大功率主通風(fēng)機(jī)變頻控制關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)分析

楊 興

(山西潞安化工集團(tuán) 能源事業(yè)部，山西 長治 046200)

礦井通風(fēng)機(jī)是礦山的重大安全設(shè)備之一，通風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行，直接關(guān)系到礦井的正常安全生產(chǎn)和人員的生命安全。為了解決風(fēng)機(jī)啟動(dòng)過程沖擊電網(wǎng)、雷雨天氣電壓大幅波動(dòng)以及故障狀態(tài)快速切換風(fēng)機(jī)等問題，2009年始，潞安化工集團(tuán)就以下屬礦井常村礦中央軸流式及高壓變頻技術(shù)研制與應(yīng)用項(xiàng)目為依托，歷時(shí)15個(gè)月，順利實(shí)現(xiàn)了大功率主通風(fēng)機(jī)變頻集控閉環(huán)節(jié)能高效運(yùn)轉(zhuǎn)，取得了5方面成效：①避免因電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起風(fēng)機(jī)故障停機(jī)、瓦斯超限事故；②風(fēng)機(jī)切換時(shí)間從原先的10 min大幅減小到3 min，反風(fēng)時(shí)間減少到5 min；③使大馬拉小車的礦井主通風(fēng)機(jī)節(jié)能運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)效率不低于90%，功率因數(shù)0.99；④啟動(dòng)電流變化為線性變化，徹底解決大啟動(dòng)電流沖擊電網(wǎng)問題；⑤電動(dòng)機(jī)在低頻下運(yùn)行，噪音為70 dB。

潞安化工集團(tuán)開始大規(guī)模對直接啟動(dòng)或頻敏電阻、水電阻等軟啟方式的主通風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻改造，并積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。經(jīng)調(diào)研，潞安化工集團(tuán)的主通風(fēng)機(jī)變頻控制覆蓋率位于全國煤企前列。文章以古城礦鮑店風(fēng)井主通風(fēng)機(jī)建設(shè)項(xiàng)目為例，對變頻控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)方案及配置要求進(jìn)行詳細(xì)的介紹與分析。

1 大功率主通風(fēng)機(jī)項(xiàng)目概況

古城礦采用分區(qū)式通風(fēng)，機(jī)械式通風(fēng)方法?，F(xiàn)投運(yùn)的主通風(fēng)機(jī)有中央主通風(fēng)機(jī)和桃園主通風(fēng)機(jī)，其中：中央風(fēng)井主通風(fēng)機(jī)選用沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所風(fēng)機(jī)廠生產(chǎn)的2臺的AGF606-4.0-2.4-2型軸流式通風(fēng)機(jī)(配套電機(jī)功率4 000 kW)，擔(dān)負(fù)北一、北二和北三盤區(qū)的通風(fēng)任務(wù)；桃園風(fēng)井主通風(fēng)機(jī)選用沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所風(fēng)機(jī)廠2臺AGF606-4.0-2.2-2型軸流式通風(fēng)機(jī)(配套電機(jī)功率2 800 kW)，擔(dān)負(fù)南一、南二和南三盤區(qū)的通風(fēng)任務(wù)。

本文案例項(xiàng)目為鮑店風(fēng)井主通風(fēng)機(jī)建設(shè)，由鮑店進(jìn)風(fēng)立井進(jìn)風(fēng)，鮑店回風(fēng)立井回風(fēng)，進(jìn)、回風(fēng)立井井筒直徑均為8.0 m。前期為北二盤區(qū)服務(wù)，后期為北四盤區(qū)服務(wù)，預(yù)計(jì)2023年投運(yùn)。擬選用抽出式軸流通風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)直徑≥3.8 m，電機(jī)功率≥4 500 kW，采用變頻控制技術(shù)，并具備無人值守功能。

