礦井主通風(fēng)機(jī)電機(jī)啟動方式應(yīng)用探討*

潘文強(qiáng)

(山西西山晉興能源有限責(zé)任公司 斜溝煤礦，山西 興縣 033602)

0 引 言

礦井的主要通風(fēng)機(jī)是礦井通風(fēng)系統(tǒng)中最主要、也是最重要的設(shè)備，隨著近年來國內(nèi)大型煤化工項(xiàng)目的發(fā)展，機(jī)電設(shè)備的供電可靠性也越來越受到各礦井的關(guān)注。對于主要通風(fēng)機(jī)使用的電機(jī)，其啟動方式的選擇對主要通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行安全有著較為直接的影響。

筆者基于工程實(shí)際項(xiàng)目案例，結(jié)合主要通風(fēng)機(jī)電機(jī)的不同啟動方式的運(yùn)行情況進(jìn)行比對，分析主要通風(fēng)機(jī)電機(jī)全壓啟動、軟啟動、變頻啟動的優(yōu)勢及劣勢[1]，為通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行安全提供一定的參考。

1 通風(fēng)機(jī)電機(jī)啟動方式應(yīng)用概述

我國煤碳行業(yè)在早期開采時對礦井通風(fēng)風(fēng)量需求較低，在主要通風(fēng)機(jī)選用的電機(jī)功率較小的情況下，對啟動方式的選擇沒有特別的需求，常采用的是全壓起動的方式，這也是最為簡單、可靠的一種起動方式。但全壓起動會的弊端也十分明顯，啟動電流大、沖擊電網(wǎng)，而電壓的下降,將直接影響其他運(yùn)行中的設(shè)備的穩(wěn)定性。

因此，我國通用用電設(shè)備的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范有明確規(guī)定：電動機(jī)啟動時，需要保證端子電壓滿足機(jī)械啟動轉(zhuǎn)矩的要求，且配電系統(tǒng)電壓波動要控制在一定范圍內(nèi)，以免影響配電系統(tǒng)中其它設(shè)備的正常工作與運(yùn)行。而礦井主要通風(fēng)機(jī)作為礦井的一類負(fù)荷，其重要性不言而喻，因此主要通風(fēng)機(jī)配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性尤為重要，顯然，使用全壓啟動的方式僅能滿足于小功率的風(fēng)機(jī)電機(jī)，在大功率風(fēng)機(jī)電機(jī)啟動的問題上，全壓啟動難以適用。

隨著煤炭行業(yè)產(chǎn)能逐步提升，礦井生產(chǎn)對風(fēng)量的需求也逐步增高，大功率風(fēng)機(jī)電機(jī)被普遍采用，全壓啟動方式無法滿足我國通用用電設(shè)備的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，其缺點(diǎn)及危害逐漸暴露，為解決全壓啟動對電網(wǎng)沖擊大、啟動沖擊轉(zhuǎn)矩高等問題，對于中、大功率的電動機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中通常不允許直接采用全壓啟動的方式，而是通過降低電機(jī)啟動時的電壓的方式來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動，即為降壓軟啟動[2]。降壓軟啟動能穩(wěn)步提升電機(jī)啟動時的轉(zhuǎn)矩，符合主要通風(fēng)機(jī)的機(jī)械特性曲線。降壓軟啟動技術(shù)雖然解決了以上問題，卻只能全壓運(yùn)行，無法精確控制電機(jī)的輸出功率，對于需要精確控制主要通風(fēng)機(jī)風(fēng)量及節(jié)能降耗等方面仍存在短板。

隨著科技進(jìn)步，變頻調(diào)速技術(shù)在主要通風(fēng)機(jī)的應(yīng)用，這種通過變頻器對輸出交流電頻率的改變來精確控制電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)和轉(zhuǎn)矩的方式，不但能夠?qū)崿F(xiàn)主要通風(fēng)機(jī)的軟啟動,而且完美解決了主要通風(fēng)機(jī)的調(diào)速、節(jié)能等方面的問題，可以說變頻調(diào)速技術(shù)是電機(jī)軟啟動技術(shù)的一個革命,也是今后的發(fā)展方向。

2 啟動方式分析比較

2.1 啟動方式介紹

主要通風(fēng)機(jī)電機(jī)的啟動方式可以分為全壓啟動、軟啟動、變頻啟動三種，文中將結(jié)合工程實(shí)際項(xiàng)目案例對以上三種啟動方式、控制原理進(jìn)行分析，并通過對比總結(jié)不同項(xiàng)目的優(yōu)缺點(diǎn)。

