大型固定设备变频节能方案的探索.pdf

第30卷第7期 2009年 7月 煤 矿 机 械 CoalMineMachinery Vol . 30 No. 7 Jul . 2009 大型固定设备变频节能方案的探索 吕金龙 鹤岗矿业集团公司 新岭煤矿,黑龙江 鹤岗154100 摘 要随着技术的进步,大规模集成电路和微机控制技术的突飞猛进,交流电动机变频技术 已日趋完善,变频调速以其优异的调速范围宽和软起动性能,高效率、 高精度、 高功率因数和节电效 果,广泛的适用范围及其他许多优点而被认为最有发展前途的调速方式。 关键词变频调速;降低损耗;节能 中图分类号TD44 文献标志码 A 文章编号 1003 - 0794 2009 07 - 0171 - 03 Large Scale Fixed Equipment Frequency Conversion Energy Conservation Plan Exploration LV Jin - long Xinling CoalMine HegangMining Industry Group, Hegang 154100, China AbstractAlongwith the technical progress, the large scale integrated circuit and microcomputer control technology progressing by leaps and bounds .The motor frequency conversion technology has consumma2 ted day by day, the frequency conversion velocitymodulation by the outstanding governor deflection affa2 ble soft startperfor mance, the high efficiency, the high accuracy, the high power factor and the electrici2 ty saving effect . The widespread applicable scope and othermanymeritswas considered thatmost has the career development velocity modulation way . Key wordsfrequency conversion velocitymodulation; reduces loss; energy conservation 0 概述 鹤矿集团公司现有井上、 井下各类提升机65 台,其中大部分为交流老式TKD系统,拖动方式是 交流电动机拖动系统。现有主排水泵131台,均属 老旧杂水泵,运行时间长、 效率低、 能耗高,吨水百 米电耗达0. 6 kWh,超出能耗标准吨水百米电耗达 0. 1 kWh。主排水泵控制方式为直接启动,在启动 时对电网冲击大、 电能损失大。 现有压风机66台, 其中60台老式活塞压风机,使用时间较长,气量调 节采用机械调节方式,效率低、 能耗大。电机起动 方式采用直接起动方式; 6台螺杆压风机,采用6 kV 高压交流电动机拖动,气量调节采用机械调节方 式。公司现有主扇风机36台,其中对旋主扇12台, 老式轴流风机24台,对旋主扇采用高压6 kV交流 电动机拖动,起动方式为直接起动,老式轴流风机 采用同步电动机拖动,直接起动方式。2种风机的 风量调节均采用调节叶片角度的方法来进行,既不 经济又不节能。 集团公司各类大型设备装机容量如下提升机 用交流电动机安装容量32 735 kW,主排水泵 73 590 kW,压风机23 293 kW,主扇风机23 935 kW,总安装容量153 553 kW,总计算负荷122 800 kW。年耗电量51 593. 810 4 kWh 煤矿综合用电总负荷中动力负荷约占60 ,其 中85左右为异步电动机消耗。因此,使异步电动 机有效地利用,对于节能具有非常重要的意义。节 能降耗成为企业严重关切的焦点,节约电能生产运 行研究课题。随着电价的不断上涨,电费支出在企 业生产成本中占的比例越来越大,节约用电可以有 效降低企业生产过程中可控成本。 1 电机能耗状态 20世纪80年代以前生产的交流拖动系统绝大 多数采用绕线式异步电动机转子回路串电阻的交 流调速系统,以交流TKD型、KKX型电控系统为 主。该电控系统是通过改变转子回路串联的附加 电阻来实现调速,这种调速方式是属于改变电机转 差率调速,调速方法简单,控制容易;但特性软,稳 定性差;调速级数有限,平滑性差;在加速阶段和低 速运行时,大部分能量转差能量以热能的形式消 耗掉了,因此电控系统的运行效率较低。控制部分 采用继电器、 接触器、 磁放大器作为控制元件,这种 控制方式接点多,故障率高,维修难度大,控制性能 差、 现配件缺少、 有的已经不生产,给生产和维护带 来了困难。 异步电动机所以用得广泛,主要原因是结构简 单、 造价低廉,而且坚固耐用,维修方便。异步电动 机具有的一系列优点,成了工业驱动方面的主要动 力。