矿井主通风机变频调速系统技术改造.pdf

第 8期 2 0 0 9 年 8月 工矿 自 动 化 I n dus t r y a n d M i ne Aut oma t i o n NO ． 8 Au g ．2 0 0 9 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 0 9 0 8 0 0 8 6 0 3 矿井主通风机变频调速系统技术改造 曲素 荣， 贾燕茹 郑州铁 路职业 技术学 院 ， 河南 郑州4 5 0 0 5 2 摘要 针对 目前煤矿主通风机存在风量实际需求与风机． T - 作不匹配、 启动电流冲击大等缺点， 文章提 出 了一 种采用 I GB T直接 串联 变频 器技 术对 煤矿 主 通风 机 高压 电动 机 驱动 系统进 行 变频 调 速技 术 改造 的方 案 ， 介 绍 了 I G B T直接 串联 高压 变频器 的基 本构成 、 功 能 ， 给 出 了由 I G B T直接 串联 高压 变频 器构成 的 变频 调速 系统主 电路 的几种 常用结构形 式和基本 组成 。实际应用表 明 ， 采 用该方案后 ， 实现 了矿 井主通风机 的软 启动 和风量无级调 节 ， 提 高 了主通风机 运行效 率 、 运行稳 定性和 自动化程度 。 关键 词 矿 井；主通风 机 ；高压 变频 器 ；变频调速 系统 ； 技 术改造 中图分类号 T D 6 3 5 文 献标识 码 B 0 引言 目前 ， 我 国矿用 高 电压 、 大功率通 风机一般 采用 高压 电动机拖动组 成 通 风机 组 ， 沿用 传统 的启动 和 风量调节 方法 采用 主 电路 串入启 动 电抗 器 的方 法 启动， 通过人工调整进风闸门开启高度或者改变风 机的 扇 叶角 度 来 实 现 调 节 通 风 量 的大 小 。 通 风 机 收稿 日期 2 0 0 9 0 4 1 3 作者简介 曲素荣 1 9 6 6 一 ， 女 ， 副教授， 1 9 8 9年毕业于合肥 工 业大学电机专业 ， 现在郑州铁路职业技术学院主要从事电机学 、 电机 及控制 等方 面 的教 学 与科 研工 作 ， 已发 表 文 章 十余 篇。E ma i l z z y a n gl 9 6 6 l 6 3 ． c o m 一 经启动就全速工作， 不能使实际需求功率与拖动 电动机功率很好地匹配 ， 拖动电动机经常处于大马 拉小车 的状态 ， 浪 费 了大量 的能源 ， 且 造成通风 机机 械寿命短、 设备维修工作量大等问题 。据调查 ， 煤炭 行业中的矿井通风配备了大量的大功率通风机， 主 通风机能力 富裕 、 长期低 效运行 ， 其平均效率仅为 6 0 ％， 运行 效率不 到 5 5 。为了在 满 足矿井 通风需 要 的 同时 ， 又能根据 需要调 节风量 ， 从 而实现最大程 度的节能 ， 推广应用高压变频调速装置 、 进行高压大 功率 通风 机组 的变 频 调 速技 术 改 造 是 非 常 有 意义 的。为此 ， 笔者 采用 I GB T 直 接 串联 高压 变 频器 对 某煤矿 原有 主通 风机大 功率 电动 机驱动系 统进行 了 变频调速系统技术改造， 因其具有极高的调速精度， 命 ， 如果其 中有一个器件损坏 ， 就会使 自动放煤装置 失 去作用 ， 影 响正 常 的开 关仓 。这 时 可 以将 自动 禁 用开关 1和 自动禁 用开 关 2断开 ， 断开 自动控 制 电 路 ， 保障手动开 关 仓 的正 常使 用 。 当其 它 采 区急需 向主井煤仓放煤 、 而此 时 2 6采 区煤仓 的生 产任务 不 太 紧时 ， 可 以通 过断 开 自动禁 用 开关 1和 自动 禁用 开关 2使 自动控制失去作用 ， 由手动放煤进行合理 调控放煤 。 