【正文】 礦井主扇風機高壓變頻調(diào)速裝置 研究報告 朔 里 煤 礦 二○○ 八 年 元 月 十 八 日 1 目 錄 概述 ........................................2 主要問題研究、目標及關(guān)鍵技術(shù) ................3 系統(tǒng)技術(shù)要求及工作原理 ......................4 產(chǎn)品構(gòu)成及特征 ..............................16 現(xiàn)場調(diào)試情況 ................................26 經(jīng)濟技術(shù)分析 ................................34 結(jié)論 ........................................36 2 概述 礦井主扇風機用于向井下提供新鮮風流、排除污濁空氣和有害氣體，對煤礦的安全生產(chǎn)影響重大。 一旦礦井通風不暢，瓦斯?jié)舛壬叩揭欢ǔ潭?，即可能會造成爆炸塌井等重大事故，危及礦工的生命安全。礦井主通風機全年不停地運行，其電耗量較大，平均電耗約占礦井電耗的 15％。通風設 備及配套電動機的選型主要由礦井瓦斯涌出量、井下人員數(shù)量、通風井巷阻力等因素決定。風機滿速運行時的特性曲線與礦井通風網(wǎng)絡阻力特性曲線的交點，確定了通風機的自然運行工況點。但在許多情況下，自然工況點可能不是礦井通風所要求的工況點，其主要原因：① 預測的瓦斯涌出量與實際涌出量有差異，因而可能影響通風需求量；② 預計的礦井通風網(wǎng)絡阻力特性曲線與實際阻力特性曲線不盡相同；③ 礦井通風網(wǎng)絡阻力特性曲線隨著采掘工作面的推移而變化；④ 隨著產(chǎn)量增減、采煤方法及井下工人勞動生產(chǎn)的變更等因素，通風需求量亦可能發(fā)生變化；⑤在節(jié)假 日及檢修期間，井下人員數(shù)量及瓦斯涌出量均減少，因而實際需要的通風量亦可減少。 通風機的服務年限通常為十幾年甚至幾十年。為安全起見，設計階段風機和電動機的規(guī)格都留有一定的裕量以適應通風網(wǎng)絡阻力的變化。因此通風設備調(diào)節(jié)方式的選擇，決定了整個礦井的噸煤電耗及風機的使用壽命，以及企業(yè)的經(jīng)濟效益。近年來，我國礦井多采用對旋式通風機，該類型風機采用交流隔爆異步電機雙電機拖動。該類型風機傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)是根據(jù)風量所需的多少，靠調(diào)節(jié)葉片角度來實現(xiàn)的，這種調(diào)節(jié)必須在風機停機時才能進行，只適合較長階段的風量調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)起來 也不方便，可調(diào)范圍也不大 (一般一度為一單位 )，電機全速運行，節(jié)電不明顯。另一種調(diào)節(jié)系統(tǒng)是調(diào)節(jié)風機電機轉(zhuǎn)速，通過比較變頻調(diào)速的方法是異步電機最有發(fā)展前途的調(diào)速方法。 目前， 煤炭系統(tǒng)在礦井風機選型時，根據(jù)煤礦特點，考慮通風安全及 3 前后期通風參數(shù)變化，風量、負壓等數(shù)值選取偏大，造成風機能力過大，形成“大馬拉小車”情況。例如 根據(jù)通風區(qū)計算， 朔里礦 西三風井目前需回風量約為 1764 =1852m3/min（風量為 1764m3/min 時），其 所對應的負壓值為： 1001pa。實測總回風風量為 m3/min，負壓 1800pa，風量富余較大 ,這樣造成風機系統(tǒng)運行效率低下，電能浪費驚人，運行狀況差，增加了維修工作量。 