2 變頻拖動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

主通風(fēng)機(jī)的電控系統(tǒng)有高低壓配電設(shè)備、監(jiān)控系統(tǒng)、變頻控制系統(tǒng)三個(gè)部分，其中高性能、高可靠性的變頻控制系統(tǒng)是風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行的重要保證。變頻控制為“一拖一”系統(tǒng)，即2套風(fēng)機(jī)的2臺電機(jī)由2套變頻器獨(dú)立拖動(dòng)。該拖動(dòng)方案滿足風(fēng)機(jī)單電機(jī)運(yùn)行的要求，同時(shí)能通過切換柜實(shí)現(xiàn)変頻器對另一臺風(fēng)機(jī)的拖動(dòng)，即變頻器與電機(jī)交叉拖動(dòng)。

2.1 高壓變頻系統(tǒng)配置要求

高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)(含干式移相整流交壓器)，要求高壓變頻器按10/10 kV設(shè)計(jì)，輸入10 kV,輸出10 kV。變頻調(diào)速系統(tǒng)包括變頻器、柜體、移相整流變壓器和附件等，其中變頻器是重中之重。該項(xiàng)目主通風(fēng)機(jī)配套10 kV、4 500 kW電動(dòng)機(jī)。為延長變頻器使用壽命及確保運(yùn)行中安全穩(wěn)定性，高壓變頻器優(yōu)選優(yōu)質(zhì)進(jìn)口產(chǎn)品，容量不小于5 500 kVa。高壓變頻器選用交-直-交型變頻器，直接高高結(jié)構(gòu)，要求輸出直接為10 kV以配套10 kV電機(jī)直接調(diào)速運(yùn)行[1]。

2.2 變頻器的安全保護(hù)設(shè)定

北方夏天雨季來臨后，為避免電網(wǎng)不穩(wěn)定對主扇運(yùn)行的影響，變頻器須具有瞬時(shí)斷電再上電的能力。變頻器功率單元內(nèi)部自帶上電自動(dòng)充電功能，避免上高壓電時(shí)對電網(wǎng)和變頻器的沖擊。變頻器系統(tǒng)需要有內(nèi)部控制電源瞬時(shí)失電不停機(jī)功能,可以在控制系統(tǒng)完全失電2 s內(nèi)不受任何影響，不再需要故障幾率高的內(nèi)部UPS，避免由于UPS故障造成停機(jī)。采用無速度傳感器控制，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可達(dá)150%,對電網(wǎng)電壓波動(dòng)有極強(qiáng)的適應(yīng)能力,在±10%范圍內(nèi)變頻器能滿載工作，在30%的電壓下降情況下變頻器能繼續(xù)運(yùn)行而不跳閘(降載運(yùn)行)，40%的電壓下降可以短時(shí)運(yùn)行，電網(wǎng)瞬時(shí)失電5個(gè)周期可滿載運(yùn)行不跳閘，輕載時(shí)間更長。

為便于運(yùn)行人員和檢修人員能辨別和解決出現(xiàn)的冋題，要求變頻裝置帶故障自診斷功能,對所發(fā)生的故障類型及故障位置能提供中文指示,就地顯示并遠(yuǎn)程報(bào)警。

變頻容易產(chǎn)生諧波，因此必須對諧波作出限定。調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波應(yīng)滿足，“輸入電流<4%,輸出電壓<6%,軸岀電流<2%”輸入側(cè)功率因數(shù)為:在20%～100%的負(fù)載變化情況下達(dá)到或超過0.95的功率因數(shù)(無需功率因數(shù)補(bǔ)償裝置)。具有軟啟動(dòng)功能。變頻器應(yīng)對其他設(shè)備無諧波影響。