4结 语 本文介绍的车集矿放煤系统改造方案利用井下 监测监控系统通信实现了放煤 的自动控制 ， 在一定 程度上拓展 了监 测监控 系统 的功 能 。 自动 放煤系统 改造完成后 ， 可以避免煤仓人工放煤的繁琐 ， 降低了 井下人员 的劳动量 ， 提 高 了工作 效 率 和对煤 仓 液 压 阀门开关到位控制 的准确度 ， 防止了液压开启时间 过 久 、 油压过 大损坏设 备 、 甚 至伤及工作 人员情况 的 发生。更重要的是对煤仓煤位实现了有效准确的控 制 ， 使煤仓煤 位保持 一定的高 度 ， 可 以减少 放煤时煤 流下落的高度 ， 因而可以大大减少块煤在下落过程 中的破碎率 ， 提高了块煤率 ， 直接提高了煤炭产值 ， 为车集矿创造了一定的经济效益。 参考文献 【 1 ] 张秉淑． 电力拖动控制 线路 E M] ． 北京 中国劳动 出版 社 ，1 9 9 5 ． E 2 ] 李景恩． 矿井供电[ M] ． 北京 煤炭工业出版社 ， 1 9 9 6 ． [ 3 ] 马景国， 李祖 邦． 竖井煤仓煤位探测装置 的研制及使用 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 0 6 4 5 1 ～5 3 ． [ 4 ] 潘 雪雷 ， 吴 思伟． 煤 场 放煤 系 统改 造[ J ] ． 浙 江冶金 ， 2 OO 3 2 ． 2 0 0 9年 第 8期 曲素 荣等 矿 井主通风 机 变频调 速 系统技 术改造 8 7 可 以满 足大功 率 电动 机 软启 动 和 调 速 的需 要 ， 很 好 地解决 了风量 实际 需 求 与风 机 工 作 的 匹配 问题 ， 减 少了风机启动对 电网的影响和对 电动机的冲击 ， 大 大降低了噪声 ， 改善 了工作环境 ， 大大减少了系统的 维 修 、 维 护 工 作 量 ， 由 此 带 来 的 节 能 效 益 也 相 当 可 观 。 1 变频 调速 系统技 术改造 1 ． 1 I G B T直接 串联 变频 器的基 本构 成 为 了提高变 频 器 的输 出 电 压 ， 采 用 I GB T 直 接 串联 高压 变频 器解 决 方 案 ， 其 核 心 单 元 由 I G B T 元 件 串联构 成 ， 包括 高压 断 路 器 、 整 流 电路 、 滤波 电路 和逆 变 电路 。其 特点是 整 流 电路 由高 压二极 管全 桥 电路 构成 并与滤 波 电路 并 联 连 接 ； 滤 波 电路 由直 流 电感 器 和 电 容 滤 波 器 组 成 ； 逆 变 电 路 由 若 干 个 I GB T元 件 串 联 连 接 ， 接 正 弦 波 滤 波 回路 。这 种 变频器成 功地解 决 了动静态 均压 、 均 流 、 同步开 断的 问题 。图 1为 I GB T直接 串联变 频器 的逆 变 电路 原 理 图 。 图 1 I GB T直接串联 变频 器的逆变 电路 原理 图 I GB T 直接 串联高压 变频 器 的主要 功能 1 采用 直接速度 控制 方式 ， 响应 速度 快 ， 转矩 脉动 小 ， 转 速精度 高 ； 2 能快速 修正 电 网电压 的波 动及 负 载力 矩 的 变化 ； 3 具 有 瞬时掉 电延续 运行 或再启 动 能力 ； 4 能 实现对 环境 温度过 高 或 电动 机过 热 时 的 实时保 护 ； 5 过 载能力 达 1 5 0 ， 达 到 2 0 0 时能 立 即启 动过载保 护 ； 6 功率 因数高 ， 运行效率高， 谐波 干扰小 ， 在 全部调速范 围内功率 因数 大于 0 ． 