ABB变频器在煤矿上的应用

    节能降耗已成为我国的基本国策。煤矿企业既是产能大户，又是耗能大户，许多煤矿企业都非常重视高耗能用电设备的节能技改工作。特别是主通风机，设备功率大、24小时不停运转。由于煤矿特殊的工艺要求，该设备存在很大的节能空间。在满足矿井的通风需要的同时，又实现最大程度的节能，对煤矿矿井主通风机采用了高压变频改造，选用功率单元串联多电平高压变频器，实现了主通风机的电能节约和风量无级自动调节。    (1)风量调速方式的选择    传统厂矿中，调速有多种方式．其中主要为液力耦合器调速、串级调速和变频调速三种．下面分析3种调速方式各有什么特点。    ①液力耦合器    在电机和负载之间串入一个液力耦合装置，通过液面的高低调节电机和负载之间耦合力的大小，实现负载的速度调节。这种调速方法实质上是转差功率消耗型的做法，其主要缺点是随着转速下降效率越来越低，并且维护工作量大。    ②串级调速    串级调速必须采用绕线式异步电动机，将转子绕组的一部分能量通过整流、逆变再送回到电网，而现在工业现场几乎都采用笼型异步电动机，更换电机非常麻烦。这种调速方式的调速范围一般在70%～95%，调速范围窄，容易造成对电网的谐波污染，功率因数低；串级调速电机受转子滑环的影响，大功率无法实现，滑环维护工作量大，属于落后技术。    ③变频调速方式    根据公式n=60f（1-s）/p，通过高压变频器改变电源频率来调节三相异步电机的转速。这种调速方式调速范围宽、设备使用寿命长、自身能耗低、日常维护量少。缺点是设备造价比较高，但是随着高压变频器大规模的推广，其造价正在逐步降低。    通过以上分析可见高压变频方式最为合适，下面分析如何通过采用高压变频实现通风机的调速。    (2)通风机调速的基本原理    ①风机的相似定律    a．表示风机性能的特性曲线    H-Q曲线：当转速恒定时，风压与风量间的关系特性；    P-Q曲线：当转速恒定时，功率与风量间的关系特性；    η-Q曲线：当转速恒定时，风机的效率特性。    对于同类型的风机，根据风机参数的比例定律，在不同转速时的H-Q曲线如图4-21所示。
    图4-21    不同转速时的H-Q曲线    根据风机相似方程，当风机转速从n变到，n′，风量Q、风压H及轴功率P的变化关系：    Q′=Q(n′／n)    H′=H(n′/n)²    P′=P（n′／n）³    上面的公式说明，风量与转速成正比，风压与转速的二次方成正比，轴功率与转速的三次方成正比。因此，从理论上得出转速降10%的时候，会带来28%的功率下降，转速降50%的时候，会带来87%的功率下降。由于功率的大幅度下降，可获得显著的节电效果，调节阀门和用变频调速两种调节方法的运行工况点也不同。    b.调节转速与采用挡板调节流量消耗功率的差值    采用改变风机转速和改变管网特性进行风量的调节，在调节相同风量时，其风机的特性曲线（H-Q曲线）变化不同，两种调节方法的运行工况点也不同，其运行的对比如图4-22所示。
    图4-22    风机转速调节与挡板调节的特性曲线对比
    图4-23    轴流式通风机的性能曲线    ②轴流式通风机的性能    使用在前面介绍的风量调速方式，改变通风机速度，使其在最佳工况点运行，使风机在最大的范围内以最高的效率运行，节能效果好。假设煤矿中主扇风机为两台对旋式轴流通风机，一用一备。轴流式通风机的一般性能曲线如图4-23所示。    通过图4-23我们可以发现，压力曲线有驼峰，并且工况点如在驼峰以右区域时，通风机的工作状态是稳定的；工况点如在驼峰以左区域，通风机的工作状态就很难稳定，此时风压、流量发生波动，当工况点移至左下部时，流量、风压有激烈脉动，并引起整个风机装置强烈振动，我们称这种现象为喘振。