2.3 電機(jī)拖動(dòng)參數(shù)分析及要求

變頻調(diào)速裝置具有良好的調(diào)節(jié)性能，能根據(jù)負(fù)荷的變化及時(shí)有效地實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)[2],在負(fù)荷從100% 調(diào)節(jié)到40%的響應(yīng)時(shí)間宜小于1 min (現(xiàn)場1～3 600 s可調(diào))。古城礦項(xiàng)目中電機(jī)為交流異步變頻電動(dòng)機(jī)，變頻器不會對電機(jī)產(chǎn)生影響。

變頻器能實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的反轉(zhuǎn)反風(fēng)操作功能。變頻裝置提供的控制和電動(dòng)機(jī)保護(hù)功能有：過電壓、過電流、欠電壓、缺相保護(hù)、超額保護(hù)、失速保護(hù)、交頻器過載、電機(jī)過載保護(hù)、半導(dǎo)體器件的過熱保護(hù)、瞬時(shí)停電保護(hù)等，并能聯(lián)跳輸入側(cè)高壓開關(guān)。

內(nèi)部功率單元內(nèi)部整流二極管和功率元器件采用高壓1 700 V,內(nèi)部電容采用進(jìn)口AIC電容。具有輸出電壓自動(dòng)調(diào)整功能,輸入電壓變化時(shí)，自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出電壓，使輸出到電機(jī)的電壓保持相對穩(wěn)定，保護(hù)電機(jī)。

變頻器輸出電流應(yīng)有一定的富余度，不得小于電機(jī)額定電流的1.2倍。變頻器在啟動(dòng)、加速、運(yùn)行的過程中應(yīng)平穩(wěn)順滑，各頻率運(yùn)行時(shí)均不得引起電機(jī)明顯共振，遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)喘振區(qū)域。

3 PLC控制設(shè)計(jì)及配置要求

變頻調(diào)速系統(tǒng)由上級PLC進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，按設(shè)定程序(PLC給定運(yùn)行),實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制[3]。PLC可編程控制器是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心。為保證穩(wěn)定、可靠、高速，PLC控制器可選用西門子S7-1500系列，PLC的I/O接口應(yīng)有不少于20%的備用量。

每臺通風(fēng)機(jī)采用1臺PLC，共計(jì)2臺PLC(主控PLC工作，另一臺PLC熱備)；兩臺PLC采用冗余設(shè)計(jì)，每臺PLC均配置冗余模塊，冗余模塊間通過高速光纖實(shí)時(shí)同步，當(dāng)主控PLC出現(xiàn)故障或錯(cuò)誤時(shí)，系統(tǒng)可以立即無擾動(dòng)切換到備用PLC，不會影響系統(tǒng)工作。交頻裝置具有與PLC或其它控制系統(tǒng)通訊的工業(yè)以太網(wǎng)(Ether Net)接口。PLC柜輸入電源等級AC220 V、AC380 V、50 Hz，直流控制電源AC24 V，交流控制電源AC220 V，防護(hù)等級IP40。

4 結(jié) 語

主通風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻控制，具有工況點(diǎn)調(diào)節(jié)更加精準(zhǔn)快速、啟動(dòng)過程對電網(wǎng)沖擊小、節(jié)能效果明顯等諸多優(yōu)點(diǎn)。本文提出的變頻及PLC控制系統(tǒng)方案，在潞安化工集團(tuán)多個(gè)新/改建風(fēng)機(jī)項(xiàng)目中成功應(yīng)用。最后將實(shí)踐過程得到的兩點(diǎn)指導(dǎo)性建議進(jìn)行分享：

1) 配置主通風(fēng)機(jī)變頻器時(shí)，要考慮高壓變頻在集團(tuán)內(nèi)部的通用性，以提高安全性，減少備件的采購量，節(jié)約成本。

2) 變頻器對環(huán)境要求較高?？梢圆捎每照{(diào)為主通風(fēng)機(jī)房控制室及變頻室提供恒溫條件。通過通訊接口，將數(shù)據(jù)采集器與空調(diào)系統(tǒng)對接，實(shí)現(xiàn)對環(huán)境溫度的自動(dòng)控制。