大功率高壓變頻器在主扇風機中應(yīng)用

漳村煤礦西風井主扇風機是礦通風系統(tǒng)的命脈，由2臺沈陽發(fā)動機研究所風機廠生產(chǎn)的AGF一606—2．442—1．2—2型軸流式風機和JRl510—8型電機組成，功率為475kW，轉(zhuǎn)速750r／min，電壓為6000V，啟動方式為高開串頻敏電阻啟動，啟動電流大，對電機的沖擊較大。主扇風機啟動后以工頻方式運行，無法根據(jù)井下用風量的改變調(diào)節(jié)風量，電能的浪費現(xiàn)象較為嚴重。因此在2007年9月對西風井1＃主扇風機進行了變頻控制改造，在系統(tǒng)主回路中接人北京康得新電科技有限公司生產(chǎn)的Diamond—HV一06／600型高壓變頻器一套，控制1＃主扇風機，并于2007年9月30日完成了變頻器調(diào)試工作，風機啟動時實現(xiàn)了平滑啟動，變頻器帶井下負荷，正式投入運行。
1 異步電動機的變頻調(diào)速原理
　　異步電動機的變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率廠來改變同步轉(zhuǎn)速而實現(xiàn)調(diào)速的，在調(diào)速中從高速到低速都可以保持較小的轉(zhuǎn)差率，因而消耗轉(zhuǎn)差功率小，效率高，是異步電動機的最為合理的調(diào)速方法。
　　由公式n=6Of/p（1一s）（其中：n為電機轉(zhuǎn)速；f為頻率；P為電機的極對數(shù)；s為轉(zhuǎn)差率）可以看出，若均勻地改變供電頻率f，即可平滑地改變電動機的同步轉(zhuǎn)速。異步電動機變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍寬、平滑性較高、機械特性較硬的優(yōu)點，目前變頻調(diào)速已成為異步電動機最主要的調(diào)速方式，在很多領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用。
　　變頻調(diào)速具有如下顯著的優(yōu)點：
　　1） 由設(shè)備設(shè)計余量而導(dǎo)致“大馬拉小車”現(xiàn)象，因電機定速旋轉(zhuǎn)不可調(diào)節(jié)，這樣運行自然浪費很大，而變頻調(diào)節(jié)徹底解決了這一問題；
　　2） 由負載檔板或閥門調(diào)節(jié)導(dǎo)致的大量節(jié)流損失，在變頻后不再存在；
　　3） 某些工況負載需頻繁調(diào)節(jié)，而檔板調(diào)節(jié)線性太差，跟不上工況變化速度，故能耗很高，而變頻
　　調(diào)節(jié)響應(yīng)極快，基本與工況變化同步；
　　4） 異步電動機功率因數(shù)由變頻前的0．85左右提高到變頻后的0．95以上；
　　5） 可實現(xiàn)零轉(zhuǎn)速啟動，無啟動沖擊電流，從而降低了啟動負載，減輕了沖擊扭振；
　　6） 高壓變頻器本身損耗極小，整機效率在97％ 以上。
2 設(shè)備的選型與方案設(shè)計
2．1 設(shè)備選型
　　過去電動機變頻調(diào)速采用高一低變頻方式來調(diào)速，變頻器為低壓變頻器，采用輸入降壓變壓器，先把電網(wǎng)電壓降低，然后采用一臺低壓變頻器實現(xiàn)變頻；對于電機，則有兩種辦法，一種辦法是采用低壓電機；另一種辦法，則是仍采用原來的高壓電機，需要在變頻器和電機之間增加一臺升壓變壓器，即高一低一高變頻方式。這是當時高壓變頻技術(shù)未成熟時的一種過渡技術(shù)。這種做法由于采用低壓變頻器，容量也比較小，對電網(wǎng)側(cè)的諧波較大?，F(xiàn)在高壓變頻器的技術(shù)已經(jīng)成熟，經(jīng)過研究決定采用一次性解決方案，直接采用高壓變頻器對主扇通風機進行變頻控制改造。經(jīng)過多方比較性價比，選用了北京康得新電科技有限公司生產(chǎn)的Diamond—HV一06／600型高壓變頻器一套，首先在礦西風井1＃主扇風機上應(yīng)用，待應(yīng)用成熟后再進行推廣。
2．1．1 Diamond—HV一06／600型高壓變頻器技術(shù)參數(shù)
　　變頻器容量：600 kVA；
　　適配電機功率：475 kW；
　　輸入頻率：45～55 Hz；
　　額定輸入電壓：6 kV土10％ ；
　　輸入功率因數(shù)：0．95（>20％負載）；
　　變頻器效率：額定負載下>0．96；
　　輸出頻率范圍：0～60 Hz；
　　輸出頻率分辨率：0．01 Hz；
　　運行環(huán)境溫度：一10～40°；
　　冷卻方式：強制風冷。
2．1．2 高壓變頻器性能特點
　　1） 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用直接“高一高”變換形式，為單元串聯(lián)多電平拓撲結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)有多組功率模塊并聯(lián)而成。
　　2） 變頻裝置控制采用LED鍵盤控制和人機界面控制兩種控制方式，兩種方式互為備用，兩種方式從就地界面上可以進行增、減負荷，開、停機等操作。裝置保留至少一年的故障記錄。
　　3） 變頻器能提供兩種通訊功能：標準的RS一485和有觸摸屏處理器擴展的通訊接口。
　　4） 在20％ ～100％ 的調(diào)速范圍內(nèi)，變頻系統(tǒng)在不加任何功率因數(shù)補償?shù)那闆r下，本機輸入端功率因數(shù)達到0．95。
　　5） 變頻裝置對輸出電纜的長度無任何要求，變頻裝置保護電機不受共模電壓及dV／dt應(yīng)力的影響。
　　6） 變頻裝置輸出電流諧波不大于2％，符合IEEE 519 1992及我國供電部門對電壓失真最嚴格的要求，高于國標GB14549—93對諧波失真的要求。變頻裝置輸出波形不會引起電機的諧振，轉(zhuǎn)矩脈動小于0．1％ 。
　　7） 變頻裝置對電網(wǎng)反饋的電流諧波不大于4％ ，符合IEEE 519 1992及我國供電部門對電壓失真最嚴格的要求，高于國標GB14549—93對諧波失真的要求。
　　8） 變頻裝置對電網(wǎng)電壓的波動有較強的適應(yīng)能力，在一10％ ～+10％ 電網(wǎng)電壓波動時必須滿載輸出，可以承受30％的電網(wǎng)電壓下降，而降額繼續(xù)運行，能滿足煤礦的電壓大幅波動的要求。
　　9） 變頻裝置設(shè)以下保護：過電壓、過電流、欠電壓、缺相保護、短路保護、失速保護、變頻器過載、電機過載保護、半導(dǎo)體器件的過熱保護、瞬時停電保護等，聯(lián)跳至輸入側(cè)6kV開關(guān)。保護的性能符合國家有關(guān)標準的規(guī)定。并提供故障、斷電、停機等報警。
　　10） 變頻裝置帶故障自診斷功能，對所發(fā)生的故障類型及故障位置提供中文指示，就地顯示，便于運行人員和檢修人員辨別和解決所出現(xiàn)的問題。變頻裝置有對環(huán)境溫度的監(jiān)控，當溫度超過變頻器允許的環(huán)境溫度時，變頻器提供報警。
　　11） 系統(tǒng)可在電子噪聲，射頻干擾及振動的環(huán)境中連續(xù)運行，能滿足國家標準對電磁兼容的規(guī)定。
2．2 主扇風機變頻控制改造方案
2．2．1 高壓變頻器主回路接線

