矿井主扇风机高压变频调速装置研究报告.doc
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1、矿井主扇风机高压变频调速装置研究报告朔 里 煤 矿二八年元月十八日目 录1、概述.22、主要问题研究、目标及关键技术.33、系统技术要求及工作原理.44、产品构成及特征.165、现场调试情况.266、经济技术分析.347、结论.361、概述 矿井主扇风机用于向井下提供新鲜风流、排除污浊空气和有害气体,对煤矿的安全生产影响重大。一旦矿井通风不畅,瓦斯浓度升高到一定程度,即可能会造成爆炸塌井等重大事故,危及矿工的生命安全。矿井主通风机全年不停地运行,其电耗量较大,平均电耗约占矿井电耗的15。通风设备及配套电动机的选型主要由矿井瓦斯涌出量、井下人员数量、通风井巷阻力等因素决定。风机满速运行时的特性曲
2、线与矿井通风网络阻力特性曲线的交点,确定了通风机的自然运行工况点。但在许多情况下,自然工况点可能不是矿井通风所要求的工况点,其主要原因: 预测的瓦斯涌出量与实际涌出量有差异,因而可能影响通风需求量; 预计的矿井通风网络阻力特性曲线与实际阻力特性曲线不尽相同; 矿井通风网络阻力特性曲线随着采掘工作面的推移而变化; 随着产量增减、采煤方法及井下工人劳动生产的变更等因素,通风需求量亦可能发生变化;在节假日及检修期间,井下人员数量及瓦斯涌出量均减少,因而实际需要的通风量亦可减少。 通风机的服务年限通常为十几年甚至几十年。为安全起见,设计阶段风机和电动机的规格都留有一定的裕量以适应通风网络阻力的变化。因
3、此通风设备调节方式的选择,决定了整个矿井的吨煤电耗及风机的使用寿命,以及企业的经济效益。近年来,我国矿井多采用对旋式通风机,该类型风机采用交流隔爆异步电机双电机拖动。该类型风机传统的调节系统是根据风量所需的多少,靠调节叶片角度来实现的,这种调节必须在风机停机时才能进行,只适合较长阶段的风量调节,调节起来也不方便,可调范围也不大(一般一度为一单位),电机全速运行,节电不明显。另一种调节系统是调节风机电机转速,通过比较变频调速的方法是异步电机最有发展前途的调速方法。目前, 煤炭系统在矿井风机选型时,根据煤矿特点,考虑通风安全及前后期通风参数变化,风量、负压等数值选取偏大,造成风机能力过大,形成“大
4、马拉小车”情况。例如根据通风区计算,朔里矿西三风井目前需回风量约为17641.05=1852m3/min(风量为1764m3/min时),其所对应的负压值为:1001pa。实测总回风风量为2479.8 m3/min,负压1800pa,风量富余较大,这样造成风机系统运行效率低下,电能浪费惊人,运行状况差,增加了维修工作量。高压交流变频调速技术是90年代迅速发展起来的一种新型大容量电力传动调速技术,应用了先进的电力电子技术、计算机控制技术、现代通信技术和高压电气、电机拖动等综合性领域的学科技术,其技术和性能胜过其它任何一种调速方式,变频调速以其节能效益显著,调速精度高,调速范围宽,保护功能完善,易
5、于实现的自动通信功能,运行安全可靠,安装使用、维修维护方便,使之成为企业采用大容量电机节能方式的首选。如果采用高压交流变频调速技术,由于两个电机的参数一样,可以由一台315kW容量的高压变频器控制两台电机,开环定速运行,风量风压控制在满足矿井的需要,能大大降低能耗,减少维修工作量。因此,研制高压变频调速装置,使风机降速运行,同时调整叶片角度在高效区域,既满足风量要求,又提效节能,很有必要。2、主要问题研究、目标及关键技术2.1主要问题研究(1)用高压变频调速装置对风机的拖动电机供电,通过改变频率,调整风机的转速,用降速的办法来降低风量,直至满足矿井需要。(2)用一套高压变频调速装置,通过切换开