2.2 啟動方式與控制原理

2.2.1 項(xiàng)目一

啟動方式：全壓啟動。因項(xiàng)目一使用的風(fēng)機(jī)電機(jī)功率較小，啟動時對電網(wǎng)的沖擊符合全壓啟動的標(biāo)準(zhǔn)，因此本項(xiàng)目可以選擇全壓啟動的方式。本項(xiàng)目使用的是FBCDZ-№22對旋軸流式通風(fēng)機(jī)，電機(jī)功率2×250 kW，電壓10 kV，頻率50 Hz，額定電流19A。啟動時啟動電流為80A左右，啟動時間：5s(單臺電機(jī))。該主要通風(fēng)機(jī)在啟動時需要對兩臺電機(jī)進(jìn)行分步啟動，即先啟動一級電機(jī)，待電機(jī)運(yùn)行正常后再啟動二級電機(jī)，以減小沖擊電流。

控制原理：如圖1所示，通過電機(jī)出線柜KM(P)開關(guān)合閘即可直接啟動電機(jī)，通過切換換向隔離柜的換向開關(guān)KM(Z)、KM(F)，可以控制電機(jī)正、反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)通風(fēng)、反風(fēng)的功能，但只能通過對調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)葉角度來實(shí)現(xiàn)對主扇風(fēng)機(jī)風(fēng)量的調(diào)整。

圖1 全壓啟動控制原理圖

2.2.2 項(xiàng)目二

啟動方式：軟啟動。本項(xiàng)目使用的是FCZ№28/1600礦用動葉可調(diào)軸流通風(fēng)機(jī)，電機(jī)功率1600 kW，電壓10 kV，頻率50 Hz，額定電流125 A。啟動時啟動電流由0～110 A逐步增加，啟動時間：50 s。該主要通風(fēng)機(jī)僅使用單臺電機(jī)，啟動方式采用自勵式高壓固態(tài)軟啟動方式，執(zhí)行單元為CPLQ型高壓自勵式固態(tài)軟起動器，核心部件采用磁控電抗器降壓軟起動，通過低壓晶閘管勵磁控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的平穩(wěn)起停。既無機(jī)械部件，也避免了高壓晶閘管易擊穿損壞的風(fēng)險，保證系統(tǒng)的高可靠性。

控制原理：如圖2所示，電機(jī)開始軟啟動時，通過對高壓開關(guān)柜送電，此時KM(Z)或KM(F)閉合，QS(S)、QS(X)閉合，KM(P)斷開，高壓自勵式固態(tài)軟起動器供電電源接通，并由CPGD控制器根據(jù)控制要求調(diào)節(jié)晶閘管的導(dǎo)通角來控制勵磁繞組，使電動機(jī)電壓的平穩(wěn)提升，當(dāng)三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到其額定轉(zhuǎn)速時，軟起動結(jié)束，隨后KM(P)閉合，QS(S)、QS(X)斷開。軟啟動器的加入可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)平穩(wěn)啟動，通過切換換向開關(guān)KM(Z)、KM(F)可以使電機(jī)反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)反風(fēng)，但只能通過對調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)葉角度來實(shí)現(xiàn)對主扇風(fēng)機(jī)風(fēng)量的調(diào)整。

圖2 自勵式軟啟動控制原理圖

2.2.3 項(xiàng)目三

啟動方式：變頻啟動。此項(xiàng)目使用的是FECDZ-NO34對旋軸流式通風(fēng)機(jī)，電機(jī)功率2×800 kW，電壓6 kV，頻率50 Hz，額定電流109A，變頻器使用西門子羅賓康品牌PH-10-6-1000型高壓變頻器，可以實(shí)現(xiàn)兩臺電機(jī)同時啟動，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際風(fēng)量要求，頻率給定47 Hz，在啟動時頻率由0～47 Hz逐步增加，啟動電流由0～90 A逐步增加，直至達(dá)到47 Hz、103A穩(wěn)定運(yùn)行，啟動時間：40 s。

控制原理：正常啟動時，通過高壓開關(guān)柜對變頻器送電，變頻器啟動后，通過逐步增加電機(jī)電源的頻率，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的軟啟動，同時變頻器可以將頻率固定在0～50 Hz的任意值，來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速0～100%的連續(xù)調(diào)節(jié)；反風(fēng)時，無需換向開關(guān)，只需將變頻器輸出頻率調(diào)整為相應(yīng)的負(fù)值即可使電機(jī)反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)反風(fēng)。

