變頻智能控制在10KV礦用主風機上的應用

趙玉寶

摘 要：隨著科技強安和節(jié)能環(huán)保在生產(chǎn)中要求的不斷提高，傳統(tǒng)風機的運行方式已逐漸顯露其弱勢，其運行主要為三相交流電固定轉(zhuǎn)速，從啟動到正常運轉(zhuǎn)后一直保持一個轉(zhuǎn)速，極大地浪費了電能，同時系統(tǒng)自動化程度不高，對設備本體及系統(tǒng)運管維護造成成本的增加。本文主要介紹現(xiàn)代交流變頻器及智能控制系統(tǒng)在礦山主風機上的應用，從而節(jié)約了能源及綜合使用成本。

關鍵詞：風機；變頻；智能控制

中圖分類號：TN773 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）18-0136-02

1 前言

四川化工天瑞礦業(yè)有限責任公司位于四川省樂山市馬邊縣境內(nèi)，主要產(chǎn)業(yè)是200萬噸/年磷礦采選工程。礦山采礦在1228m硐口安裝主通風機一套。型號為：BCDZ-10-38#/2×710Kw/10kv。

2 礦山通風方式

礦山采礦分一期、二期設計。一期通風系統(tǒng)新鮮風流通過1158m、輔助斜坡道及1300進風平巷進入各中段工作面，清洗工作面的污風通過1300m回風平硐內(nèi)的通風設施抽出；二期通風系統(tǒng)新鮮風流通過1000m平硐、輔助斜坡道及相關進風平巷進入各工作面，清洗工作面的污風通過回風巷道內(nèi)的通風設施抽出。

2.1 風量和負壓計算

（1）礦井所需的風量和負壓：

風量：Q=153.56m3/s；

負壓：一期容易時：2100Pa；一、二期困難時：2842Pa。

（2）風機的計算風量和負壓：

風機的計算風量：

Qj=KQ=1.15×153.56=176.6m3/s

式中：Qj-風機的計算風量，m3/s；K-通風裝置的漏風系數(shù)，1.15。

風機的計算負壓：容易時：Hj=H+h=2100+200=2120Pa 困難時：Hj=H+h=2842+200=30420Pa

式中：Hj-風機的計算負壓，Pa；h-通風裝置阻力，200Pa。

2.2 設備的選擇

根據(jù)風機的計算風量、容易及困難時期的計算負壓，選BCDZ-10-38#/2×710Kw/10kv型礦用對旋軸流式風機1套。

2.3 風機配置

整套風機主要配置為：風機本體、剎車裝置、擴散器、潤滑油站、配套儀表、電控系統(tǒng)、變頻控制系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)、智能綜合在線監(jiān)測系統(tǒng)及其它輔助系統(tǒng)。

3 常規(guī)風機控制的特點

3.1 電能的嚴重浪費

主風機的在礦山投運時間均較長。其原始參數(shù)為滿足從試生產(chǎn)到最后一期采礦生產(chǎn)的全過程各階段的綜合需風參數(shù)。在最后一期采礦系統(tǒng)形成前的前幾期時間里，主風機一直處在較輕負載下運行。由于同步電動機的轉(zhuǎn)速不可調(diào)節(jié)，只能通過改變風機葉片的角度進行風量調(diào)節(jié)，因此造成能源浪費，增加了生產(chǎn)成本。

3.2 啟動困難，機械損傷嚴重

風機采用直接啟動，啟動時間長，啟動電流大，對電動機的絕緣有著較大的威脅，嚴重時甚至燒毀電動機。而同步電動機在啟動過程中所產(chǎn)生的單軸轉(zhuǎn)矩現(xiàn)象使風機產(chǎn)生較大的機械振動應力，嚴重影響到電動機、風機及其它機械的使用壽命，同時大功率電機直接啟動對電網(wǎng)的波動影響較大，影響同線路的其他設備的用電質(zhì)量。

3.3 自動化程度低

主風機依靠人工調(diào)節(jié)風機葉片等調(diào)節(jié)風量，不具備風量的自動實時調(diào)節(jié)功能，自動化程度低。在故障狀態(tài)下，如風流短路，將對礦山正常生產(chǎn)造成嚴重影響。

系統(tǒng)各運行參數(shù)及風機本體各參數(shù)依靠手工現(xiàn)場檢測，不僅精度低、速度慢、可靠性差、耗費人力、測量結(jié)果容易受人為因素影響，而且缺少諸如風量、風機振動、各機械部位溫度、系統(tǒng)運行參數(shù)等測量，同時缺少自動注油系統(tǒng)等，不能為風機隱性故障提供可靠的判斷依據(jù)。