异步电动机也存在着不足,最主要的不足是它 的功率因数比较低,调速性能不够好,浪费电能。 同时,启动电流大,加快绝缘老化,对机械设备冲击 大,缩短机械及电动机使用寿命。 三相异步电动机是利用电磁感应原理设计制 造而成。由固定不动定子部分和可以旋转转子部 分组成。定子上装有三相对称绕组,通入三相交流 171 第30卷第7期大型固定设备变频节能方案的探索 吕金龙Vol . 30No. 7 电流后,在电机起隙中产生一个旋转磁场。这个旋 转磁场的转速n1和f1以及p有关,即n160f1/p, 电动机的旋转近似地决定于电动机的极数和频率。 由于电动机的工作原理决定电动机的极数是固定 不变的,频率是电动机供电电源的电信号,若设法 连续改变供电电源的频率f,则电动机的转速随之 连续变化。所以,频率能够在电动机的外面调节后 再供给电动机,这样电动机的旋转速度就可以被自 由控制。 电动机的损耗包括恒定损耗、 负载损耗及杂散 损耗。 恒定损耗是指电动机运行时的固有损耗,它与 电动机材料、 制造工艺、 结构、 转速等因素有关。一 般占总损耗的20～25。 负载损耗是指电动机运行时,定子绕组、 转子 绕组通过电流引起的电阻损耗,即称为铜损,它与 绕组的电阻和负载电流有关。铜耗占总损耗的 20～70。 杂散损耗主要有定子漏磁通和定、 转子的高次 谐波在导线、 铁芯及其他金属部件内引起的损耗。 一般占总损耗的10～15 对于长时间运行、 负载变化比较大的连续运转 电动机,如排水泵、 风机的设计容量要比实际需要 高出许多,出现人们常说的“ 大马拉小车 ” 的现象, 造成电能的大量浪费。 节能改造有各种不同的方法,如加强废物利 用、 利用可再生能源、 禁用耗能设备等。但是,集团 公司各矿采选设备中如拖动风机、 水泵、 空气压缩 机、 矿井提升机等负载, 80的耗电集中在高压大 功率电动机上,功率大多在100～1 000 kW,个别电 机的功率高达3 000 kW、3 500 kW。利用高电压大 功率电动机变频调速方式来实现节能,无疑是潜力 最大的节能方式。 2 变频技术原理及节电效果 随着技术的进步,大规模集成电路和微机控制 技术的突飞猛进,交流电动机变频技术已日趋完 善,变频调速以其优异的调速范围宽和软起动性 能,高效率、 高精度、 高功率因数和节电效果,广泛 适用范围及其他许多优点而被认为最有发展前途 的调速方式。 1高压变频调速系统采用单元串联多电平技 术,属高-高电压源型变频器,直接3 kV、6 kV、10 kV高压输入,直接3 kV、6 kV、10 kV高压输出。 2输入侧由移相变压器给每个功率模块供 电,移相变压器的副边绕组分为3组,根据电压等 级和模块串联级数,一般由24脉冲系列、42脉冲系 列等构成移相叠加的整流方式,可以大大改善网侧 的电流波形,使其负载下的网侧功率因数接近1,无 须任何功率因数补偿、 谐波抑制装置。 3输出侧由每个单元的U、V输出端子相互 串接而成,星形接法给电动机供电。通过对每个单 元的PWM波形进行重组,可以得到阶梯正弦PWM 波形,这种波形正弦度好, dv/dt小,对电缆和电动 机的绝缘无损坏,无须输出滤波器,就可以延长输 出电缆长度,可直接用于普通电动机。同时,电动 机的谐波损失大大减少,消除负载机械轴承和叶片 的振动。当某一单元出现故障时,通过控制可将此 单元退出系统,变频器可降额继续运行,由此可避 免很多场合下停机造成的损失。 4功率模块为基本的交-直-交单相逆变电 路。整流侧为二极管、 三极管、 三相全桥,通过对逆 变桥进行正弦PWM控制,可得到单相交流输出。 控制器由高速单片机、 工控PC和PLC共同构成。 单片机实现PWM控制,工控PC提供友好的全中文 W I NDOWS监控和操作界面,内置PLC则用于柜体 内开关信号的逻辑处理,控制器与功率单元之间采 用光纤通讯技术,高低压完全可靠隔离,系统具有 极高的安全性,同时具有很好的抗干扰性能,可靠 性大大提高。 5变频器开环运行于设定频率,在闭环运行 模式下,可以设定并调节被控量的期望值,变频器 将根据被控量的实际值,自动调节变频器的输出频 率,控制电动机的转速,使被控量的实际值自动逼 近期望值。 6高压电动机节能效果显著,实现电动机的 调速,变频调速是电动机调速的最佳解决方案,达 到节能的目的。 ① 与定速泵、 风机相比,变频调速普遍节能在 25以上,节能效果显著。 ② 运行稳定,安全可靠,免维护。只须定期清 洗通风滤网,不用停机,保证生产的连续性。能使 风机轴承磨损减少,延长电动机、 风机的使用寿命 和维修周期,提高风机的利用效率。 采用变频器可以使水泵电动机实现真正的软 起/软停,从而使急扭及水锤现象得到解决。而且 变频器能够在合适的情况下降低泵的转速,一方面 可以避免水泵长期工作在满负荷状态下,另一方面 变频的软起动大大地减小水泵起动时对机械的冲 击。 ③ 变频器效率高,没有因调速带来的附加转差 损耗。调速范围大,精度高,可实现无级调速,而且 容易实现协调控制和闭环控制 ④ 变频器提供给电动机无谐波干扰的正弦波 电流,能降低电动机的故障次数。由于电平数和等 效开关频率的增加有利于改善输出波形,降低输出 谐波,电动机发热得到改善。