6、关柜,可以分别拖动两台风机,具有一拖二功能。(3)如高压变频调速装置出现故障,发出报警,可切换到工频运行,保证风机不停风,不影响矿井通风。 (4)高压变频器采用单元串联多电平方式,谐波成分小,功率因数高。 2.2目标(1)通过高压变频调速装置,风机可以根据矿井通风需要随时调速运行,使风机始终运行在高效区。 (2)采用计算机进行过程控制,安全可靠,维护量小。2.3技术关键(1)国产高压变频调速技术在矿井大功率通风机上的应用,具有其应用的特殊性,通风机停机10分钟即为重大事故,因此对变频器的可靠性及系统的安全性设计要求很高。(2)朔里矿西三风井是轴流风机,起动力矩大,采用低速补偿方式,使变频器在低
7、速时具有良好的转矩输出特性。(3)通风机为一用一备,为了节省投资,采用切换柜使变频器能在两台风机之间切换,实现一拖二功能。(4)变频器与计算机之间的通讯,采用RS485隔离端口MODBUS RTU 通讯规约,实现计算机对变频器的监视和控制。3、系统技术要求及工作原理3.1 系统技术要求3.1.1风机型号及参数:KZS-18型轴流式通风机,风机转速983r/min,电动机功率315kW,电压6kV;风机工作介质:矿井井下废气。介质密度:1.195kg/m3;风机数量:2台(一台运行,一台备用)。3.1.2 工作方式: 正常起动 正常停机 紧急停机 反转反风到正常转速小于10min 单机运行切换
8、必要时单级运行3.1.3 风压、风量工况范围风压:1.912.64MPa风量:5867.5m3/s转速调节范围:电机额定转速的60100。3.1.4 技术要求: 要求选用一套变频器直接拖动一台风机的310kW,6kV电机。起动为低速大转矩起动。 变频器采用单元串联多电平直接高一高变频器调速。 谐波污染符合国家标准要求,适合普通鼠笼式电机,对周围设备无电磁干扰。 具有就地监控和远程监控。 控制系统具有在线检测变频器各种参数功能。 各种保护齐全。 单个功率模块发生故障时,立即声光报警,并自动将三相对应的功率模块旁路,变频器保持连续降额运行。 当变频器故障时,可手动切换到工频运行。 系统功率因数不低
9、于0.95。 具有一套装置通过切换,可实现拖动两台风机的功能。3.2高压变频调速系统原理3.2.1系统结构HIVERT系列高压变频器采用交-直-交直接高压(高-高)方式,主电路开关元件为IGBT。由于IGBT耐压所限,无法直接逆变输出6kV,而因开关频率高、均压难度大等技术难题无法完成直接串联。HIVERT变频器采用功率单元串联,叠波升压,充分利用常压变频器的成熟技术,因而具有很高的可靠性。它对电网谐波污染小,输入功率因数高,不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置;输出波形质量好,不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题,不必加输出滤波器,就可以使用普通的
10、异步电机。图3.2 变频器主回路图主隔离变压器(以下简称主变压器),有使用寿命长、免维护等优点。变压器原边为Y型接法,直接与高压相接。 副边组数量依变频器电压等级而定, 6kV系列为15个,为每个功率单元提供三相电源输入,采用延边三角形接法,绕组间的相位差由下式计算: 60移相角度 = = 12 每相单元数量由于为功率单元提供电源的变压器副边绕组间有一定的相位差,从而消除了大部分由单个功率单元所引起的谐波电流,所以HIVERT变频器输入电流的总谐波含量(THD)小于国家标准5%的要求,并且能保持接近1的输入功率因数。图3.3为6kV系列(每相5单元串联)输入电流实录波形,电流峰值120A,几近
