高壓變頻器在煤礦濕式除塵風機上的應用

李莉麗

(臨沂大學山東臨沂276000)

0 引言

目前的礦井濕式除塵風機、風機傳動系統通過調節風機入口風門的開度來調節風量，電動機恒速運行。該方法存在著很大的弊端和局限:①把風量消耗在擋風板上，造成能量損耗。②風門擋板采用電動執行機構驅動，使用不便。③風門擋板調節風量造成擋風板前后壓差大，風門易磨損。④電動機全速運行，振動大、噪聲大、損耗大，軸承磨損嚴重。⑤電動機啟動電流大，影響電網穩定?？紤]上述因素，對其除塵風機進行了高壓變頻調速節能改造。改造后的系統調速精度大大提高，降低了設備的運行和維護費用，延長了電動機等設備的使用壽命，最終達到了降耗增效的目的。

1 除塵風機節能原理及負載參數

1.1 風機負載節能原理

根據風機學原理，在風機類負載的變風量、變壓力的運行狀況中，風量、風壓和消耗的能量之間有下面的關系:①風機風量和電動機轉速成正比。②風機風壓和電動機轉速的平方成正比。③風機消耗的軸功率跟電動機轉速的立方成正比。

圖1 風機類負載的運行曲線

其中，Q1，Q2為風機風量;H1，H2為風機風壓;節約的軸功率 ΔP;n1，n2為風機轉速。

根據電機學原理，系統采用變頻調節時，直接通過改變電動機輸入頻率來改變電動機的轉速，以滿足不同工況的需求。由于電動機消耗的能量與轉速呈立方關系下降，因此采用變頻調速的節電效果非常顯著。變頻調速方式調速范圍寬，線性度好，其本身的電子損耗低，因而無論在輕載還是滿載都有很高的效率。從圖1 所示的風機運行曲線就能分析出采用變頻調速后的節能效果。

當所需風量從Q1減小到Q2時，如果采用調節閥門的辦法，管網阻力將會增加，管網特性曲線上移，系統的運行工況點從A 點變到新的運行工況點B 點，所需軸功率P2與面積H2×Q2成正比;如果采用調速控制方式，風機轉速由n1下降到n2，其管網特性并不發生改變，但風機的特性曲線將下移，因此其運行工況點由A 點移至C 點。此時所需軸功率P3與面積HB×Q2成正比。通過實踐統計，風機類負載通過調速控制可節能20% ～50%。

1.2 負載參數

10 kV 除塵風機正常生產時處于長期運行狀態，無備用風機。電動機主要參數如下:

電動機型號YKK7108 －8

額定電壓10 kV

額定功率1 600 kW

額定電流119 A

額定轉速745 r/min

功率因數0.82

2 高壓變頻調速系統結構及控制功能

鑒于高壓變頻器在風機類負載節能應用中的突出優勢，采用高壓變頻調速系統對除塵風機進行變頻改造。高壓變頻調速系統主電路如圖2 所示，設置手動旁路柜，以便在變頻器故障時，風機仍能正常運轉;高壓變頻控制系統原理如圖3 所示。

2.1 工頻/變頻手動切換

QS1、QS2與QS3前后兩回路加入機械互鎖繼電器互鎖，避免兩回路同時導通。采用手動操作，在QF 分閘狀態下，用戶可手動切換系統的工頻或變頻工作狀態。當變頻器出現故障時，用戶可將系統切換至工頻狀態，風機在50 Hz 下全速運行，通過調節風門擋板的開口度來調節風量，從而保證系統的連續運行。

2.2 預充電功能

接通總電源瞬間，變頻器上濾波電容兩端電壓為0 V，若不對濾波電容進行限流預充電，大的沖擊電流可能燒壞保險和整流橋等。因此，在系統合閘之前必須對變頻器電容進行預充電，以減小沖擊電流。這里采用移相變壓器除了輸出24 路722 V 功率模塊三相電源外，還有一個380 V 輔助繞組。系統接通380 V 控制電源并準備就緒后，用戶操作合閘按鈕，變頻器自動啟動預充電過程，由變壓器的380 V 輔助繞組激勵出的24 路722 V 三相電源為各個功率單元模塊的電容進行預充電，直到模塊直流母線電壓超過800 V，預充電過程結束，系統自動合閘，接入10 kV 高壓。

圖2 高壓變頻調速系統主電路

圖3 高壓變頻控制系統原理

2.3 完善的保護功能

2.3.1 變頻器自身保護

變頻器每個功率單元模塊輸出端并聯旁路電路。當某個功率模塊發生故障時，封鎖對應功率單元IGBT 的觸發信號，切換至模塊旁路，保證變頻器不停機。為保證三相輸出電壓對稱，在旁路故障功率模塊的同時，對應的另外兩相的兩個功率模塊也同時切換至旁路運行。此外，變頻器設有過壓、過流、欠壓、缺相、過載、過熱等保護功能。

2.3.2 變壓器過熱保護

變壓器裝置內設有Pt100 溫度傳感器。在系統運行過程中，若變壓器內繞組溫度超過150OC，則系統自動跳閘，切斷變頻器10 kV 高壓，改由工頻直接啟動風機。

2.3.3 門限開關保護

系統運行過程中，除控制柜柜門可以打開外，旁路柜、變壓器柜和功率柜的柜門均應處于關閉狀態，以確保人身安全。帶電打開柜門也將導致高壓跳閘。

3 應用效果分析

再造后的高壓變頻煤礦濕式除塵風機自投運以來，取得了可喜的應用效果。與原工頻控制系統相比，顯示出了巨大的優越性。

1)系統運行穩定，安全可靠。高壓變頻器性能可靠，自正式投運以來，實現了連續無故障運行，運行狀態良好。此外，系統采用旁路柜實現工頻/變頻工況的切換，確保變頻器發生故障時，風機仍可以在工頻條件下繼續運轉。

2)節能效果顯著。為了對高壓變頻改造的效果進行評價，在系統投運前后，分別對設備工頻和變頻運行狀態下的風機電動機的單位產量的電量進行了測試和計算。變頻改造后，在滿足相同除塵工藝的條件下，節能率在45%以上。

3)延長了設備壽命，減少了噪聲污染。變頻器能夠通過平滑控制電動機來啟動風機進入工作狀態，避免了過去直接啟動高壓風機時7 ～8 倍的電流沖擊和機械振動，增加了風機設備的運行壽命，同時降低了廠房內的噪聲污染。

4)網側功率因數得到改善。高壓變頻改造后，可大大減小電網容量，降低無功補償設備的投資。

5)保護功能完善。變頻器自身具有過壓、過流、短路、缺相等多項保護功能，當電網和電動機發生異常時，立即切斷變頻器輸出，更精確地保護了電動機。

6)降低勞動強度。工頻運行時，值班人員需要根據生產現場的實際粉塵濃度，經常調節入口閥門開度。高壓變頻調速系統可在保持風門全開的情況下，通過改變變頻器的輸出頻率來調節風機轉速，提高了工作效率。

4 結語

隨著市場經濟環境的不斷變化，節能降耗已成為企業提高產品市場占有率和企業競爭力的有效手段。對煤礦濕式除塵風機進行高壓變頻調速節能改造，操作方便，維護量小，設備壽命充分延長，節電效果顯著，在冶金、電力、石油、化工、建材、市政等行業的應用前景十分廣闊。

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