為了礦山的安全生產(chǎn)和降低生產(chǎn)成本，同時響應礦山“機械化換人，自動化減人”的趨勢，主風機實行變頻智能控制具有非常重要的意義。

4 風機變頻控制的設置

根據(jù)電機容量和負荷特性選擇匹配的變頻器。

4極以上電機選擇變頻器時應大一個規(guī)格，8極以上電機應大于兩個規(guī)格（即所配電機容量的1.15的備用系數(shù)）， 過載能力不小于110%—1分鐘。逆變器效率必須≥98.5%。并具有與DCS或其他控制系統(tǒng)的通訊接口。

變頻裝置能遠距離操作，并可對其進行遠程/本地控制的切換。并至少實現(xiàn)以轉(zhuǎn)速為控制對象的開環(huán)控制和以頻率為控制對象的開環(huán)控制。變頻器允許較強的過載能力，尤其能夠在低速下輸出高轉(zhuǎn)矩，完全滿足風機轉(zhuǎn)矩要求。

變頻裝置輸出電流諧波不大于4%，必須符合IEEE 519 1992及中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，禁止采用輸出電抗器。同時具備飛車啟動功能，可實現(xiàn)大力矩直接啟動。

具有完善的功率單元保護和系統(tǒng)保護功能，故障診斷定位準確，完備的歷史故障記錄和運行記錄。具有過電壓、 過電流、欠電壓、缺相、超頻保護、失速保護變頻器過載、變頻器過熱、電機過載，輸出接地，輸出短路、半導體器件的過熱保護、瞬時停電保護、光纖故障等保護功能。并能夠提供聯(lián)跳現(xiàn)場輸入側(cè)高壓開關的接點。保護的性能應符合國家有關標準的規(guī)定。

配備漢字顯示的液晶觸摸顯示屏，可實現(xiàn)變頻器參數(shù)設定和顯示電機電壓、電流、頻率等狀態(tài)參數(shù)；變頻器具有很強的故障診斷能力和精確的故障定位能力，當有故障發(fā)生時，在液晶顯示屏上顯示故障位置、類別，使故障點一目了然。

變頻裝置具有瞬時停電再啟動功能。對輸出電纜的長度不應有特殊要求，必須保護電機不受共模電壓及dV/dt應力的影響。輸出波形不會引起電機的諧振，效率應達到98%以上，變頻裝置整個系統(tǒng)的效率（包括輸入隔離變壓器等）在整個調(diào)速范圍內(nèi)必須達到96%以上。

在整個頻率調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，被控電動機均能保持正常運行。在最低輸出頻率時，應能持續(xù)地輸出額定電流。在最高輸出頻率時，應能輸出額定電流或額定功率。

5 變頻智能控制在主風機系統(tǒng)中的作用

5.1 變頻器過程控制

變頻器可以采用數(shù)字量和模擬量控制，也可以采用串行連接和總線控制。從某一角度講，變頻器內(nèi)置的過程控制可以簡化甚至取代原來的機械系統(tǒng)，從而降低成本，提高可靠性，簡化控制和維護，相對傳統(tǒng)風機人工調(diào)節(jié)，采用變頻器控制，可以獲得更寬的控制范圍和線性度。

5.2 變頻器過程監(jiān)視

變頻器的數(shù)字輸出，模擬輸出和串行連接輸出可以監(jiān)視負載變化過程中電機的狀況和過程量的動態(tài)。

5.3 減少風機維護量

變頻器所具有的軟起和軟停功能可以顯著地減少機械系統(tǒng)和軸承的損傷，從而可以大幅度延長風機系統(tǒng)的使用壽命；在風量需求未達到滿負荷時降速運行可以延長軸承的使用周期。

5.4 有效削弱振動和噪聲

在低于額定轉(zhuǎn)速的情況下，風機的噪聲大幅度降低；現(xiàn)代變頻控制可以抑制變頻器本身造成的電機的額外噪聲；通過變頻控制還可以避免機械設備固有的共振。

5.5 智能監(jiān)測提升系統(tǒng)運行可靠性

智能在線監(jiān)測系統(tǒng)的投入，對風機內(nèi)部潛在的信息能進行有效實時監(jiān)測，同時在監(jiān)測界面上直觀顯示，給風機運行提供有效維保及管理依據(jù)。整個系統(tǒng)各運行參數(shù)簡單明了，極大地提升了風機運行的可靠性。