喘振可能使风机装置遭到破坏，因此通风机不允许在喘振状态下运行。为了避免风机在小流量时发生喘振现象，对风机进行变频改造是首选，并且当风机速度变化不超过20%时，效率基本无变化，使用变频调速后就可以使风机在小流量段高效运行，不仅不会使风机喘振，还扩大了风机高效运行的工作范围，由于风机在投运的初始阶段所需风量相对风机风量都比较小，甚至小很多，因此在风机投运的初始阶段这点尤为重要。    ③高压变频器控制的风机的高效区调速    a．考虑矿井情况，确定所需的风量、负压。    b．考虑风机运行情况，作出目前及后期矿井通风网路阻力曲线，求出较准确的矿井通风网路阻力系统及网阻曲线方程。    c．确定风机直径及转速后，根据使用的变频器特性曲线，作出风路阻力曲线，并根据风机所需的风量和负压，找出前后期工况点，必须使工况点运行在高效区，即系统效率在80%左右。如果工况点出现在低效区．可以调整风机的动叶角度使其处于高效区。风机叶片安装角度可以通过公式计算和作图，找工况点两者相结合的方法确定。作风路特性曲线找工况点，可以查得平均角度，亦可通过计算求得。根据上述方法初算出的角度，对照矿井阻力曲线和风机性能曲线作出的工况点，再确定叶片安装角度。在实际应用中，风机转速大于50%的情况下，可以满足用户井下对风量及负压的要求，且风机运行在高效区。    (3)变频器控制    ①控制方式选择    变频器对风机的控制可以为一对一方式，也可以是一拖二方式，在保证稳定性的前提下，成本是优先考虑的。一拖二方式在性能上基本与一对一方式相同，工程造价上降低一半以上的费用。    a．一对一的方式    一对一的方式即变频器与电机一对一方式。由于对旋风机为2台风机首尾相对放置，那么1台对旋风机就需要2台变频器。这种方式的优点是控制简单，系统稳定性高。由于400kW以下的高压变频器原材料成本几乎一样，所以这样的工程造价将非常大。如果把备用的对旋风机也全部配齐的话，整个工程造价将又翻一倍。    b．-拖二的方式    一拖二方式就是1台变频同时拖动1台对旋风机的2台电机，2台对旋风机可以分时使用该变频器。这种方式缺点是控制系统复杂，安装调试时间长。但是优点是整个工程造价低（比一对一方式降低一半以上费用），设备使用率高。    ②控制方案    在变频器对风机的控制中，如果采取直接的开环控制，调速性能一般达不到很高的精度，满足不了具体的要求，通过变频器加上PID的闭环控制，根据风压设定值控制风机转速使得矿井风压达到要求值。可以实现风机转速的快速、稳定、连续的调节，图4-24为PID变频器控制系统框图。
    图4-24    PID变频器控制系统框图    ③变频器控制主回路    为确保通风机运行安全，主回路设计为低频主回路和工频主回路两部分。低频部分由1台VF61-2004智能变频器和2台ABB型低频接触器组成，为主要风机的主运行回路；工频分由两台工频降压启动器组成，作为低频系统的后备回路，用于低频系统故障时降压启动并全速运行风机。如图4-25所示。
    图4-25    主回路框图    具体控制的实现可选用PLC作为变频器的控制器，通过主回路实现系统的自动控制，风量的闭环控制和风机的低频故障转换，以及电机的过流保护等系统功能，实现风机快速，稳定的调速。    ④主回路接线方案    根据上面的主回路框图，我们对主回路的具体接线进行设计，图4-26为具体的接线方案。
    图4-26    主回路接线图    注意：K3、K4和DL1、DL2要互锁，DL1、DL2本身要互锁，对于备用电源的情况，使用1路进线电源时，断开K1，闭合K2即可，如果使用2路电源，断开K2，闭合K1即可。