9 5 ， 效 率均高于 9 8 ， 满 载 时网侧 电流谐 波含量 小 于 3 ％ ； 7 无 输 出、 输 入 变 压 器 ， 减 少 主 电路 设 备 投 入 ， 简化 主 电路结 构 。 1 ． 2 主通风 机 变频调速 系统 的改 造方案 采 用 I GB T 直接 串联高压 变频 器方式 改 造后 的 矿井 主通风机 变频 调速 系统 由主 电路 、 控 制 电路 、 显 示和人机交互界面、 故障监测报警保护电路组成 ， 主 电路可 根 据需 要 选 用 图 2 ～ 图 4中 的一 种 ， 控 制 电 路采 用 工业计 算 机 与 P L C相 结 合 的 控 制技 术 。系 统 的整 流 、 逆变 单元 、 控制单 元实 现组合 模块 化结 构 设计 ， 包 括光纤 触发装 置 、 控制板 及调制 解调 器接 口 卡等， 均为可插拔式插件。 1 ． 2 ． 1主 电路 由 I G B T 直接 串联变 频器 进行技 术改 造 的主 电 路 如 图 2 ～图 4 所 示 。 一 骥 _●__ ____ 一 。 。●● -●●_ 图 2 I G B T直接 串联高压变频器主电路图 图 3 具有直流 电阻制动 的 I GB T直接串联 高压变频器主电路 图 囊 鲁 骥 J豫 图 4具 有 能 量 反 馈 四 象 限 运 行 的 I GB T 直 接 串联高压变频器主电路图 由 图 2可看 出 ， 该 调 速 系 统 由 电 网高 压直 接 经 高压 断路器进 入变 频器 ， 经过 高压二 极管 全桥整 流 、 直流平 波 电抗 器 和电容 滤波 ， 再 通过 逆变 器逆变 ， 加 上正 弦波滤 波器 ， 从 而 实现高压 变频 输 出 ， 直接供 给 高压电动机 。该高压变频调速系统主电路实现了无 输 入输 出变压 器 、 I GB T 直 接 串联 逆变 ， 输 出效率 达 9 8 。 如果需要 快速 再 生 制 动 ， 则采 用 具 有 直流 放 电 制动装 置 的电路 ， 如 图 3所示 。 8 8 工矿 自动 化 2 0 0 9年 8月 对于需要 四象 限运 行 ， 以及 实现 再 生 制动 的用 途， 或输入电源侧短路容量较小时 ， 则可采用如图 4 所示的 P WM 脉冲整流器电路， 使输入电流也真正 成 为正弦波 。 1 ． 2 ． 2关键技术 问题 矿 井 主通风 机大 多采 用 同步 电动机 驱动 ， 而交 流 同步 电动机的 调速是 电气 驱动 领域 的一大 难题 。 目前在国内煤炭行业内， 大功率变频装置成功用于 同步 电动机 的实例还 比较少 。其难 点在 于和异步 电 动机 相 比， 同步 电动机在 运行时 ， 其 电枢 电压矢 量与 转子磁 极位置之 间 的夹 角必 须在 某 一范 围之 内 ， 否 则将导 致系统失 步 ， 同步 电动 机 变频 调速 时 必须 时 刻控制这一夹角在允许 的范围内变动。因此 ， 同步 电动机 进行变频调 速改造 时对 高压变 频装置 的要 求 与异步 电动机有一些 差别 ， 需 解决 以下 问题 1 同步 电动 机启动整 步问题 ； 2 同步 电动机 凋速过程 中输 出 电压 和励 磁 电 流的协控 问题 ； 3 变 频装置输 出电压 、 电流谐波尽可 能小 。 1 ． 2 ． 3 高压变频 改造后 的调 速系统 原理 改造 后 的高 压变频 调 速系统 原 理如 图 5所示 。 针对矿 井 通 风 机 目前 的状 况 ， 每 台 主 通 风 机 设 置 1台高压变频器 ， 采用一 拖一 的工 作 方式 ， 实现 对 主 通风机 同步电动机 的无级调速 控制 。通风 机 电动机 由高压变频 器控制 ， 原 风门调节 开度开到最 大 ， 风量 的调 整通过控制 电动 机转 速 来 实现 ， 达 到风 量 的实 时精 确调节 。