合康高压变频技术在阳煤二矿、五矿主通风机的应用

一、主通风机电动机的基本数据 1、阳煤二矿北茹主通风机：AGF606-3.2-2.0-2型矿用轴流式通风机配套电机：Y9001-8、4000kW，736r/min 2、阳煤五矿南风井主通风机：GAF31.5-19-2（GZ）型矿用轴流式通风机配套电机：Y800-8、3200kW，736r/min 二、主通风机电动机的启动方式       煤矿的通风系统是矿井的生命系统，就像人的呼吸系统一样。主通风机为矿井通风系统提供强大的动力，主通风机是否安全可靠运行，关系到矿井与下井职工的安全，因此主通风机启动、调节、高效运行就显得尤为重要。        阳煤二矿、五矿的主通风机均选用轴流通风机，选择电动机的启动方式必须考虑到，电动机启动时端子电压应能保证通风机启动转矩要求，同时在配电母线上引起的电压下降不应妨碍同一母线上其它用电设备的正常工作，并且电动机的启动还须满足电动机制造厂的启动要求。由于异步电动机维护方便、启动控制简单、运行可靠性高，因此目前广泛用于通风机拖动；阳煤二矿、五矿的主通风机的改造均选用高压异步电动机。因同步电动机（绕线电动机）需励磁（带有电刷）而造成维护复杂，还因控制环节多，越来越少用于主通风机拖动，本文仅对异步电动机启动、运行方式进行论述。        过去，因无对大型主通风机良好的启动运行电控设备只能采用串电抗器降压、自耦变压器降压、以及各种降压软启动等设备或直接启动，造成主通风机起动困难，再加上无法调节，主通风设备在大多数情况下运行工况都处于低效高耗能运行状态。        开启风门启动的轴流通风机启动转矩要求非常大，实践证明属于重载启动，选择启动方式须满足主通风机重载启动的要求。        当今，随着高压变频技术的不断发展和国家节能减排政策的实施，高压变频调速装置因其具有良好的的启动特性和调速性能现在正在逐步用于通风机控制，变频调速装置不仅适合电动机重载启动，而且可以在线控制主通风机运行全过程及停车，所以变频调速装置既可满足主通风机的软启动、软停车，又可实现主通风机的变速调节。因此变频无级调压技术是目前世界上最先进、最优良的软启动方式。 三、运用高压变频技术主要考虑以下因素        矿井主通风机采用变频调速装置控制已是目前和今后发展主要方向，它可以实现矿井风量有序供给和自动控制。设计中应考虑以下主要因素： 1、安全可靠性        启动。根据主通风机的电气参数确定最佳的S形加速曲线，而且还要考虑到变频器偶然性故障，具有旁路应急工频运行方式。        正常运行。按矿井所需风量和风压的大小，预先调整主通风机叶片的角度，而后根据主通风机的特性曲线选定最佳运行工况点和电机最佳转速，最后确定变频器的运行频率，使主通风机始终处于良好的运转状态。        倒机。主通风机须定期轮换运行，以便按周期保养维护。为保证倒机前后井下风量相同，两台主通风机的运行参数应调整一致。        反风。按《煤矿安全规程》规定，矿井每年要进行反风演习，以保证井下发生灾害时，主通风机能及时可靠地反转，满足井下所需的反风量。变频器在设置频率时，须考虑到变频器负频率的设定范围。不需要按传统的反风方式-调整风叶角度或用断路器切换相序实现电动机反转，只需通过人机界面将运行频率设定到负频率值，使主通风机先减速到零，然后转到负频率转速，即可实现主通风机反风，这样既简化了操作程序，又提高了反风的安全性、准确性、及时性。 2、消除谐波污染        变频调速装置是一种高性价比的电气传动系统，变频器的三相输出电压波形为SPWM波，在异步电动机的定子电流中含有高次谐波成分，高次谐波会增加电动机的损耗使电动机效率降低、功率因数减小及降低电动机的使用寿命，因此，在选用变频器时，要注意尽量选择含高次谐波分量小的产品，如最好选用北京合康－－完美无谐波—绿色变频器。 3、变频调速控制与矿井安全监测系统联网        应把变频器的控制系统与瓦斯监测系统联网，当井下采掘工作面瓦斯突然涌出量较大时，通过瓦斯监测系统自动调整变频器的工作频率，提高主通风机转速，及时冲淡瓦斯浓度，保证矿井安全生产。 四、主通风机变频调速控制系统的设计原则 1、供电电源冗余设计        变频系统的供电电源分为动力供电和控制系统供电两部分。动力供电均来自不同的动力开关柜，两路电源均引自不同的母线段，保证动力供电的可靠性、连续性；控制电源均由不同母线段高压柜内的降压变压器供电。 2、实现变频、工频两种方式可靠切换        正常情况下变频系统根据矿井所需风量，适时调整主通风机电机转速，满足矿井井下风量需求，当高压变频调速装置发生故障时，可由变频运行方式自动切换至工频应急方式供电，保证主通风机设备运行安全可靠。 3、实现远程监控        通过本地操作界面实现变频系统所有的运行控制、参数修改、状态显示和故障查询等功能，并通过变频系统的接口，连接到远程工控机可实现相同的功能。 4、变频器容量的选择        按变频器所驱动的通风机电机的最大功率，并留有一定裕量。即：Se=KiPmax/cosφ 式中：Se-所选变频器的容量，kVA Ki-富裕系数，一般取1.1～1.4 Pmax—主通风机电动机的最大功率,kW cosΦ-电动机的功率因数 五、主通风机变频调速系统的设计方案        阳煤二矿、五矿主通风机为开启风门式轴流通风机，主电机为单电机式通风机，负载性质属于典型的重载启动。主通风机启动方式采用变频器是最佳的。        系统主要由变频电源柜（K1、K4）、变频器（BP1、BP2）、变频输出柜（K3、K6）、工频应急柜（K2、K5）及主通风机组成。方案见图1。其中变频电源柜（K1、K4）为变频器提供电源，在变频器输出侧停运时断开电源；变频器（BP1、BP2）为系统的核心部分，分别拖动1#、2#主通风机电机调速运行；变频输出柜（K3、K6）在变频器输出侧隔离工频电源。断路器K2、K3相互闭锁、K5、K6相互闭锁，在任何状态下变频器输出侧严禁输入工频电源，否则将会引起变频器损坏，；工频应急柜（K2、K5）用于变频器出现偶然性故障时，实现同步自动切换功能，不间断地平稳过渡到工频应急状态，保证主通风机继续工频运行，不中断矿井通风。工频应急系统作为变频调速的后备系统。其工作原理：两套变频调速系统一用、一备，变频运行时，对应的工频应急柜必须处于断开状态。该系统具备工频应急功能，主要优点是系统安全可靠。