　　變頻裝置與主扇風機的連接方式如圖1所示。DL為主扇風機6kV開關(guān)；K1、K2、K3為變頻裝置隔離刀閘，K3為工頻刀閘，K1、K2為變頻刀閘；6kV電源經(jīng)變頻裝置輸入刀閘K1到高壓變頻裝置，變頻裝置輸出經(jīng)出線刀閘K2送至電動機；6kV電源還可以經(jīng)旁路刀閘K3后直接啟動電動機。進出線刀閘（K1、K2）和旁路刀閘（K3）的作用是：一旦變頻裝置出現(xiàn)故障，即可馬上斷開進出線刀閘，將變頻裝置隔離，手動合旁路刀閘，在工頻電源下啟動電機運行。
2．2．2 工作方式
　　系統(tǒng)的工作方式變?yōu)樵魃蕊L機系統(tǒng)采用兩臺風機一用一備方式運行，現(xiàn)在把其中1風機改為變頻拖動方式，另外一臺風機系統(tǒng)保持原運行方式不變。變頻裝置采用了工頻變頻切換的旁路柜，保證了在變頻裝置故障情況下直接倒閘操作進入工頻運行方式，切換速度快，完全可滿足在10min內(nèi)啟動風機的要求，確保生產(chǎn)運行不受影響。并且反風比以前操作簡單可靠，完全可滿足10min內(nèi)實現(xiàn)反風的要求。
3 變頻器調(diào)速功能的實現(xiàn)
3．1 高壓變頻器的調(diào)速原理
　　高壓變頻裝置為交一直一交電壓源型變頻調(diào)速系統(tǒng)，變頻器輸出的電流波形非常接近于理想正弦波形，對電網(wǎng)有害的諧波分量低，可通過改變調(diào)制波的頻率和幅值來調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓的頻率和幅值。
　　6kV高壓變頻器每相為三單元疊加。每單元直流電壓1800V，每單元最高輸出交流電壓1275V。整流逆變功率單元結(jié)構(gòu)電路，見圖2。

