变频智能控制在10KV矿用主风机上的应用

赵玉宝

摘 要：随着科技强安和节能环保在生产中要求的不断提高，传统风机的运行方式已逐渐显露其弱势，其运行主要为三相交流电固定转速，从启动到正常运转后一直保持一个转速，极大地浪费了电能，同时系统自动化程度不高，对设备本体及系统运管维护造成成本的增加。本文主要介绍现代交流变频器及智能控制系统在矿山主风机上的应用，从而节约了能源及综合使用成本。

关键词：风机；变频；智能控制

中图分类号：TN773 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）18-0136-02

1 前言

四川化工天瑞矿业有限责任公司位于四川省乐山市马边县境内，主要产业是200万吨/年磷矿采选工程。矿山采矿在1228m硐口安装主通风机一套。型号为：BCDZ-10-38#/2×710Kw/10kv。

2 矿山通风方式

矿山采矿分一期、二期设计。一期通风系统新鲜风流通过1158m、辅助斜坡道及1300进风平巷进入各中段工作面，清洗工作面的污风通过1300m回风平硐内的通风设施抽出；二期通风系统新鲜风流通过1000m平硐、辅助斜坡道及相关进风平巷进入各工作面，清洗工作面的污风通过回风巷道内的通风设施抽出。

2.1 风量和负压计算

（1）矿井所需的风量和负压：

风量：Q=153.56m3/s；

负压：一期容易时：2100Pa；一、二期困难时：2842Pa。

（2）风机的计算风量和负压：

风机的计算风量：

Qj=KQ=1.15×153.56=176.6m3/s

式中：Qj-风机的计算风量，m3/s；K-通风装置的漏风系数，1.15。

风机的计算负压：容易时：Hj=H+h=2100+200=2120Pa 困难时：Hj=H+h=2842+200=30420Pa

式中：Hj-风机的计算负压，Pa；h-通风装置阻力，200Pa。

2.2 设备的选择

根据风机的计算风量、容易及困难时期的计算负压，选BCDZ-10-38#/2×710Kw/10kv型矿用对旋轴流式风机1套。

2.3 风机配置

整套风机主要配置为：风机本体、刹车装置、扩散器、润滑油站、配套仪表、电控系统、变频控制系统、PLC系统、智能综合在线监测系统及其它辅助系统。

3 常规风机控制的特点

3.1 电能的严重浪费

主风机的在矿山投运时间均较长。其原始参数为满足从试生产到最后一期采矿生产的全过程各阶段的综合需风参数。在最后一期采矿系统形成前的前几期时间里，主风机一直处在较轻负载下运行。由于同步电动机的转速不可调节，只能通过改变风机叶片的角度进行风量调节，因此造成能源浪费，增加了生产成本。

3.2 启动困难，机械损伤严重

风机采用直接启动，启动时间长，启动电流大，对电动机的绝缘有着较大的威胁，严重时甚至烧毁电动机。而同步电动机在启动过程中所产生的单轴转矩现象使风机产生较大的机械振动应力，严重影响到电动机、风机及其它机械的使用寿命，同时大功率电机直接启动对电网的波动影响较大，影响同线路的其他设备的用电质量。

3.3 自动化程度低

主风机依靠人工调节风机叶片等调节风量，不具备风量的自动实时调节功能，自动化程度低。在故障状态下，如风流短路，将对矿山正常生产造成严重影响。

系统各运行参数及风机本体各参数依靠手工现场检测，不仅精度低、速度慢、可靠性差、耗费人力、测量结果容易受人为因素影响，而且缺少诸如风量、风机振动、各机械部位温度、系统运行参数等测量，同时缺少自动注油系统等，不能为风机隐性故障提供可靠的判断依据。

为了矿山的安全生产和降低生产成本，同时响应矿山“机械化换人，自动化减人”的趋势，主风机实行变频智能控制具有非常重要的意义。

4 风机变频控制的设置

根据电机容量和负荷特性选择匹配的变频器。

4极以上电机选择变频器时应大一个规格，8极以上电机应大于两个规格（即所配电机容量的1.15的备用系数）， 过载能力不小于110%—1分钟。逆变器效率必须≥98.5%。并具有与DCS或其他控制系统的通讯接口。

变频装置能远距离操作，并可对其进行远程/本地控制的切换。并至少实现以转速为控制对象的开环控制和以频率为控制对象的开环控制。变频器允许较强的过载能力，尤其能够在低速下输出高转矩，完全满足风机转矩要求。

变频装置输出电流谐波不大于4%，必须符合IEEE 519 1992及中国供电部门对电压失真最严格的要求，高于国标GB14549-93对谐波失真的要求，禁止采用输出电抗器。同时具备飞车启动功能，可实现大力矩直接启动。

具有完善的功率单元保护和系统保护功能，故障诊断定位准确，完备的历史故障记录和运行记录。具有过电压、 过电流、欠电压、缺相、超频保护、失速保护变频器过载、变频器过热、电机过载，输出接地，输出短路、半导体器件的过热保护、瞬时停电保护、光纤故障等保护功能。并能够提供联跳现场输入侧高压开关的接点。保护的性能应符合国家有关標准的规定。

配备汉字显示的液晶触摸显示屏，可实现变频器参数设定和显示电机电压、电流、频率等状态参数；变频器具有很强的故障诊断能力和精确的故障定位能力，当有故障发生时，在液晶显示屏上显示故障位置、类别，使故障点一目了然。

