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中壓變頻器在煤礦主扇風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用

發(fā)布時(shí)間:2014-04-11 作者:新風(fēng)光

1引言
  隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,各行各業(yè)煤炭的需求量也越來越大,各大型煤炭企業(yè)紛紛開辟新的礦井來擴(kuò)大規(guī)模,并且利用各種技術(shù)降低生產(chǎn)成本,因此變頻器在煤炭行業(yè)的需求也就越來越大。
  主扇風(fēng)機(jī)是煤礦通風(fēng)系統(tǒng)中最重要的一部分,它可以說是每一個(gè)井下工作人員的呼吸要道,因此它也是煤礦安全生產(chǎn)中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。長期以來,礦井主扇風(fēng)機(jī)的功率都比較大,而且一天24小時(shí)不間斷運(yùn)行,礦井所需的風(fēng)量都是通過調(diào)節(jié)風(fēng)門擋板或葉片角度來實(shí)現(xiàn),根據(jù)反風(fēng)及開采后期運(yùn)行工況要求,所設(shè)計(jì)的通風(fēng)機(jī)及拖動(dòng)的電動(dòng)機(jī)的功率,通常遠(yuǎn)大于煤礦正常生產(chǎn)所需的運(yùn)行功率。風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)上余量特別大,在相當(dāng)長的時(shí)間風(fēng)機(jī)一直處在較輕負(fù)載下運(yùn)行,因此,煤礦通風(fēng)系統(tǒng)中存在著極為嚴(yán)重的大馬拉小車現(xiàn)象,能源浪費(fèi)非常突出。
2 用戶介紹
  山西焦煤集團(tuán)正興煤業(yè)有限公司于2009年8月由山西焦煤集團(tuán)投資有限公司作為主體企業(yè),重組整合偏關(guān)縣五座煤礦而成,下有九鑫礦、閆家溝礦兩座礦井。九鑫礦生產(chǎn)能力為120萬噸/年,其主扇風(fēng)機(jī)擔(dān)負(fù)著整個(gè)礦井的通風(fēng)任務(wù),要求安全穩(wěn)定性極高,因?yàn)轱L(fēng)機(jī)一旦停機(jī),短時(shí)間內(nèi)就將造成全礦無法正常生產(chǎn),控制方式采用調(diào)節(jié)風(fēng)門開度的大小來調(diào)整風(fēng)量,這樣,不論生產(chǎn)的需求大小,風(fēng)機(jī)都要全速運(yùn)轉(zhuǎn),而運(yùn)行工況的變化則使得能量以風(fēng)門節(jié)流損失消耗掉了。不僅控制精度受到限制,而且還造成大量的能源浪費(fèi),從而導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加,設(shè)備使用壽命縮短,設(shè)備維護(hù)、維修費(fèi)用高居不下,針對這種情況,礦領(lǐng)導(dǎo)經(jīng)過論證,決定選用山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP34系列中壓變頻調(diào)速器4套對主扇風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制,改造取得了成功。
  九鑫礦主扇風(fēng)機(jī)為兩臺(tái),一用一備,現(xiàn)場1#、2#通風(fēng)機(jī)設(shè)備參數(shù)相同,下面表1、表2給出1#風(fēng)機(jī)基本參數(shù)?,F(xiàn)場主扇風(fēng)機(jī)如圖1所示。