在设备加速期间能大 271 第30卷第7期 2009年 7月 煤 矿 机 械 CoalMineMachinery Vol . 30 No. 7 Jul . 2009 大减小噪声,削弱噪声污染,能极大地改善现场工 作环境,免去了许多繁琐的人工操作和不安全隐患 因素,并使系统始终处于节能状态下运行,延长了 设备的使用寿命。 ⑤ 变频器自身保护功能完善。同原来继电器 保护相比较,保护功能更多,更灵敏,保护动态响应 快,能大大加强对电动机的保护。同有的主扇风机 风量调节采用机械调整叶片角度的方法相比较,主 扇调风方式用机械调整叶片角度存在着局限性,电 动机始终运行在100额定转速状态下,造成能源 浪费。 3 结语 变频调速优越的调速性能和显著的节能效果 已被国内外各个领域应用实践得到验证和认可,适 应电网电压波动能力强,可以广泛应用于矿山提升 机、 主扇风机、 压风机等设备节能改造。 作者简介吕金龙1963 - ,黑龙江鹤岗人,工程师,毕业 于原鸡西矿业学院矿山机电专业,现在龙煤集团鹤岗分公司新岭 煤矿从事机电管理工作. 收稿日期 2009 - 03 - 11 高压无功自动跟踪补偿装置的应用 马树滨 鹤岗矿业集团公司 新岭煤矿,黑龙江 鹤岗154106 摘 要露天供电布局分散,无法集中补偿配电。尤其供电线路用电负荷是变动的,并且大部 分负荷是高压直接启动装置,投用自动跟踪补偿器能够有效地降低变压器、 电动机和输电线路的损 耗,提高变压器和电机的出力,同时给线路增容15～30 ,节约电量。 关键词无功;自动跟踪;电容补偿;节电 中图分类号T M72 文献标志码 A 文章编号 1003 - 0794 2009 07 - 0173 - 02 High - pressured Idle W ork Automatic Tracking Compensation System Application MA Shu - bin Xinling CoalMine HegangMining Industry Group , Hegang 154106 China AbstractThe open - air power supply layout is scattered,is unable to concentrate the compensation power distribution.Especially the supply line uses electricity the load is the change, and the majority of loads are the high - pressured line start installments, throws can reduce the transer . The electric mo2 tor and trans mission line’s loss effectively with the automatic tracking compensator, enhances the trans2 er and electrical machinery’s output, gives the line to increase 15～30 ,saves the electric quantity . Key words idle work; automatic tracking; electric capacity compensation; saving electricity 0 前言 交流电网的负荷,一般多呈感性,它需要电网提供 无功功率,而发电机输送给电网的无功功率是有限的, 无法满足用电设备对无功功率的需求,为此必须另外 给电网补充无功功率,以达到无功功率的动态平衡,从 而提高负载功率因数,达到节电的目的。 1 新岭矿供电系统存在的问题 新岭矿是井下和露天联合开采的煤矿,既有露 天供电,又有井下供电。井下供电在地面有配电 所,可在配电所集中补偿;露天供电布局分散,无法 集中补偿配电。尤其露天供电线路用电负荷是变 动的,主要设备有电铲、 钻机和排水泵,设备布置比 较分散,并且大部分负荷是高压直接启动装置,在 投用自动跟踪补偿器前,使用集中末端补偿装置, 造成线路无功过补或欠补,电网电压出现时高、 时 低的情况,影响用电设备运行,造成企业功率因数 低。 2 无功自动装置的应用 2.1 无功自动补偿装置的组成 无功自动跟踪补偿装置是由高压控制柜、 微电 脑控制器、 真空组合开关、 电流电压取样器、 电抗器 和电容器等主要部件组成。采用电流电压取样,由 微电脑控制,多级自动跟踪投切电容器,使功率因 数达到0. 92以上,而且没有无功反送,无投切振荡; 自动化程度高,实现无人值守,自动监管及数据运 转、 监控等功能。能有效地降低变压器和输电线路 的损耗,提高变压器和电机的出力。 2.2 无功自动跟踪补偿装置技术性能 1可减少线损,变压器损耗,节省电能。 2可改善供电质量,提高电气设备的出力。 3可降低供电的视在功率,增加供电能力。 4可提高功率因数,降低线路电流,延长电气 设备寿命。 5可减少所用导线截面规格,节约投资。 371