同時，配合電源切換柜的使用，可以實(shí)現(xiàn)不切換風(fēng)機(jī)而切換供電電源的功能，如圖3所示，1#、2#變頻器電源取自I回路，3#、4#變頻器電源取自II回路，每臺變頻器由單獨(dú)的高壓開關(guān)柜進(jìn)行供電，正常狀態(tài)下，1#、2#變頻器驅(qū)動1#風(fēng)機(jī)，3#、4#變頻器驅(qū)動2#風(fēng)機(jī)，通過對切換柜KM1～KM8的控制，可以實(shí)現(xiàn)由I回路變頻器驅(qū)動2#主要通風(fēng)機(jī)，在高壓線路單回路供電故障時無需切換主要通風(fēng)機(jī)，而快速恢復(fù)主通風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行。

圖3 變頻啟動控制原理圖

3 啟動方式應(yīng)用對比結(jié)果

根據(jù)三個項(xiàng)目的應(yīng)用情況，總結(jié)出部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所列。

表1 啟動方式對比

(1) 項(xiàng)目一使用全壓啟動的方式，優(yōu)勢在于過程直接、控制回路簡單、啟動時間比較短，但啟動電流、沖擊轉(zhuǎn)矩較大，啟動時還需要對兩臺電機(jī)分別啟動，操作過程較為繁瑣，且需要配備專用的換向開關(guān)才能實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)反風(fēng)。

(2) 項(xiàng)目二使用軟啟動的方式，對比全壓啟動，其電壓、電流由零逐步提升到額定值，使電機(jī)在啟動過程中的啟動電流由直接啟動時出現(xiàn)的沖擊電流變?yōu)橹鸩缴叩目煽仉娏?。消除了沖擊轉(zhuǎn)矩，有效保護(hù)了機(jī)械設(shè)備，對電機(jī)以及相關(guān)機(jī)械設(shè)備的使用壽命有很大程度的提高，同時也大幅提升了供電系統(tǒng)的安全性。但軟啟動方式也需要配備專用的換向開關(guān)才能實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)反風(fēng)。

(3) 項(xiàng)目三使用變頻啟動的方式，具備軟啟動方式所有的功能，同時變頻啟動可實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)速0～100%的連續(xù)調(diào)節(jié)、任意值給定；在電網(wǎng)波動、電壓下降等情況下，變頻器通過降額運(yùn)行仍能完全適應(yīng)，相比較軟啟動方式，其安全性能有大幅提升；其次，眾所周知，變頻啟動在節(jié)能方面有有很強(qiáng)的作用，經(jīng)實(shí)地考證，項(xiàng)目三的節(jié)電率可達(dá)35%；此外，變頻器作為高端設(shè)備，配備了非常多種類的接口，功能也有很多，將變頻器作為智能化控制系統(tǒng)的一個環(huán)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)的功能也更為豐富，可以滿足風(fēng)機(jī)的使用場景中對電機(jī)的絕大部分控制要求。變頻啟動方式無需配備專用的換向開關(guān)即可實(shí)現(xiàn)反風(fēng)。但因變頻器的價格昂貴，所以在性價比方面要遠(yuǎn)低于軟啟動方式，同時，變頻器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在維護(hù)、保養(yǎng)、檢修、故障排除等方面對員工的專業(yè)素質(zhì)有一定的考驗(yàn)。

綜合考慮，當(dāng)電機(jī)的大小符合全壓啟動的要求時，采用全壓啟動的方式最為簡單、直接、有效；從電機(jī)啟動穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性方面考慮可以采用軟啟動的方式；在有特殊工況要求或者時經(jīng)濟(jì)條件充裕的情況下可以選擇變頻啟動的方式。

4 結(jié) 語

當(dāng)前煤炭行業(yè)的技術(shù)革新日新月異，電機(jī)的啟動方式也在不斷更新迭代，主要通風(fēng)機(jī)作為礦井重要負(fù)荷，在供電、啟動、控制等方面的安全穩(wěn)定性備受重視，通過對不同啟動方式的分析比較，筆者認(rèn)為，全壓啟動以及一些傳統(tǒng)的降壓啟動方式已無法滿足各行各業(yè)的需要，軟啟動和變頻啟動的方式將成為風(fēng)機(jī)電機(jī)的主要啟動方式，并將逐步替代全壓啟動方式[4]。