3 風(fēng)光牌JD-BP34-270F中壓三電平變頻器介紹
  風(fēng)光牌JD-BP34-270F中壓三電平變頻器采用高速DSP和CPLD芯片作為主控器件,主電路采用三電平或稱中點(diǎn)箝位拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。友好人機(jī)界面可以設(shè)置各種參數(shù)及實(shí)時(shí)監(jiān)測運(yùn)行狀態(tài)。國內(nèi)較早成功研制三電平變頻器的廠商,產(chǎn)品榮獲山東省科技進(jìn)步獎(jiǎng)。
3.1  產(chǎn)品性能特點(diǎn)
(1)主電路采用三電平或稱中點(diǎn)箝位拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),不但能輸出較高電壓,而且能降低輸出電壓諧波成分和電壓變化率dv/dt,輸出波形良好。
(2)輸出端采用三相RLC低通濾波器,將變頻器輸出的三相SPWM波濾成正弦波,有利于保護(hù)電機(jī)。
(3)采用先進(jìn)的高速DSP和CPLD芯片作為主控器件,保證變頻器的穩(wěn)定運(yùn)行。易于操作的人機(jī)界面可實(shí)現(xiàn)各種參數(shù)的設(shè)置及運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控。
(4)不受電網(wǎng)波動(dòng)影響,電機(jī)側(cè)電壓穩(wěn)定。增加低頻啟動(dòng)電壓可以補(bǔ)償線路損耗,適應(yīng)遠(yuǎn)距離傳輸(最遠(yuǎn)達(dá)3000m以上)。
(5)保護(hù)功能齊全。設(shè)有過壓、欠壓、硬件過流、2倍過流、過載、欠載、溫升過高及失速等保護(hù),并配有電機(jī)保護(hù)儀,變頻器一旦保護(hù),會(huì)立即保存故障數(shù)據(jù),便于查找分析,有效保護(hù)變頻器及電機(jī)。
(6)內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器,可開/閉環(huán)運(yùn)行。
3.2產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范


3.3風(fēng)光牌JD-BP34-270F中壓三電平變頻器有關(guān)設(shè)計(jì)
  本文僅對該變頻系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)簡述如下,與380V級通用變頻器相同部分不再贅述。
(1)主電路與功率器件的選擇
  在PWM電壓型380V級變頻器中,一般采用兩電平電路。若用兩電平電路實(shí)現(xiàn)1140V的輸出勢必要用昂貴的高壓管或采用低壓管串聯(lián)結(jié)構(gòu),由于器件串聯(lián)動(dòng)態(tài)均壓問題不易解決,應(yīng)盡量避免。
  本設(shè)計(jì)的整機(jī)方塊圖如圖2所示。

圖2  整機(jī)主回路

  其中主電路部分采用三電平電路或稱中心點(diǎn)部位(NeturalPointClamped-Npc)方式,它不但能輸出較高電壓,而且能降低輸出諧波和電壓變化率(dv/dt),良好的波形正是本設(shè)計(jì)的目標(biāo)之一。圖中的功率開關(guān)器件選用西門子的雙單元IGBT模塊(300A/1700V),采用兩模塊并聯(lián),整流橋采用300A/1600V雙單元,整流后由兩組大電容器相串聯(lián)組成濾波器,電解電容采用10000UF/400VDC,六串四并,如圖電容器的連接點(diǎn)即本電路的中心點(diǎn)(三電平的中間電平)。主回路可控硅延時(shí)導(dǎo)通,選用350A/1600V的模塊。
(2)載波頻率的選擇
  提高載波頻率對改善波形、降低噪聲大有好處,可是載波頻率提高,會(huì)使開關(guān)損耗增加,所以選擇時(shí)必須權(quán)衡利弊,本設(shè)備中載波頻率選為2.0kHz,選擇這個(gè)值時(shí)考慮到了輸出端LC低通濾波器電感鐵芯的重量因素。
(3)變頻器有關(guān)參數(shù)設(shè)置如表4所示。


4改造主回路控制方案
  正興煤業(yè)九鑫礦主扇風(fēng)機(jī)為兩臺(tái),一用一備。風(fēng)機(jī)電機(jī)變頻器采用一拖一控制,風(fēng)光中壓變頻調(diào)速系統(tǒng)由一次回路進(jìn)線柜、變頻單元柜組成。變頻運(yùn)行時(shí),變頻器為電機(jī)提供全面的保護(hù)。如果變頻器在運(yùn)行中出現(xiàn)故障,立即將備用風(fēng)機(jī)投入運(yùn)行,保證煤礦通風(fēng)生產(chǎn)要求。1#風(fēng)機(jī)中壓變頻器柜一次回路如圖3所示。