变频装置具有瞬时停电再启动功能。对输出电缆的长度不应有特殊要求，必须保护电机不受共模电压及dV/dt应力的影响。输出波形不会引起电机的谐振，效率应达到98%以上，变频装置整个系统的效率（包括输入隔离变压器等）在整个调速范围内必须达到96%以上。

在整个频率调节范围内，被控电动机均能保持正常运行。在最低输出频率时，应能持续地输出额定电流。在最高输出频率时，应能输出额定电流或额定功率。

5 变频智能控制在主风机系统中的作用

5.1 变频器过程控制

变频器可以采用数字量和模拟量控制，也可以采用串行连接和总线控制。从某一角度讲，变频器内置的过程控制可以简化甚至取代原来的机械系统，从而降低成本，提高可靠性，简化控制和维护，相对传统风机人工调节，采用变频器控制，可以获得更宽的控制范围和线性度。

5.2 变频器过程监视

变频器的数字输出，模拟输出和串行连接输出可以监视负载变化过程中电机的状况和过程量的动态。

5.3 減少风机维护量

变频器所具有的软起和软停功能可以显著地减少机械系统和轴承的损伤，从而可以大幅度延长风机系统的使用寿命；在风量需求未达到满负荷时降速运行可以延长轴承的使用周期。

5.4 有效削弱振动和噪声

在低于额定转速的情况下，风机的噪声大幅度降低；现代变频控制可以抑制变频器本身造成的电机的额外噪声；通过变频控制还可以避免机械设备固有的共振。

5.5 智能监测提升系统运行可靠性

智能在线监测系统的投入，对风机内部潜在的信息能进行有效实时监测，同时在监测界面上直观显示，给风机运行提供有效维保及管理依据。整个系统各运行参数简单明了，极大地提升了风机运行的可靠性。

5.6 对风机系统电气方面的影响

5.6.1 电气保护

变频器将电机屏蔽于电气扰动之外，从电机侧不能看到电网的瞬间波动，轻微的电网不平衡不影响电机的平衡运行。同时可提供电机过载，堵转，短路等的精确保护，从而避免电机的过载和堵转损伤。

5.6.2 对供电系统的影响

变频器近乎理想的起动电流最大程度地减少了对供电系统的扰动，对其它设备的影响几可忽略不计。可以减少变压器，开关，电缆及其保护装置的容量，节省投资。对于有备用发电机的场合，发电机的容量可以减少30-50%。

5.6.3 功率因数

变频器的相移功率因子接近于己于1，对于很轻的负载也是如此，从而可以省却功率因数补偿的投资。无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是管理因数的降低导致电网无功功率的降低，大量的无功电能消耗在线路当中，设备使用效率低下，浪费严重，由公示P=S×Cosφ，Q=S×Sinφ（其中S-视在功率，P-有功功率，Q-无功功率Cosφ-功率因数），可知Cosφ越大，有功功率P越大，普通风机的因数在0.7-0.85之间，使用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，Cosφ≈1，从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。

5.6.4 短路容量

通过变频器，电机不再产生对电网的短路电流，从而可以减少开关的容量。

6 技术上的可行性

变频智能控制系统具有优异的调速和软起动性能、强大的在线监测功能，高效率、高功率因数和节电效果，产品在市场上技术已经成熟。利用变频调速来实现风量调节，可以节约大量的电能，同时可以显著改善风机系统本体机械运行性能。利用智能在线监测系统，可以节约大量的人力，同时保证整个机械系统的各运行参数可控，确保设备在受控状态下正常运转。

7 变频方案的选择

高压变频器的技术实现上主要有高-低-高、多电平、直接高等三种方案，通过比较后采用直接高压方式比较合理。即直接对高压进行整流后逆变输出，无须降压/升压变压器，可以选择有隔离变压器或采用进线电抗器，整流部分采用pwm整流器。

该方式的特点是：

（1）器件数量少，系统结构简单，可靠性高；（2）对电网的谐波污染小，输入波形好；（3）输出波形好；（4）效率高（>98.0%）；（5）功率因数可调（对pwm整流而言），可接近于1，或为负功率因数；（6）对电流有较强的控制能力，可以自动抑制各种过电流故障；（7）具有再生回馈制动功能。

8 变频旁路切换

为了确保风机的正常运行，在方案中选择了旁路运行方式，旁路运行的作用是当变频器检修或出现故障时，为了不影响风机的正常运行，将电动机通过旁路开关直接接入高压10kv运行。旁路工作时电动机的启动程序为异步启动、投入励磁、牵入同步，同时还考虑失步保护。为保证旁路投入时能系统能实现自动切换及保护，选择了同步电动机启动柜，它包括旁路开关和励磁装置两个部分，为一体化控制柜，柜内有电动机启动时的投励检测与控制及失步保护等各种功能，完全满足同步电动机旁路运行的要求。

9 结语

变频智能控制系统在10KV矿用主风机上的应用，使风机运行系统简单便于调试，各类参数直观易懂，系统运行中无需专人值守，实现了自动化减人的目标。能取得较高的运行效果及经济效益。

参考文献

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[2]张燕宾.变频调速应用实践[M].机械工业出版社，2001.

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