高壓交流變頻調(diào)速技術(shù)是 90 年代迅速發(fā)展起來的一種新型大容量電力傳動調(diào)速技術(shù)，應用了先進的電力電子技術(shù)、計算機控制技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)和高壓電氣、電機拖動等綜合性領(lǐng)域的學科技術(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)速以其節(jié)能效益顯著，調(diào)速精度高，調(diào)速范圍寬，保護功能完善，易于實現(xiàn)的自動通信功能，運行安全可靠 ,安裝使用、維修維護方便，使之成為企業(yè)采用大容量電機節(jié)能方式的首選。 如果采用 高壓交流變 頻調(diào)速 技術(shù)，由于兩個電機的參數(shù)一樣，可以由一臺 315kW 容量的高壓變頻器控制兩臺電機，開環(huán)定速運行，風量風壓控制在滿足礦井的需要，能大大降低能耗，減少維修工作量。因此，研制高壓變頻調(diào)速裝置，使風機降速運行，同時調(diào)整葉片角度在高效區(qū)域，既滿足風量要求，又提效節(jié)能，很有必要。 主要問題研究、目標及關(guān)鍵技術(shù) 主要問題研究 (1)用高壓變頻調(diào)速裝置對風機的拖動電機供電，通過改變頻率，調(diào)整風機的轉(zhuǎn)速，用降速的辦法來降低風量，直至滿足礦井需要。 (2)用一套高壓變頻調(diào)速裝置，通過切換開關(guān) 柜 ，可以分別拖動兩臺 風機，具有一拖二功能。 (3)如高壓變頻調(diào)速裝置出現(xiàn)故障，發(fā)出報警，可切換到工頻運行，保證風 4 機不停風，不影響礦井通風。 (4)高壓變頻器采用單元串聯(lián)多電平方式，諧波成分小，功率因數(shù)高。 目標 (1)通過高壓變頻調(diào)速裝置，風機可以根據(jù)礦井通風需要隨時調(diào)速運行，使風機始終運行在高效區(qū)。 (2)采用計算機進行過程控制，安全可靠，維護量小。 技術(shù)關(guān)鍵 （ 1） 國產(chǎn)高壓變頻調(diào)速技術(shù)在礦井大功率通風機上的應用，具有其應用的特殊性，通風機停機 10 分鐘即為重大事故，因此對變頻器的可靠性及系統(tǒng)的安全性設計 要求很高。 （ 2） 朔里礦西三 風井是軸流風機，起動力矩大，采用低速補償方式，使變頻器在低速時具有良好的轉(zhuǎn)矩輸出特性。 （ 3） 通風機為一用一備，為了節(jié)省投資，采用切換柜使變頻器能在兩臺風機之間切換，實現(xiàn)一拖二功能。 （ 4） 變頻器與計算機之間的通訊，采用 RS485 隔離端口 MODBUS RTU 通訊規(guī)約，實現(xiàn)計算機對變頻器的監(jiān)視和控制。 系統(tǒng)技術(shù)要求及工作原理 系統(tǒng)技術(shù)要求 風機型號及參數(shù)： KZS18 型軸流式通風機，風機轉(zhuǎn)速 983r/min，電動機功率 315kW，電壓 6kV；風機工作介質(zhì)：礦 井井下廢氣。介質(zhì)密度：；風機數(shù)量： 2臺（一臺運行，一臺備用）。 工作方式： ⑴ 正常起動 ⑵ 正常停機 ⑶ 緊急停機 ⑷ 反轉(zhuǎn)反風到正常轉(zhuǎn)速小于 10min 5 ⑸ 單機運行切換 ⑹ 必要時單級運行 風壓、風量工況范圍 風壓： ～ 風量： 58～ 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍：電機額定轉(zhuǎn)速的 60％～ 100％。 技術(shù)要求： ⑴ 要求選用一套變頻器直接拖動一臺風機的 310kW， 6kV 電機。起動為低速大轉(zhuǎn)矩起動。 ⑵ 變頻器采用單元串聯(lián)多電平直接 高一高變頻器調(diào)速。 ⑶ 諧波污染符合國家標準要求，適合普通鼠籠式電機，對周圍設備無電磁干擾。 ⑷ 具有就地監(jiān)控和遠程監(jiān)控。 ⑸ 控制系統(tǒng)具有在線檢測變頻器各種參數(shù)功能。 ⑹ 各種保護齊全。 ⑺ 單個功率模塊發(fā)生故障時，立即聲光報警，并自動將三相對應的功率模塊旁路，變頻器保持連續(xù)降額運行。 ⑻ 當變頻器故障時，可手動切換到工頻運行。 ⑼ 系統(tǒng)功率因數(shù)不低于 。 ⑽ 具有一套裝置通過切換，可實現(xiàn)拖動兩臺風機的功能。 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)原理 HIVERT系列高壓變頻器采用交 直 交直 接高壓（高 高）方式，主電路開關(guān)元件為 IGBT。由于 IGBT 耐壓所限，無法直接逆變輸出 6kV，而因開關(guān)頻率高、均壓難度大等技術(shù)難題無法完成直接串聯(lián)。 HIVERT 變頻器采用功 6 率單元串聯(lián)，疊波升壓，充分利用常壓變頻器的成熟技術(shù)，因而具有很高的可靠性。它對電網(wǎng)諧波污染小，輸入功率因數(shù)高，不必采用輸入諧波濾波器和功率因數(shù)補償裝置；輸出波形質(zhì)量好，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，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機。 圖 變頻器主回路圖 主隔離變壓器（以下簡 稱主變壓器），有使用壽命長、免維護等優(yōu)點。變壓器原邊為 Y型接法，直接與高壓相接。 副邊組數(shù)量依變頻器電壓等級而定， 6kV 系列為 15 個，為每個功率單元提供三相電源輸入，采用延邊三角形接法，繞組間的相位差由下式計算： 60176。 移相角度 = ——————— = 12176。 每相單元數(shù)量 由于為功率單元提供電源的變壓器副邊繞組間有一定的相位差，從而單元A1單元B1單元C1電動機輸入三相交流電源（任意電壓）單元A2單元C2單元B2單元A3單元C3單元B3單元A4單元C4單元B4單元A5單元C5單元B5移相二次線圈隔離變壓器 功率單元圖 2 .1 HI VE RT 高壓變頻器 6 KV 系列主電路圖 7 消除了大部分由單個功率單元所引起的諧波電流，所以 HIVERT變頻器輸入電流的總諧波含量（ THD）小于國家標準 5%的要求，并且能保 持接近 1的輸入功率因數(shù)。圖 為 6kV 系列（每相 5 單元串聯(lián)）輸入電流實錄波形，電流峰值 120A，幾近完美的正弦波。 圖 輸入電流波形 變頻器輸出是將每相 5 個三相輸入、單相輸出的低壓功率單元串聯(lián)疊波得到。 3相輸出 Y 接，中性點懸浮，得到驅(qū)動電機所需的可變頻三相高壓電源。圖 6kV 變頻器的電壓疊加示意圖。 8 圖 6kV 電壓疊加圖 圖 為 5個 690VAC功率單元串聯(lián)時，每個功率單元輸出的電壓波形及其串聯(lián)后輸出的相電壓波形示意圖，可以得到 5～ 0～ 5 共 11 個不同的電壓等級。 增加電壓等級的同時，每個等級的電壓值大為降低，從而減小了 dv/dt 對電機絕緣的破壞，并大大削弱了輸出電壓的諧波含量，圖 為 6kV 系列每相五單元串聯(lián)輸出的 Uab 線電壓波形實錄圖，峰值電壓為。因為電機電感的濾波效果，輸出電流波形更優(yōu)于電壓波形，圖 即為輸出電流 Ia 的實錄波形圖，峰值電流 130A。電壓等級數(shù)量的增加，大大改善了變頻器的輸出性能，輸出波形幾乎接近正弦波。 線電壓相電壓 9 圖 6kV 系列 5 單元輸出及相電壓波形示意圖 圖 輸出線電壓波形