  六、变频调速调节        变频调速调节属于改变主通风机电机转速电气调节。当主通风机服务周期内的风量和压力差别较大，变化范围超出了主通风机的高效区时，传统的调整风叶角度不能满足运行需要，对于频繁改变运行参数，采用变频调速装置调节井下用风量具有明显优势。变频调速调节时的工况点变化和能耗变化情况如图 2所示。

       变频调速调节的最大优势是节能，节能机理主要表现在以下3个方面：1、通过变速改变主通风机的性能曲线，将主通风机工况点调整到高效区内，从而降低主通风机本身的功率消耗。这一点与其它调节方法的作用是相同的。2、变频调速能够动态适应矿井通风管网的参数变化，做到细调、精调，而未增加无效功率。3、变频调速装置自身消耗功率小，效率高。基于以上3个方面，变频调速调节是最节能最理想最有效的调节方法。        变频调速装置不仅能够保证变频调压软启动、软停车，而且能够实现变速调节、节能效果非常显著、经济效益明显提高。尤其适应主通风机智能化控制。随着国家节能减排政策的不断深入，采用变频调速装置控制主通风机具有广泛美好的发展前景。 七、北京合康变频器主要优点 1、采用DSP控制系统        主控器的核心采用双DSP的CPU单元，使指令能在纳秒级完成，这样CPU单元可以迅速根据操作命令，给定信号及其它输入信号，计算出控制信息及状态信息，快速完成对功率单元的监控。启动了变频器与以太网相连,对变频器进行过程监控。解决了多台变频器联动问题。 2、智能化功率单元        所有的功率模块均为智能化设计,具有强大的自诊断能力,一旦发生故障时,将故障信息迅速返回到主控单元,主控单元及时将主要功率器件IGBT关断,保护主电路,同时,在中文人机界面上实时显示故障位置、类别。对一定范围内单元模块进行了标准化设计，以保证单模块在结构、功能上的一致性。当模块出现故障时，在得到报警通知后，可在几分钟内更换同等功能的备用模块，减少停机时间。功率单元与控制器采用光纤通信，实现完全电气隔离。 3、瞬时停电再启动功能        实际现场使用中，常因线路重合闸或电源侧倒闸而使高压变频出现短时失电现象，变频器若不具备瞬时停电不停机功能就会立即停止输出，而电机所带负载会存在机械惯性，在电源恢复后电动机的速度尚未降到零，等待重新启动又会经过相当长的时间，会给用户带来诸多不便。也就是说可在瞬时停电时自动跟踪电动机实际转速对应的频率，电源恢复后以此频率为起始频率，使电机重新加速到停电前的运行状态，以适应不允许停主通风机需要。 4、转速（飞车）启动功能        实现电机在自由旋转状态下，搜索电机实际速度对应的频率，以此频率为起始频率使电机平滑投入高压变频器控制驱动的运行状态，缩短启动时间，减小冲击电流。满足主通风机连续性供电的要求。 5、空间矢量控制技术        合康自主开发的空间矢量控制正弦波PWM调制技术、精度高，响应快，变频效率大于98%，谐波小于3.5%。 6、稳压功能        输出电压具备AVR（自动电压调整）稳压功能，防止过高电压对电机绝缘的损坏，降低电机的空载损耗。 7、转矩提升功能        提高低频运行时的输出电压，保持恒定必需的输出转矩。 8、同步投切功能        同步投切功能，实现电机在电网与变频之间的“无扰动”切换，减小对机械设备及电网的冲击。 9、合康通用高压变频器采用单元串联脉宽调制叠波技术，大大削弱了输出谐波含量，输出波形为几近完美的正弦波，与其它形式的高压大容量变频器相比有以下优点：1、无需增加输出滤波装置。2、可直接驱动高压同、异步电动机，而不会增加电机温升。3、电机不需因谐波而降额使用。4、可使主回路电机、电缆绝缘免受dv/dt应力的损伤。5、没有谐波引起的脉动转矩，可延长电机及机械设备的使用寿命。6、在电缆压降允许范围内，电机电缆无长度限制要求。 八、投资与回报        阳煤二矿选用北京合康高压变频器HIVERT-T 06/560  5600kVA 主通风机电机 4000kW。        阳煤五矿选用北京合康高压变频器HIVERT-T 06/400  4000kVA 主通风机电机 3200kW。 九、结论        通过以上分析与一年多运行的表明，采用我国民族品牌-北京合康-绿色科技-完美无谐波变频器控制主通风机安全可靠、经济合理、技术先进、节能降耗，具有广泛的应用前景。