變頻控制系統應用于風機上的可行性研究

薛淑杰

(潞安化工集團有限公司古城煤礦，山西 長治 046000)

0 引言

礦用主通風機是煤礦安全生產的根本保障，“不間斷運行”是對通風機系統最根本的要求。目前國內礦井煤炭產量激增，通風不但是煤礦安全生產的保證也是產量的保證[1-2]。通風設備大型化是必然的發展趨勢，到2008年底，國內大功率通風機配套電機最大已達到5 000 kW，從電控系統的角度來講，大功率電機在國內多數煤礦采用降壓軟起動方式，而在國外同領域基本都采用變頻驅動方式。采用變頻驅動方式最突出的特性就是節能，同時“零速度”起動方式可以大幅度降低對機械系統的沖擊[3-4]。

某煤礦對舊井主通風系統進行改造投運，礦井主通風機為FBCDZ-6-NO18 2×132 kW型主扇風機，驅動采用同步電動機，電源由10 kV開閉所雙回路供電，經KBSG-500/10干式變壓器降壓、KBZ16-400饋電開關直接起動投網運行。根據礦井120萬t設計年產量要求、礦井生產風量需要、瓦斯濃度影響，現有的風機無法滿足整體要求，且試驗礦井被認定為煤與瓦斯突出礦井。為保證礦井安全生產，響應公司以風定產的號召，改善舊井風量不足的現狀，在公司協助下開始對新井主通風機進行改造設計，將變頻控制運用到主通風機上進行試驗研究，證明風機變頻控制的可行性。

1 主通風機結構與性能參數

以FBCDZ系列通風機為研究對象，其采用機電一體化組裝結構電動機直聯方式，具有結構緊湊、自重小、運輸和拆裝方便等特點。與市場上眾多通風機結構類似，其主要部件包含電機、一級、二級主風機、消音器、風筒等組成。其中葉片為通風機的主要部件之一，其采用三維扭曲結構，彎掠正交型，可以使通風機運行時氣流保持平穩，振動現象微弱，具有很高的運行效率，通風機結構如圖1所示。

圖1 通風機結構Fig.1 Fan structure drawing

FBCDZ系列煤礦地面用防爆抽出式對旋軸流通風機主要參數見表1。

表1 主通風機主要參數Table 1 Main parameters of main fan

主通風機所需的正常工作條件見表2。

表2 主通風機所需的正常工作條件Table 2 Normal working conditions required for the main fan

2 變頻控制系統簡析

2.1 主通風機變頻控制系統構成

對旋式風機：FBCDZNo36-B 2×900 kW

電機：YBF800S2-900 kW(山西防爆)

高壓配電系統：KYN28A-12(正泰電器)

整流變壓器：ZTSFG-1400/10(保定天威)

變頻器：ACS5000(ABB)

低壓配電系統：MNS抽屜柜(正泰電器)

直流屏：GZDW-38 Ah(正泰電器)

UPS柜：APC-2200U-24Ah

PLC柜：DK-01(環能興業)

風機簡易設備布置圖及結構如圖2所示。

圖2 風機設備布置Fig.2 Fan equipment layout

如圖3所示，18臺高壓開關柜與6臺變頻器置于高壓配電室，3臺PLC柜、1臺UPS柜、2臺直流屏、3臺低壓柜、1臺低壓進線柜與1臺輔助系統低壓柜置于低壓配電室，操作臺、風機在線監測系統置于監控室。

圖3 變頻裝備布置Fig.3 Frequency conversion equipment layout

2.2 主通風機快速起動及切換控制研究

風機切換時間不多于10 min是“煤礦安全規程”中嚴格規定的，各礦根據實際情況不同還有更高的要求，主通風機采用的雙極軸流式靜葉可調式的風機，該風機的輪轂直徑較大加之電機轉子轉動慣量非常大，這些因素給停車造成了一些影響，最初的系統方案中擬采用機械抱閘的方式解決這一問題，但由于抱閘系統對風機機械系統的沖擊較大，后經反復論證利用ACS 5000變頻器的DTC控制技術采用“磁通制動方式”。電機轉速下降對比如圖4所示。

圖4 電機轉速下降對比Fig.4 Comparison of motor speed decline

磁通制動方式不同于標量或矢量控制方式“直流制動”，若采用直接轉矩控制(DTC)的方式便可實現電機轉矩與勵磁電流獨立運行，此時ACS 5000變頻器在設備停車時可通過給電機輸出一定頻率的勵磁電流在定子上產生不同的轉子旋轉磁場。通過阻尼磁場的影響大幅降低電機停車時間，這種方式相對于直流制動來說，不僅減少了電機的發熱還提高了停車的效率。