5.6 對風機系統(tǒng)電氣方面的影響

5.6.1 電氣保護

變頻器將電機屏蔽于電氣擾動之外，從電機側(cè)不能看到電網(wǎng)的瞬間波動，輕微的電網(wǎng)不平衡不影響電機的平衡運行。同時可提供電機過載，堵轉(zhuǎn)，短路等的精確保護，從而避免電機的過載和堵轉(zhuǎn)損傷。

5.6.2 對供電系統(tǒng)的影響

變頻器近乎理想的起動電流最大程度地減少了對供電系統(tǒng)的擾動，對其它設備的影響幾可忽略不計?？梢詼p少變壓器，開關，電纜及其保護裝置的容量，節(jié)省投資。對于有備用發(fā)電機的場合，發(fā)電機的容量可以減少30-50%。

5.6.3 功率因數(shù)

變頻器的相移功率因子接近于己于1，對于很輕的負載也是如此，從而可以省卻功率因數(shù)補償?shù)耐顿Y。無功功率不但增加線損和設備的發(fā)熱，更主要的是管理因數(shù)的降低導致電網(wǎng)無功功率的降低，大量的無功電能消耗在線路當中，設備使用效率低下，浪費嚴重，由公示P=S×Cosφ，Q=S×Sinφ（其中S-視在功率，P-有功功率，Q-無功功率Cosφ-功率因數(shù)），可知Cosφ越大，有功功率P越大，普通風機的因數(shù)在0.7-0.85之間，使用變頻調(diào)速裝置后，由于變頻器內(nèi)部濾波電容的作用，Cosφ≈1，從而減少了無功損耗，增加了電網(wǎng)的有功功率。

5.6.4 短路容量

通過變頻器，電機不再產(chǎn)生對電網(wǎng)的短路電流，從而可以減少開關的容量。

6 技術(shù)上的可行性

變頻智能控制系統(tǒng)具有優(yōu)異的調(diào)速和軟起動性能、強大的在線監(jiān)測功能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果，產(chǎn)品在市場上技術(shù)已經(jīng)成熟。利用變頻調(diào)速來實現(xiàn)風量調(diào)節(jié)，可以節(jié)約大量的電能，同時可以顯著改善風機系統(tǒng)本體機械運行性能。利用智能在線監(jiān)測系統(tǒng)，可以節(jié)約大量的人力，同時保證整個機械系統(tǒng)的各運行參數(shù)可控，確保設備在受控狀態(tài)下正常運轉(zhuǎn)。

7 變頻方案的選擇

高壓變頻器的技術(shù)實現(xiàn)上主要有高-低-高、多電平、直接高等三種方案，通過比較后采用直接高壓方式比較合理。即直接對高壓進行整流后逆變輸出，無須降壓/升壓變壓器，可以選擇有隔離變壓器或采用進線電抗器，整流部分采用pwm整流器。

該方式的特點是：

（1）器件數(shù)量少，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高；（2）對電網(wǎng)的諧波污染小，輸入波形好；（3）輸出波形好；（4）效率高（>98.0%）；（5）功率因數(shù)可調(diào)（對pwm整流而言），可接近于1，或為負功率因數(shù)；（6）對電流有較強的控制能力，可以自動抑制各種過電流故障；（7）具有再生回饋制動功能。

8 變頻旁路切換

為了確保風機的正常運行，在方案中選擇了旁路運行方式，旁路運行的作用是當變頻器檢修或出現(xiàn)故障時，為了不影響風機的正常運行，將電動機通過旁路開關直接接入高壓10kv運行。旁路工作時電動機的啟動程序為異步啟動、投入勵磁、牽入同步，同時還考慮失步保護。為保證旁路投入時能系統(tǒng)能實現(xiàn)自動切換及保護，選擇了同步電動機啟動柜，它包括旁路開關和勵磁裝置兩個部分，為一體化控制柜，柜內(nèi)有電動機啟動時的投勵檢測與控制及失步保護等各種功能，完全滿足同步電動機旁路運行的要求。

9 結(jié)語

變頻智能控制系統(tǒng)在10KV礦用主風機上的應用，使風機運行系統(tǒng)簡單便于調(diào)試，各類參數(shù)直觀易懂，系統(tǒng)運行中無需專人值守，實現(xiàn)了自動化減人的目標。能取得較高的運行效果及經(jīng)濟效益。

參考文獻

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