11、完美的正弦波。图3.3输入电流波形变频器输出是将每相5个三相输入、单相输出的低压功率单元串联叠波得到。3相输出Y接,中性点悬浮,得到驱动电机所需的可变频三相高压电源。图3.4为6kV 变频器的电压叠加示意图。 图3.4 6kV电压叠加图 图3.5为5个690VAC功率单元串联时,每个功率单元输出的电压波形及其串联后输出的相电压波形示意图,可以得到50-5共11个不同的电压等级。增加电压等级的同时,每个等级的电压值大为降低,从而减小了dv/dt对电机绝缘的破坏,并大大削弱了输出电压的谐波含量,图3.6为6kV系列每相五单元串联输出的Uab线电压波形实录图,峰值电压为8.5kV。因为电机电感的滤波
12、效果,输出电流波形更优于电压波形,图3.7即为输出电流Ia的实录波形图,峰值电流130A。电压等级数量的增加,大大改善了变频器的输出性能,输出波形几乎接近正弦波。 图3.5 6kV系列5单元输出及相电压波形示意图图3.6 输出线电压波形图3.7 输出电流波形3.2.2功率单元功率单元原理见图3.8,输入电源端R、S、T接变压器二次线圈的三相低压输出,三相二极管全波整流为直流环节电容充电,电容上的电压提供给由IGBT组成的单相H形桥式逆变电路。图3.8 功率单元原理图功率单元通过光纤接收信号,采用空间矢量正弦波脉宽调制(PWM)方式,控制Q1Q4IGBT的导通和关断,输出单相脉宽调制波形。每个单
13、元仅有三种可能的输出电压状态,当Q1和Q4导通时,L1和L2的输出电压状态为1;当Q2和Q3导通时,L1和L2的输出电压状态为-1;当Q1和Q2或者Q3和Q4导通时,L1和L2的输出电压状态为0。输出电压波形见图3.5。单元可选单元旁路功能,当某个单元发生缺相故障、过热和IGBT故障而不能继续工作时,该单元及其另外两相相应位置上的单元将自动旁路,此时旁路开关K导通,以保证变频器连续工作,并发出旁路告警。单元旁路时,变频器因运行单元数量减少,额定输出电压能力将降低,但当变频器本身运行频率较低,如6kV系列运行频率低于40Hz时,变频器将自动提高工作单元的输出电压,图3.9 单元控制板原理图而保证
14、变频器输出性能不变,实现无扰动自动旁路。图3.10 单元驱动板原理图对于风机负载,因轴功率与转速的立方成正比,如6kV系列一级单元旁路时,输出能力为额定的80%,因此运行频率低于46.4Hz时,变频器仍能满足输出要求。实际上变频器选型时留有一定的余量,此频率要更高些。当负载较大,变频器旁路后满足不了输出要求时,变频器将自动降低运行频率,直到输出电流在允许范围内(如额定电流)。3.2.3控制系统控制系统由控制器,IO板和人机界面组成。控制器由三块光纤板,一块信号板,一块主控板和一块电源板组成。各部分之间的联系如图3.11 HIVERT变频器控制系统结构图所示。光纤板通过光纤与功率单元传递数据信号
15、,每块光纤板控制一相的所有单元。光纤板周期性向单元发出脉宽调制(PWM)信号或工作模式。单元通过光纤接收其触发指令和状态信号,并在故障时向光纤板发出故障代码信号。信号板采集变频器的输出电压、电流信号,并将模拟信号隔离、滤波和量程转换。转换后的信号用于变频器控制、保护,以及提供给主控板数据采集。主控板采用高速单片机,完成对电机控制的所有功能,运用正弦波空间矢量方式产生脉宽调制的三相电压指令。通过RS232通讯口与人机界面主控板进行交换数据,提供变频器的状态参数,并接受来人机界面主控板的参数设置。图3.11 HIVERT变频器控制系统图 变频器接线图:图3.12 变频器系统接线图人机界面为用户提供
16、友好的全中文操作界面,负责信息处理和与外部的通讯联系,可选上位监控而实现变频器的网络化控制。通过主控板和IO接口板通讯来的数据,计算出电流、电压、功率、运行频率等运行参数,提供表计功能,并实现对电机的过载、过流告警和保护。通过RS232通讯口与主控板连接,通过RS485通讯口与IO接口板连接,实时监控变频器系统的状态。IO接口板用于变频器内部开关信号以及现场操作信号和状态信号的逻辑处理,增强了变频器现场应用的灵活性。IO接口板有处理2路模拟量输入和2路模拟量输出的能力,模拟量输入用于处理来自现场的流量、压力等模拟信号或模拟设置时的设置信号;模拟输出量是运行频率和输出电流。接口板的输入输出均采用