  DL:用戶負(fù)荷開關(guān)
  1#、2#BPQ:JD-BP34-270F中壓變頻器
  D:220kW/1140V異步電動(dòng)機(jī)


圖4 中壓變頻器運(yùn)行照片


圖5 人機(jī)界面運(yùn)行圖

5 現(xiàn)場應(yīng)用情況
  正興煤業(yè)九鑫礦主扇風(fēng)機(jī)選用型號(hào)JD-BP34-270F風(fēng)光變頻器4套,于2012年7月2日一次性投運(yùn)成功。變頻運(yùn)行后,風(fēng)門全部打開,運(yùn)行頻率26Hz左右,不僅完全滿足煤礦生產(chǎn)工藝要求,而且用戶操作非常方便。變頻器運(yùn)行穩(wěn)定。變頻器現(xiàn)場運(yùn)行如圖4所示,人機(jī)界面運(yùn)行如圖5所示,變頻器運(yùn)行參數(shù)記錄如表5所示。

  風(fēng)機(jī)采用變頻器改造投入運(yùn)行后,輸入電流從72A下降到30A左右,風(fēng)機(jī)電機(jī)功率從113.7kW下降到56.9kW,節(jié)電率為(113.7kW-56.9kW)/113.7kW=50%。
  變頻改造的其他優(yōu)點(diǎn):
(1)采用變頻器后啟動(dòng)風(fēng)機(jī)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)變頻軟啟動(dòng),避免了啟動(dòng)電流對電網(wǎng)及控制設(shè)備的沖擊,可以有效地延長電氣設(shè)備的使用周期。
(2)按需調(diào)節(jié)風(fēng)量,調(diào)速范圍寬且調(diào)速精度高,避免浪費(fèi)。進(jìn)行變頻改造后,風(fēng)機(jī)的風(fēng)量不再需要通過改變?nèi)~片角度來調(diào)節(jié),而是由變頻器通過調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn),調(diào)節(jié)線性度好,因而可以根據(jù)井下生產(chǎn)需要隨時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)量,避免了浪費(fèi)。
(3)降低了風(fēng)機(jī)的工作強(qiáng)度,延長了使用壽命。進(jìn)行變頻改造后,風(fēng)機(jī)的大部分時(shí)間工作在低速狀態(tài)下,因而大大降低了風(fēng)機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度和電氣沖擊,大大延長了風(fēng)機(jī)壽命,提高了風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行系數(shù)和運(yùn)行周期。
(4)變頻器具有短路、過載、過壓、欠壓、缺相等各種保護(hù),有效地保護(hù)了電機(jī)。
(5)改善了現(xiàn)場工作環(huán)境,由于降低了風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,風(fēng)機(jī)噪聲大大降低,深受現(xiàn)場工作人員的歡迎。
(6)減少了反風(fēng)中的操作環(huán)節(jié),以前反風(fēng)需要操作系統(tǒng)的立式風(fēng)門、水平風(fēng)門以及反風(fēng)風(fēng)門,工序繁多而且經(jīng)常出現(xiàn)倒錯(cuò)風(fēng)門的事故?,F(xiàn)在使用軸流式風(fēng)機(jī)和變頻器控制后,反風(fēng)時(shí)極其簡單,只要在人機(jī)界面上將運(yùn)行頻率調(diào)整為負(fù)的頻率,電機(jī)就會(huì)先減速至零點(diǎn)然后再反轉(zhuǎn)到所調(diào)頻率,這期間不用再調(diào)整整個(gè)風(fēng)門系統(tǒng),減少了工作量,降低了操作過程中的故障率。
6結(jié)束語
  正興煤業(yè)九鑫礦主扇風(fēng)機(jī)經(jīng)過變頻改造之后,不僅達(dá)到了良好的節(jié)能效果,并且使整套通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高了一個(gè)大臺(tái)階。隨著國家對節(jié)能減排工作的越來越重視,煤礦企業(yè)通過各種措施降低生產(chǎn)成本,其中變頻技術(shù)起到了關(guān)鍵作用,取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,適應(yīng)了國家建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)的潮流。