高壓變頻器在煤礦濕式除塵風(fēng)機上的應(yīng)用

李莉麗

(臨沂大學(xué)山東臨沂276000)

0 引言

目前的礦井濕式除塵風(fēng)機、風(fēng)機傳動系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)風(fēng)機入口風(fēng)門的開度來調(diào)節(jié)風(fēng)量，電動機恒速運行。該方法存在著很大的弊端和局限:①把風(fēng)量消耗在擋風(fēng)板上，造成能量損耗。②風(fēng)門擋板采用電動執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動，使用不便。③風(fēng)門擋板調(diào)節(jié)風(fēng)量造成擋風(fēng)板前后壓差大，風(fēng)門易磨損。④電動機全速運行，振動大、噪聲大、損耗大，軸承磨損嚴重。⑤電動機啟動電流大，影響電網(wǎng)穩(wěn)定?？紤]上述因素，對其除塵風(fēng)機進行了高壓變頻調(diào)速節(jié)能改造。改造后的系統(tǒng)調(diào)速精度大大提高，降低了設(shè)備的運行和維護費用，延長了電動機等設(shè)備的使用壽命，最終達到了降耗增效的目的。

1 除塵風(fēng)機節(jié)能原理及負載參數(shù)

1.1 風(fēng)機負載節(jié)能原理

根據(jù)風(fēng)機學(xué)原理，在風(fēng)機類負載的變風(fēng)量、變壓力的運行狀況中，風(fēng)量、風(fēng)壓和消耗的能量之間有下面的關(guān)系:①風(fēng)機風(fēng)量和電動機轉(zhuǎn)速成正比。②風(fēng)機風(fēng)壓和電動機轉(zhuǎn)速的平方成正比。③風(fēng)機消耗的軸功率跟電動機轉(zhuǎn)速的立方成正比。

圖1 風(fēng)機類負載的運行曲線

其中，Q1，Q2為風(fēng)機風(fēng)量;H1，H2為風(fēng)機風(fēng)壓;節(jié)約的軸功率 ΔP;n1，n2為風(fēng)機轉(zhuǎn)速。

根據(jù)電機學(xué)原理，系統(tǒng)采用變頻調(diào)節(jié)時，直接通過改變電動機輸入頻率來改變電動機的轉(zhuǎn)速，以滿足不同工況的需求。由于電動機消耗的能量與轉(zhuǎn)速呈立方關(guān)系下降，因此采用變頻調(diào)速的節(jié)電效果非常顯著。變頻調(diào)速方式調(diào)速范圍寬，線性度好，其本身的電子損耗低，因而無論在輕載還是滿載都有很高的效率。從圖1 所示的風(fēng)機運行曲線就能分析出采用變頻調(diào)速后的節(jié)能效果。

當(dāng)所需風(fēng)量從Q1減小到Q2時，如果采用調(diào)節(jié)閥門的辦法，管網(wǎng)阻力將會增加，管網(wǎng)特性曲線上移，系統(tǒng)的運行工況點從A 點變到新的運行工況點B 點，所需軸功率P2與面積H2×Q2成正比;如果采用調(diào)速控制方式，風(fēng)機轉(zhuǎn)速由n1下降到n2，其管網(wǎng)特性并不發(fā)生改變，但風(fēng)機的特性曲線將下移，因此其運行工況點由A 點移至C 點。此時所需軸功率P3與面積HB×Q2成正比。通過實踐統(tǒng)計，風(fēng)機類負載通過調(diào)速控制可節(jié)能20% ～50%。

1.2 負載參數(shù)

10 kV 除塵風(fēng)機正常生產(chǎn)時處于長期運行狀態(tài)，無備用風(fēng)機。電動機主要參數(shù)如下:

電動機型號YKK7108 －8

額定電壓10 kV

額定功率1 600 kW

額定電流119 A

額定轉(zhuǎn)速745 r/min

功率因數(shù)0.82

2 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制功能

鑒于高壓變頻器在風(fēng)機類負載節(jié)能應(yīng)用中的突出優(yōu)勢，采用高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)對除塵風(fēng)機進行變頻改造。高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路如圖2 所示，設(shè)置手動旁路柜，以便在變頻器故障時，風(fēng)機仍能正常運轉(zhuǎn);高壓變頻控制系統(tǒng)原理如圖3 所示。

2.1 工頻/變頻手動切換

QS1、QS2與QS3前后兩回路加入機械互鎖繼電器互鎖，避免兩回路同時導(dǎo)通。采用手動操作，在QF 分閘狀態(tài)下，用戶可手動切換系統(tǒng)的工頻或變頻工作狀態(tài)。當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時，用戶可將系統(tǒng)切換至工頻狀態(tài)，風(fēng)機在50 Hz 下全速運行，通過調(diào)節(jié)風(fēng)門擋板的開口度來調(diào)節(jié)風(fēng)量，從而保證系統(tǒng)的連續(xù)運行。