　　經(jīng)二極管全橋整流，電容濾波，SPWM方式控制IGBT逆變輸出，見圖3。

　　疊加后的變頻器輸出頻率與幅值可調(diào)的正弦波線電壓，對電機實現(xiàn)變頻調(diào)速控制。二極管整流電路在整個運行范圍內(nèi)都有較高的功率因數(shù)，由于直流環(huán)節(jié)濾波電容的存在，負載所需的無功電流可以在逆變功率器件的開關(guān)周期內(nèi)通過續(xù)流二極管瞬時由濾波電容提供，所以一般不會反映到整流器輸入側(cè)，導(dǎo)致輸入功率因數(shù)較高。
3．2 高壓變頻器如何在風機的高效區(qū)進行調(diào)速
　　在現(xiàn)有條件下風機廠家提供的風機運行轉(zhuǎn)速范圍為：①n213r／min；②，n>732r／min；③406r／min　　風機的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍小，變頻控制改造的意義不大，經(jīng)與風機廠家協(xié)商，若對風機進行一些小的改動，將前支板數(shù)增加2塊，可將轉(zhuǎn)速范圍擴大到：①n>580 r／min；②，n500 r／min。
　　為保證風機運行的可靠性，首先將1＃風機風葉保持在原角度（0°角）運行，變頻器運行在工頻狀態(tài)下。待運行一段時間，變頻器運行穩(wěn)定可靠后，再增加風機前支板數(shù)2塊，然后將風機調(diào)至大角度（5°角或10°角）運行。變頻器可進行調(diào)頻，降低頻率運行，根據(jù)井下用風量的大小實現(xiàn)風機的變頻控制運行，并使風機保持在高效區(qū)運行，提高風機的運行效率。
4 應(yīng)用情況
　　在2007年9月30日對風機進行了調(diào)試，調(diào)試時使風機在0°角與5°角兩種狀態(tài)下運行，在0°角風機仍在工頻狀態(tài)下運行，未起到調(diào)節(jié)風量的作用，但電機實現(xiàn)了零轉(zhuǎn)速啟動，無啟動沖擊電流，從而降低了啟動負載，減輕了沖擊扭振，減少了對電網(wǎng)的沖擊。系統(tǒng)的功率因數(shù)提高，電網(wǎng)輸入電流下降，減少了線路上的電能損耗，風機振動也有所下降。
　　當將風機風葉角度調(diào)至5°角運行時，變頻器進行調(diào)頻，變頻器頻率降低至41．5Hz運行可滿足井下用風量要求，與風機變頻控制前運行參數(shù)對比如表1。

　　為保證風機運行的可靠性，現(xiàn)西風井1＃風機風葉保持在原角度（0°角）運行，變頻器運行在工頻狀態(tài)下。待運行一段時間，變頻器運行穩(wěn)定可靠后，再增加風機前支板數(shù)2塊，然后，將風機調(diào)至大角度（5°角或10°角）運行。變頻器可進行調(diào)頻，降低頻率運行，根據(jù)井下用風量的大小實現(xiàn)風機的變頻控制運行，并使風機保持在高效區(qū)運行，提高風機的運行效率。
　　由此可見風機實現(xiàn)變頻運行后，風機的啟動性能得到改善，風機振動降低，電機功率因數(shù)明顯提高，風機效率明顯提高，電機運行電流下降，電能消耗明顯降低，實現(xiàn)了節(jié)能效果。
　　采用變頻調(diào)速實現(xiàn)了以下功能：①實現(xiàn)主扇風機的平滑啟動與無級變頻調(diào)速，提高風機效率；②根據(jù)井下需要調(diào)節(jié)風量與節(jié)約電能；③實現(xiàn)風機可在工頻與變頻工作方式之間的快速切換。
5 經(jīng)濟效益分析
　　高壓變頻器的節(jié)電率一般為30％左右，西風井1＃主扇風機一年運行按照180d（1＃、2＃風機倒換運行）計算，一天運行24h，則一年節(jié)約電能為：475×30％×24×180=615600kW·h。
　　每度電按照0．5元計算，一年可節(jié)約資金：0．5×615600=307800元。
6 結(jié)語
　　在潞安集團公司范圍內(nèi)，主扇風機成功應(yīng)用高壓變頻器這是第一次，在中國煤炭行業(yè)，礦用通風機高壓變頻改造也不多見。實際應(yīng)用表明，高壓變頻器應(yīng)用于煤礦主扇風機的系統(tǒng)改造，必將取得良好的運行效果和經(jīng)濟效益。而推廣使用變頻器在煤礦行業(yè)進行改造，節(jié)約能源的效果將是非?？捎^的。