及主要參數(shù)設(shè)置
5.1空壓機變頻控制原理

在管道供氣系統(tǒng)中，最基本的控制對象是流量，供氣系統(tǒng)的基本任務(wù)就是要滿足用戶壓力需求情況下對流量進行調(diào)節(jié)的需求。所以，保持管道中的氣壓恒定，保證該處供氣能力恰好滿足用氣需求，這就是恒壓供氣系統(tǒng)所要達到的目的。

空氣壓縮機采用變頻調(diào)速技術(shù)進行恒壓供氣控制時，系統(tǒng)原理框圖如圖5所示。

變頻器將管網(wǎng)壓力作為控制對象，裝在儲氣管出氣口的壓力變送器將儲氣罐的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)?～20mA電信號送給PID調(diào)節(jié)器，與壓力給定值進行比較，并根據(jù)差值的大小按既定的PID控制模式進行運算，產(chǎn)生控制信號去控制變頻器的運行頻率，從而調(diào)整電動機的轉(zhuǎn)速，那么空壓機輸出相應(yīng)的壓縮空氣至儲氣罐，使之壓力變化，直到管網(wǎng)壓力與給定壓力值相同，從而使實際壓力始終維持在給定壓力。
5.2變頻器主要參數(shù)設(shè)置

使用前，需對變頻器的以下功能進行預(yù)置：

（1）PID設(shè)定，PID設(shè)定通道設(shè)為：0，HMI，即變頻器壓力閉環(huán)設(shè)定通過通信給定；PID反饋通道設(shè)為：1，AI2，即變頻器閉環(huán)壓力反饋通過主控板的AI2端子給定；PID結(jié)構(gòu)為2，比例+積分，PID控制比例增益和積分增益同時起作用；P取0.50，I取10.0s。
（2）上限頻率，由于空氣壓縮機的轉(zhuǎn)速一般不允許超過額定值，故？H≤？N，式中 ?H—設(shè)置上限頻率，？N—額定頻率，？H這是取50Hz。
（3）下限頻率，空氣壓縮機采用變頻調(diào)速后，其下限頻率的預(yù)置要視壓縮機的機種的工況而定，一般說來，其范圍約為30Hz≤?L≤40Hz，式中?L—設(shè)置下限頻率，這里取30Hz。
（4）加、減速時間，空氣壓縮機有時需要在儲氣罐已經(jīng)有一定壓力的情況下啟動，這時通常要求快一點加速，故加速時間應(yīng)盡可能縮短（以啟動過程不因過電流而跳閘為原則）；減速時間可參照加速時間進行預(yù)置（以制動過程不因過電壓而跳閘為原則），變頻器設(shè)置上升、下降時間為60s。
（5）升、降速方式，空氣壓縮機對升、降速方式無特殊要求，可設(shè)置為線性方式。

用戶現(xiàn)場需求壓力為0.70Mpa。當用戶用氣量減少，儲氣罐壓力將上升，此時變頻器頻率將下降。但是，由于變頻器下降到目標頻率需要幾秒鐘時間。這段時間內(nèi)，空壓機繼續(xù)做功，儲氣罐壓力將繼續(xù)上升到0.75Mpa，反之，當用戶用氣量增加時，幾秒鐘內(nèi)儲氣罐壓力將會下降到0.65Mpa。這樣同樣會造成空壓機頻繁加載、卸載。根據(jù)現(xiàn)場情況，設(shè)置空壓機卸載界限為0.75Mpa,加載界限為0.65Mpa,也就是說當儲氣罐壓力在0.65～0.75Mpa范圍內(nèi)，空壓機不需要加載、卸載，而是由變頻器調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，那么空壓機輸出相應(yīng)的壓縮空氣至儲氣罐，使之壓力變化，直到管網(wǎng)壓力與給定壓力值相同，從而使實際壓力始終維持在給定壓力。
6  空壓機變頻改造后的效果

在實際運行中，我們比較了改造前后的運行情況：改造前，空氣壓縮機經(jīng)常是加載卸載，加載運行時電流為25A，卸載運行時電流為12A，改造后，空氣壓縮機運行頻率常在41Hz左右，運行電流為15～22A，基本沒有卸載時間。這樣節(jié)省大量的電能，延長了設(shè)備的使用壽命。該系統(tǒng)于2013年5月28日安裝調(diào)試完畢，并且安全運行到至今。

（1）節(jié)約能源使運行成本降低

通過變頻技術(shù)改造后空壓機運行成本降低20%，再加上變頻起動后對設(shè)備的沖擊減少，維護和維修量也跟隨降低，所以運行成本將大大降低。通過測算，運行一年節(jié)約的成本費用就可以收回改造的投資。
（2）提高壓力控制精度

變頻控制系統(tǒng)具有精確的壓力控制能力。使壓縮機的空氣壓力輸出與用戶空氣系統(tǒng)所需的氣量相匹配。變頻控制壓縮機的輸出氣量隨著電機轉(zhuǎn)速的改變而改變。由于變頻控制電機速度的精度高，可以使管網(wǎng)的系統(tǒng)壓力保持基本恒定。
（3）全面改善壓縮機的運行性能

變頻器軟啟、軟停止，從而減少對壓縮機的電氣部件和機械部件所造成的沖擊，增強系統(tǒng)的可靠性，使壓縮機的使用壽命延長。變頻調(diào)速改造后，電機運轉(zhuǎn)速度明顯減慢，從而有效地降了空壓機運行時的噪聲?，F(xiàn)場測定表明，噪聲與原系統(tǒng)比較平均下降約10dB。
7結(jié)束語

山東新風光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP38-400F型高壓變頻器在登封市君鑫煤業(yè)公司空壓機投運以來，其性能穩(wěn)定、節(jié)能效果明顯，可以根據(jù)井下用風量的多少進行調(diào)節(jié)空壓機轉(zhuǎn)速，提高了空壓機運行的經(jīng)濟性。

在煤礦的壓風系統(tǒng)中應(yīng)用高壓變頻器節(jié)能改造，是國家大力提倡節(jié)能降耗不可缺少的技術(shù)手段。除此之外，變頻器對空壓機的穩(wěn)定運行也起著重要作用。高壓變頻器越來越廣泛地應(yīng)用在電力、冶金、石化、水泥、礦山等高壓電機驅(qū)動的各個行業(yè)。