该 高 压变 频调 速系统 是采 用直 接 “ 高 一高” 变换 形式 ， 为 I GB T 直接 串联 两 电平 控 制 方式 ， 输入 、 输 出采用 独特 的 L C特种滤 波器 。 整 流 电 路 暑 I l 』 l i 硬 晶显示屏 }AC 6 k V／ 5 0Hz Ll L2一 L3一 『 变 频 器 图 5 改造后的高压变频调速 系统原理框 图 该高压变频调速系统由电网送来的三相交流电 经过三相 桥式整 流电路或 P WM 脉 冲整 流器 电路 变 为直流 ， 经过 中间直 流环节 ， 通 过 I G B T直接 串联 的 高 压 逆 变 器 将 直 流 逆 变 成 三 相 交 流 ， 输 出 单 相 S P WM 波 ， 采 用 Y形 连接 ， 形 成 电压 为 6 0 0 0 V 的 高质量正弦波输出， 供给高压同步电动机驱动通风 机。主控柜和功率柜之间采用光纤隔离技术， 防止 电磁干扰， 实现高压与低压的完全隔离， 具有极高的 安全性 。功率单元 采用 交 一直 一交 变频 技术 ， 单 相 输出， I G B T元件采用先进高效的热管散热技术， 大 大 提高 了工 作可靠性 。 变频器 控制 系 统采 用 友好 的中文 Wi n d o ws 界 面 ， 各 种主要 的运行参 数在界面 上直接显示 ， 主要 的 操作按 钮通过 触摸屏设 置在界 面上 ， 变频器 的启停 、 改变运行 频率 等操 作简单 易行 。 2 结 语 本文介 绍 的矿 井主通风机 变频调 速系统技术改 造方案应用 I G B T串联变频器技术， 很方便地解决 了高 压 电动机 的变频 调速技术 问题 ， 方案 简便易行 、 系统 改造周期 短 、 见效快 ， 适 于在大 型工矿企业 通风 机驱动系统技术改造项 目推广应用。采用高压变频 调速技术方案后 ， 能方便地改变风机运行速度 ， 得到 生产所需 要的风量 ； 电动 机不 用 一直 工作 在 额定 转 速 ， 大大降低 了系统的机械磨损， 延长了设备的使用 寿命 ； 实现 了 电动机 的软启动 ， 启动 电流控制在额定 值 以下 ， 无 电流 冲击 、 无机械 冲击 、 噪 音较小 ， 能提 高 主通 风机运行 效率 、 运行稳定性 和 自动 化程度 ， 节约 了大 量 电能 。采用高压 变频调速 技术 的通 风机控制 装置 已应 用于郑 煤集 团等矿 井 ， 系统 投 运 以来运 行 稳 定 ， 已取 得 了明显 的效益 。 参 考 文 献 [ 1 ] 吴 忠 智 ， 吴 加林． 中 高 压 大 功率 变频 器 应用 手 册 [ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 2 ] 吴 加林． I GB T直 接 串联 高 压变 频器 [ J ] ． 电工 技术 ， 2 00 3 2 3 6～ 39 ． [ 3 ] 顾爱利，黄玉峰． 高压大功 率变频器在 火力发 电厂的 应用 及发展前景[ J ] ． 变频器世界， 2 0 0 4 9 7 2 ～7 5 ． [ 4 ] 刘军祥 ， 杨长英 ， 黄玉峰． 高压变频调速技术在风机、 泵 类应 用 中 的 节 能 分 析 [ J ] ． 变 频 器 世 界 ， 2 0 0 4 9 7 9 ～ 8 O． [ 5 ] 王德 明． 矿 井通 风机 及 通风 安全 新技 术 [ M] ． 徐州 中国矿业大学 出版社， 2 0 0 2 ． [ 6 ] 刘 闽生． 矿 井通 风机 变频调 速 及节 能[ J ] ． 山东 矿业 学院学报 ， l 9 9 5 1 ． [ 7 ] 何超． 交流变频调 速技术 [ M] ． 北京 北 京航空航天 大学 出版 社 ， 2 0 0 6 ． 一 C