高壓變頻器在鐵煤集團(tuán)大興礦中的應(yīng)用

現(xiàn)今，節(jié)能降耗已成為我國(guó)的基本國(guó)策。煤礦企業(yè)既是產(chǎn)能大戶,又是耗能大戶,許多煤礦企業(yè)都非常重視高耗能用電設(shè)備的節(jié)能改造工作。鐵煤集團(tuán)大興礦是1980年國(guó)家投資建設(shè),于1990年11月份投產(chǎn)的中國(guó)東北最大的年設(shè)計(jì)、生產(chǎn)能力為300萬(wàn)噸的井工礦井。主要通風(fēng)機(jī)房安設(shè)了全局排風(fēng)能力最大的離心式扇風(fēng)機(jī)，保證了礦井的安全生產(chǎn)。同時(shí)帶來(lái)的問(wèn)題是如何解決風(fēng)量調(diào)節(jié)的問(wèn)題，用風(fēng)門調(diào)節(jié)風(fēng)量風(fēng)阻很大，存在著大量的能量浪費(fèi)，能量浪費(fèi)在50%以上。為了在滿足礦井的通風(fēng)需要的同時(shí),又能實(shí)現(xiàn)最大程度的節(jié)能,榮信電力電子有限公司對(duì)鐵煤集團(tuán)大興礦井主通風(fēng)機(jī)采用了高壓變頻改造,選用功率單元串聯(lián)多電平高壓變頻器 ,實(shí)現(xiàn)主通風(fēng)機(jī)的電能節(jié)約和風(fēng)量無(wú)級(jí)調(diào)速。

一、大興礦風(fēng)機(jī)變頻改造的必要性

鐵煤集團(tuán)大興礦井主通風(fēng)機(jī)采用同步電機(jī)，而交流同步電機(jī)的調(diào)速是電氣驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的一大難題。我國(guó)從20世紀(jì)70年代開(kāi)始進(jìn)行交流同步電機(jī)調(diào)速技術(shù)的研究，目前在國(guó)內(nèi)煤炭業(yè)內(nèi)，大功率變頻裝置成功應(yīng)用于同步電機(jī)的實(shí)例還很少。難點(diǎn)在于與普通異步電機(jī)運(yùn)行相比，同步電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，電樞電壓矢量與轉(zhuǎn)子磁極位置之間的夾角必須在某一范圍之內(nèi)，否則將導(dǎo)致系統(tǒng)失步，因此同步電機(jī)變頻調(diào)速時(shí)必須時(shí)刻控制這一夾角在允許的范圍內(nèi)變動(dòng)。由于同步電機(jī)與異步電機(jī)的不同，同步電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速改造時(shí)對(duì)高壓變頻裝置的要求也有些差別，具體要求如下：

（1）能夠解決同步電機(jī)啟動(dòng)整步問(wèn)題；

（2）能夠解決同步電機(jī)調(diào)速過(guò)程中輸出電壓和勵(lì)磁電流的協(xié)調(diào)控制；

（3）變頻裝置輸出電壓、電流諧波應(yīng)盡可能小。

鐵煤集團(tuán)大興礦井主通風(fēng)機(jī)擔(dān)負(fù)著該礦井下主通風(fēng)任務(wù)，是至關(guān)重要的大型安全生產(chǎn)設(shè)備，需要長(zhǎng)期、連續(xù)、可靠、安全的運(yùn)行。風(fēng)機(jī)現(xiàn)在采用的調(diào)節(jié)風(fēng)量方式為調(diào)節(jié)風(fēng)門開(kāi)度方式，系統(tǒng)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下風(fēng)門開(kāi)度僅為60％左右，其風(fēng)量約為額定的60％～70％。現(xiàn)在系統(tǒng)存在的問(wèn)題：u 調(diào)節(jié)精度低、線性度差、實(shí)時(shí)性差；u 采用風(fēng)門調(diào)節(jié)，造成管路壓力增加，造成大量電能浪費(fèi)；u 直接起動(dòng)時(shí)，造成電網(wǎng)波動(dòng)嚴(yán)重和機(jī)械沖擊大，影響著系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性和壽命；u 此通風(fēng)機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速無(wú)法自動(dòng)調(diào)節(jié)，長(zhǎng)期以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)軸承等部分造成較大磨損；u 檔板采用人工調(diào)節(jié)，實(shí)時(shí)性差，需停機(jī)進(jìn)行，操作麻煩，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。鑒于上述問(wèn)題的存在，對(duì)現(xiàn)有風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻技術(shù)改造，采用完美無(wú)諧波大功率變頻器實(shí)現(xiàn)主通風(fēng)機(jī)同步電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速技術(shù)方案。

二、高壓變頻調(diào)速裝置設(shè)計(jì)

1、高壓變頻器系統(tǒng)原理及參數(shù)

該高壓變頻器將采用性能優(yōu)良、技術(shù)成熟、安全可靠的完美無(wú)諧波功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)。由電網(wǎng)送來(lái)的三相6000V交流電經(jīng)過(guò)隔離移相變壓器變?yōu)?5組690V分別供給15個(gè)功率單元，每相上的5個(gè)功率單元輸出的單相SPWM波相疊加后，采用Y形連接，將形成線電壓為6000V的高質(zhì)量的正弦波輸出供給高壓同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)。 主控柜和功率柜之間采用光纖隔離技術(shù)，防止了電磁干擾，做到了高壓與低壓的完全隔離，具有極高的安全性。功率單元采用交—直—交變頻技術(shù)，單相輸出，IGBT元件采用先進(jìn)高效的熱管散熱技術(shù)，大大提高了的工作可靠性。