17、了隔离措施,输入采用光电隔离,数字量输出采用中间继电器隔离。图3.13 接口板原理图4、产品构成及特征4.1 系统构成方案:变频器为HIVERT-Y06/039,为了充分利用变频器和保证系统运行的可靠性,系统共设置了三个切换柜。下图为高压变频器改造过程中高压变频器柜,变频器电源柜和三台切换柜。3#切换柜对应东台风机,2#切换柜对应西台风机,1#切换柜的手柄打到上位置时变频器输出对应2#切换柜,1#切换柜的手柄打到下位置时变频器输出对应3#切换柜。如图3.1所示,1#切换柜用于两台风机之间的变频切换,双投隔离开关QS置于位置1时,1#风机变频运行,置于位置2时2#风机变频运行。2#切换柜内有两个
18、双投隔离开关1QS和2QS,用于1#风机的变频和工频切换,隔离开关置于位置1时,风机变频运行,置于位置2时,风机工频运行。3#切换柜内亦有两个双投隔离开关QS3 和QS4,用于2#风机的变频和工频切换,隔离开关置于位置1时,风机变频运行,置于位置2时,风机工频运行。所有隔离开关均采用单刀双投方式,实现了1#风机和2#风机以及变频和工频之间的机械互锁。为实现变频故障的保护,变频器对上级断路器5QF进行连锁,一但变频器故障,将自动跳开5QF。在变频器未准备就绪或故障状态下,5QF合闸无效。变频器采用一拖二控制,一台风机的两台电机可以同时由变频器拖动运行,也可以单台电机由变频器拖动运行。两台电机由变
19、频器拖动运行时,电机可以正常退出运行,不需变频器停止运行;当单台电机由变频器拖动运行时,若需要另台电机投入运行,这时变频器应该停止运行,隔离开关操作到位后重新启动运行。4.2 变压器柜:变压器柜内装有为功率单元提供三相电源的移相变压器。柜门上还装设有干式变压器温度控制仪,为变压器提供温度告警和过热保护。柜门内侧装有行程开关,当柜门打开时告警。变压器和底座用螺钉连接成了一个整体,便于运输和安装。柜体吊环仅用于吊装变压器柜,不能用于带变压器的整体吊装。当需要整体吊装时,必须通过叉车孔,或者由变压器吊装孔吊装(见图4.2)。对于6kV变频器,变压器正面右侧是副边绕组接线区域,与功率单元的三相输入电缆
20、连接;接线柱与电缆的标号要一一对应。变频器的三相高压输入和输出从底部(通过地沟)或侧面(通过地面)进入变压器背面。输入电源接线在上部,直接进入变压器。输出在下部,从功率单元来,为电机提供变频电源,要根据电机的旋转方向调整相序关系。变压器柜顶部装有离心风机,在变压器底部同时装有6台冷却风机,每个铁芯柱的正面和背面各1个。图4.2 6kV变压器4.3控制/单元柜6kV单元柜内安装的功率单元从上到下分成三组,分别为A相、B相和C相。每相单元从右向左排列,如A相单元从右到左分别为A1、A2、A3、A4、A5。单元下端通过快熔接变压器副边输出三相隔离电源,额定电压690V,单元上端为单相输出,每组的五个
21、单元由铜排串联成一相,并且将每相的第一个单元短接,组成三相Y接,每相的第五个单元输出接变频器输出接线柱,即为变频器三相输出,额定电压6kV。功率单元安装在导轨上,由两个M8的螺钉与导轨固定。单元柜后部为通风道,冷空气通过前柜门过滤层,流经单元散热器,把功率单元内产生的热量带到后部通风道,由柜顶离心风机将热空气排到单元柜外。柜门外装有过滤层,用于阻挡粉尘进入单元内部。柜门内侧装有行程开关,用于柜门连锁,柜门打开时将发出告警。控制系统安装在柜的后右面,从上到下依次为控制器(内含光纤板、主控板、信号板、电源板)和IO接口板。电源开关及用户接线端子排在背面的右侧小门内,变频器输出接线柱在变压器柜背面的
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