高压变频器在煤矿湿式除尘风机上的应用

李莉丽

(临沂大学山东临沂276000)

0 引言

目前的矿井湿式除尘风机、风机传动系统通过调节风机入口风门的开度来调节风量，电动机恒速运行。该方法存在着很大的弊端和局限:①把风量消耗在挡风板上，造成能量损耗。②风门挡板采用电动执行机构驱动，使用不便。③风门挡板调节风量造成挡风板前后压差大，风门易磨损。④电动机全速运行，振动大、噪声大、损耗大，轴承磨损严重。⑤电动机启动电流大，影响电网稳定。考虑上述因素，对其除尘风机进行了高压变频调速节能改造。改造后的系统调速精度大大提高，降低了设备的运行和维护费用，延长了电动机等设备的使用寿命，最终达到了降耗增效的目的。

1 除尘风机节能原理及负载参数

1.1 风机负载节能原理

根据风机学原理，在风机类负载的变风量、变压力的运行状况中，风量、风压和消耗的能量之间有下面的关系:①风机风量和电动机转速成正比。②风机风压和电动机转速的平方成正比。③风机消耗的轴功率跟电动机转速的立方成正比。

图1 风机类负载的运行曲线

其中，Q1，Q2为风机风量;H1，H2为风机风压;节约的轴功率 ΔP;n1，n2为风机转速。

根据电机学原理，系统采用变频调节时，直接通过改变电动机输入频率来改变电动机的转速，以满足不同工况的需求。由于电动机消耗的能量与转速呈立方关系下降，因此采用变频调速的节电效果非常显著。变频调速方式调速范围宽，线性度好，其本身的电子损耗低，因而无论在轻载还是满载都有很高的效率。从图1 所示的风机运行曲线就能分析出采用变频调速后的节能效果。

当所需风量从Q1减小到Q2时，如果采用调节阀门的办法，管网阻力将会增加，管网特性曲线上移，系统的运行工况点从A 点变到新的运行工况点B 点，所需轴功率P2与面积H2×Q2成正比;如果采用调速控制方式，风机转速由n1下降到n2，其管网特性并不发生改变，但风机的特性曲线将下移，因此其运行工况点由A 点移至C 点。此时所需轴功率P3与面积HB×Q2成正比。通过实践统计，风机类负载通过调速控制可节能20% ～50%。

1.2 负载参数

10 kV 除尘风机正常生产时处于长期运行状态，无备用风机。电动机主要参数如下:

电动机型号YKK7108 －8

额定电压10 kV

额定功率1 600 kW

额定电流119 A

额定转速745 r/min

功率因数0.82

2 高压变频调速系统结构及控制功能

鉴于高压变频器在风机类负载节能应用中的突出优势，采用高压变频调速系统对除尘风机进行变频改造。高压变频调速系统主电路如图2 所示，设置手动旁路柜，以便在变频器故障时，风机仍能正常运转;高压变频控制系统原理如图3 所示。

2.1 工频/变频手动切换

QS1、QS2与QS3前后两回路加入机械互锁继电器互锁，避免两回路同时导通。采用手动操作，在QF 分闸状态下，用户可手动切换系统的工频或变频工作状态。当变频器出现故障时，用户可将系统切换至工频状态，风机在50 Hz 下全速运行，通过调节风门挡板的开口度来调节风量，从而保证系统的连续运行。

2.2 预充电功能

接通总电源瞬间，变频器上滤波电容两端电压为0 V，若不对滤波电容进行限流预充电，大的冲击电流可能烧坏保险和整流桥等。因此，在系统合闸之前必须对变频器电容进行预充电，以减小冲击电流。这里采用移相变压器除了输出24 路722 V 功率模块三相电源外，还有一个380 V 辅助绕组。系统接通380 V 控制电源并准备就绪后，用户操作合闸按钮，变频器自动启动预充电过程，由变压器的380 V 辅助绕组激励出的24 路722 V 三相电源为各个功率单元模块的电容进行预充电，直到模块直流母线电压超过800 V，预充电过程结束，系统自动合闸，接入10 kV 高压。

图2 高压变频调速系统主电路

图3 高压变频控制系统原理

2.3 完善的保护功能

2.3.1 变频器自身保护

变频器每个功率单元模块输出端并联旁路电路。当某个功率模块发生故障时，封锁对应功率单元IGBT 的触发信号，切换至模块旁路，保证变频器不停机。为保证三相输出电压对称，在旁路故障功率模块的同时，对应的另外两相的两个功率模块也同时切换至旁路运行。此外，变频器设有过压、过流、欠压、缺相、过载、过热等保护功能。

2.3.2 变压器过热保护

变压器装置内设有Pt100 温度传感器。在系统运行过程中，若变压器内绕组温度超过150OC，则系统自动跳闸，切断变频器10 kV 高压，改由工频直接启动风机。

2.3.3 门限开关保护

系统运行过程中，除控制柜柜门可以打开外，旁路柜、变压器柜和功率柜的柜门均应处于关闭状态，以确保人身安全。带电打开柜门也将导致高压跳闸。

3 应用效果分析

再造后的高压变频煤矿湿式除尘风机自投运以来，取得了可喜的应用效果。与原工频控制系统相比，显示出了巨大的优越性。

1)系统运行稳定，安全可靠。高压变频器性能可靠，自正式投运以来，实现了连续无故障运行，运行状态良好。此外，系统采用旁路柜实现工频/变频工况的切换，确保变频器发生故障时，风机仍可以在工频条件下继续运转。

2)节能效果显著。为了对高压变频改造的效果进行评价，在系统投运前后，分别对设备工频和变频运行状态下的风机电动机的单位产量的电量进行了测试和计算。变频改造后，在满足相同除尘工艺的条件下，节能率在45%以上。

3)延长了设备寿命，减少了噪声污染。变频器能够通过平滑控制电动机来启动风机进入工作状态，避免了过去直接启动高压风机时7 ～8 倍的电流冲击和机械振动，增加了风机设备的运行寿命，同时降低了厂房内的噪声污染。

4)网侧功率因数得到改善。高压变频改造后，可大大减小电网容量，降低无功补偿设备的投资。

5)保护功能完善。变频器自身具有过压、过流、短路、缺相等多项保护功能，当电网和电动机发生异常时，立即切断变频器输出，更精确地保护了电动机。

6)降低劳动强度。工频运行时，值班人员需要根据生产现场的实际粉尘浓度，经常调节入口阀门开度。高压变频调速系统可在保持风门全开的情况下，通过改变变频器的输出频率来调节风机转速，提高了工作效率。

4 结语

随着市场经济环境的不断变化，节能降耗已成为企业提高产品市场占有率和企业竞争力的有效手段。对煤矿湿式除尘风机进行高压变频调速节能改造，操作方便，维护量小，设备寿命充分延长，节电效果显著，在冶金、电力、石油、化工、建材、市政等行业的应用前景十分广阔。

［1］吴忠智.变频器应用手册［M］. 北京:机械工业出版社，2007.

［2］周志敏. 变频调速系统设计中问题分析［J］. 能源技术，2002(2):86 -88.

［3］满永奎.通用变频器及其应用［M］. 北京:机械工业出版社，2012.