2.2 預(yù)充電功能

接通總電源瞬間，變頻器上濾波電容兩端電壓為0 V，若不對濾波電容進行限流預(yù)充電，大的沖擊電流可能燒壞保險和整流橋等。因此，在系統(tǒng)合閘之前必須對變頻器電容進行預(yù)充電，以減小沖擊電流。這里采用移相變壓器除了輸出24 路722 V 功率模塊三相電源外，還有一個380 V 輔助繞組。系統(tǒng)接通380 V 控制電源并準備就緒后，用戶操作合閘按鈕，變頻器自動啟動預(yù)充電過程，由變壓器的380 V 輔助繞組激勵出的24 路722 V 三相電源為各個功率單元模塊的電容進行預(yù)充電，直到模塊直流母線電壓超過800 V，預(yù)充電過程結(jié)束，系統(tǒng)自動合閘，接入10 kV 高壓。

圖2 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路

圖3 高壓變頻控制系統(tǒng)原理

2.3 完善的保護功能

2.3.1 變頻器自身保護

變頻器每個功率單元模塊輸出端并聯(lián)旁路電路。當(dāng)某個功率模塊發(fā)生故障時，封鎖對應(yīng)功率單元IGBT 的觸發(fā)信號，切換至模塊旁路，保證變頻器不停機。為保證三相輸出電壓對稱，在旁路故障功率模塊的同時，對應(yīng)的另外兩相的兩個功率模塊也同時切換至旁路運行。此外，變頻器設(shè)有過壓、過流、欠壓、缺相、過載、過熱等保護功能。

2.3.2 變壓器過熱保護

變壓器裝置內(nèi)設(shè)有Pt100 溫度傳感器。在系統(tǒng)運行過程中，若變壓器內(nèi)繞組溫度超過150OC，則系統(tǒng)自動跳閘，切斷變頻器10 kV 高壓，改由工頻直接啟動風(fēng)機。

2.3.3 門限開關(guān)保護

系統(tǒng)運行過程中，除控制柜柜門可以打開外，旁路柜、變壓器柜和功率柜的柜門均應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)，以確保人身安全。帶電打開柜門也將導(dǎo)致高壓跳閘。

3 應(yīng)用效果分析

再造后的高壓變頻煤礦濕式除塵風(fēng)機自投運以來，取得了可喜的應(yīng)用效果。與原工頻控制系統(tǒng)相比，顯示出了巨大的優(yōu)越性。

1)系統(tǒng)運行穩(wěn)定，安全可靠。高壓變頻器性能可靠，自正式投運以來，實現(xiàn)了連續(xù)無故障運行，運行狀態(tài)良好。此外，系統(tǒng)采用旁路柜實現(xiàn)工頻/變頻工況的切換，確保變頻器發(fā)生故障時，風(fēng)機仍可以在工頻條件下繼續(xù)運轉(zhuǎn)。

2)節(jié)能效果顯著。為了對高壓變頻改造的效果進行評價，在系統(tǒng)投運前后，分別對設(shè)備工頻和變頻運行狀態(tài)下的風(fēng)機電動機的單位產(chǎn)量的電量進行了測試和計算。變頻改造后，在滿足相同除塵工藝的條件下，節(jié)能率在45%以上。

3)延長了設(shè)備壽命，減少了噪聲污染。變頻器能夠通過平滑控制電動機來啟動風(fēng)機進入工作狀態(tài)，避免了過去直接啟動高壓風(fēng)機時7 ～8 倍的電流沖擊和機械振動，增加了風(fēng)機設(shè)備的運行壽命，同時降低了廠房內(nèi)的噪聲污染。

4)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)得到改善。高壓變頻改造后，可大大減小電網(wǎng)容量，降低無功補償設(shè)備的投資。

5)保護功能完善。變頻器自身具有過壓、過流、短路、缺相等多項保護功能，當(dāng)電網(wǎng)和電動機發(fā)生異常時，立即切斷變頻器輸出，更精確地保護了電動機。

6)降低勞動強度。工頻運行時，值班人員需要根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場的實際粉塵濃度，經(jīng)常調(diào)節(jié)入口閥門開度。高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)可在保持風(fēng)門全開的情況下，通過改變變頻器的輸出頻率來調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速，提高了工作效率。

4 結(jié)語

隨著市場經(jīng)濟環(huán)境的不斷變化，節(jié)能降耗已成為企業(yè)提高產(chǎn)品市場占有率和企業(yè)競爭力的有效手段。對煤礦濕式除塵風(fēng)機進行高壓變頻調(diào)速節(jié)能改造，操作方便，維護量小，設(shè)備壽命充分延長，節(jié)電效果顯著，在冶金、電力、石油、化工、建材、市政等行業(yè)的應(yīng)用前景十分廣闊。

［1］吳忠智.變頻器應(yīng)用手冊［M］. 北京:機械工業(yè)出版社，2007.

［2］周志敏. 變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計中問題分析［J］. 能源技術(shù)，2002(2):86 -88.

［3］滿永奎.通用變頻器及其應(yīng)用［M］. 北京:機械工業(yè)出版社，2012.