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備銘牌如下：

高壓變頻器銘牌：額定容量 2000kVA 主變壓器類型 干式移相變壓器容量 2200KVA 變比 6KV/15＊690V 輸入電壓 6000V+15%-30% 高壓電網(wǎng)頻率 45—55HZ 輸出電壓 0—6000V 輸出頻率 0—50HZ 調(diào)速范圍 0—500r/min 輸出電壓諧波含量 < 4% 功率因數(shù) 96% 過(guò)載能力 120% （5分鐘） 效率 96% 控制柜與功率單元的傳輸 光纖傳輸冷卻方式 超導(dǎo)熱管強(qiáng)制冷卻工作環(huán)境溫度 -20°C — +45°C 電機(jī)銘牌：額定電壓 6KV 額定功率 1600KW 額定電流 150A 額定轉(zhuǎn)速 500r/m 功率因數(shù) 95% 勵(lì)磁電流 180A 勵(lì)磁電壓 80V

2、主通風(fēng)機(jī)高壓變頻改造系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)通風(fēng)機(jī)目前的情況，現(xiàn)采用高壓變頻器一臺(tái)，一拖一的工作方式，對(duì)主通風(fēng)機(jī)同步電機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速控制方案。風(fēng)機(jī)電機(jī)由高壓變頻器控制，原風(fēng)門調(diào)節(jié)開(kāi)度開(kāi)到最大，風(fēng)量的調(diào)整通過(guò)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)，達(dá)到風(fēng)量的實(shí)時(shí)精確調(diào)節(jié)。

采用高壓變頻無(wú)級(jí)調(diào)速技術(shù)方案后，風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可方便地從目前的額定轉(zhuǎn)速向下調(diào)節(jié)，得到生產(chǎn)所需要的風(fēng)量；u 電機(jī)不用一直工作在額定轉(zhuǎn)速，大大降低了系統(tǒng)機(jī)械的磨損，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命；u 通過(guò)與控制中心通訊連接，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的自動(dòng)調(diào)節(jié)；u 通過(guò)變頻控制在風(fēng)量滿足條件下，還可取得可觀的節(jié)能效果。電機(jī)實(shí)現(xiàn)真正軟起動(dòng)，起動(dòng)電流控制在額定以下。

3、變頻系統(tǒng)組成及各部件功能

整個(gè)變頻系統(tǒng)由高壓開(kāi)關(guān)柜、移相變壓器柜、變頻柜和控制柜共4部分組成。

三、通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益

通風(fēng)機(jī)變頻控制節(jié)能分析： 風(fēng)機(jī)屬于平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量Q與轉(zhuǎn)速n成正比，而風(fēng)機(jī)的功率P與轉(zhuǎn)速n的立方成正比。 風(fēng)機(jī)風(fēng)量Q = K1n 風(fēng)機(jī)風(fēng)壓 P = K2 n2 風(fēng)機(jī)功率 P = K2 n3 根據(jù)現(xiàn)系統(tǒng)的狀況，風(fēng)門開(kāi)度55％，考慮風(fēng)門大小會(huì)有變動(dòng)，計(jì)算分析取值風(fēng)門開(kāi)度60％，現(xiàn)實(shí)際運(yùn)行電流100A,風(fēng)機(jī)為連續(xù)工作制年工作時(shí)間計(jì)24小時(shí)×365天＝8760小時(shí)，上網(wǎng)電價(jià)0.45元／度： 改造前：每年耗電量為（電流為運(yùn)行實(shí)際值）: P = UI ＝ ×6kV×146A×8700小時(shí)＝1517.2kW ×8700＝1320萬(wàn)度年電費(fèi)為：1320萬(wàn)度×0.45＝594萬(wàn)元變頻改造后：風(fēng)機(jī)與電機(jī)軸直連，傳動(dòng)效率100％：每年耗電量為（電流為運(yùn)行實(shí)際值）: P = UI ＝ ×6kV×92A×8700小時(shí)＝956kW ×8700＝832萬(wàn)度 年電費(fèi)為：832萬(wàn)度×0.45＝374萬(wàn)元 變頻改造后，風(fēng)機(jī)的年節(jié)電：594萬(wàn)元-374萬(wàn)元=220萬(wàn)元 使用變頻控制后，還能節(jié)油、節(jié)水、節(jié)省維修費(fèi)用。設(shè)備投入大約在二年左右可全部收回。 實(shí)踐證明高壓變頻器的應(yīng)用不僅節(jié)省了能源, 且改善了工藝，起動(dòng)平穩(wěn), 可對(duì)電機(jī)及風(fēng)機(jī)起到保護(hù)作用,提高生產(chǎn)效率，保障生產(chǎn)安全。

四、結(jié)論
同步電機(jī)的調(diào)速是電氣驅(qū)動(dòng)行業(yè)的一大難題，近年來(lái)應(yīng)用高壓變頻調(diào)速一直是我國(guó)變頻廠家研究的課題。而此次榮信電力電子有限公司高壓變頻器成功應(yīng)用在大興礦主扇風(fēng)機(jī)同步電機(jī)上，其示范意義是不言而喻的。實(shí)際應(yīng)用表明，高壓變頻器的應(yīng)用于煤礦主扇風(fēng)機(jī)的系統(tǒng)改造，必將取得良好的運(yùn)行效果和經(jīng)濟(jì)效益。