2.3 主通風機變頻驅動失電跨越功能的研究

當電壓出現瞬間閃斷時，原主通風機電機因采用同步電動機驅動在這種狀態下無法確保不間斷運行，新系統采用異步電動機但針對這一問題也無法徹底解決，為改善這一問題，在變頻驅動設備的功能設置上選擇了“失電跨越”功能，該功能源于直接轉矩控制技術，其根本在于變頻器可獨立控制輸出電流的I勵磁和I轉矩的2個分量，如圖5所示。

圖5 轉矩分量Fig.5 Torque component diagram

當遭遇雷擊或主系統變壓器切換時電網短時掉電或閃斷，變頻裝置能夠在保證電機持續運轉的情況下，不斷地把勵磁電流施加給電機但沒有轉矩電流，由于給電機施加了一定的勵磁電流，電機的轉動慣量可轉化為電能并向變頻裝置直流側反饋，變頻裝置直流電壓可以保持在適當的范圍內，這樣就保證了變頻裝置在電網閃斷時仍能對電機轉速進行持續控制，變頻裝置還可在電網恢復正常時根據電機運行的實時狀況控制電機轉速回到原先設定的值，這種功能在實際生產中很大的提高了井下通風安全性及持續性[5-8]。

2.4 主通風機變頻控制對改善礦井通風狀況分析

一般的通風機動力源多為工頻電動機，所以主通風機風量為固定數值，抽出風量不管何時均為定值，即使出現特殊情況，諸如部分掘進頭面瓦斯涌出量突然增大現象時，主通風機卻無法在短時間內很快將涌出瓦斯疏散，進而引發瓦斯超限、報警斷電、甚至更為嚴重的問題；而采用變頻控制系統的主通風機則不會出現此類問題，無論井下各工作面瓦斯含量涌出多或少，都可以通過調節主通風機頻率，增減主通風機轉速，進而達到改變抽出風量，增大或減少風壓的目的，保證井下通風一切正常，避免出現由于風量不足導致的瓦斯超限或其他安全問題[9-12]。

2.5 主通風機變頻控制節能試驗

采用變頻控制方式最直接的效果就是節能。常村礦原先選用的主通風機是動葉可調式的風機，由功率為2 000 kW的同步機進行驅動，風機動葉的角度能夠根據井下通風量需求的變動進行自動調節，但在實際運行中發現風機的運行效率較低。基于此，本文針對AGF37.5-22.4-1FB型通風機進行改造，通風機的運行效率高達85%，根據礦井通風要求選擇了2個工況點，這2個工況點是原風機系統運行的工況點，通風參數見表3。

表3 工況點通風參數Table 3 Ventilation parameters table at working points

對常村煤礦的節能效果進行分析，在礦井通風容易的時候軸功率為1 440 kW，在采用變頻調速度的方式時能夠把風機的效率提高到85%，因此風機的軸功率為1 204 kW，按每度電費為0.5元計算，一年能夠節省電費103.368萬元，在礦井通風困難的時候節省的電費可達141.5萬元。

若每臺變頻器的投資為400萬元，在礦井通風容易的時候收回成本的周期為3.86 a，在礦井通風困難的時候收回成本的周期則為3.04 a。因此，變頻調節技術對于礦井節能有著重要幫助。

3 主通風機變頻控制引發問題及防范措施

3.1 主通風機變頻控制引發的問題

主通風機采用變頻控制系統后各方面效果均很好，但也有個別問題存在，簡單分為2種：①倒風機過程中存在風量短路，井下很短時間無風或微風；②風門帶壓開啟或關閉困難。

3.2 防范措施

針對主通風機變頻控制引發的幾個問題，分析原因并提出相應措施進行防范。通過風阻控制系統在倒風機過程中出現問題時進行控制。通過風門打開的大小，控制通風網格阻力，使得工況改變，從而使得雙風機倒換過程中系統過渡平穩。多臺風機相互交替工作時，需要考慮在關聯時段風機的不穩定工作區，不穩定區段內風機容易發生喘振現象，能夠防止喘振的方法主要有：①關閉轉運風與開啟備用風門同時進行，備用風門開啟到可保證風機分量的百分之三十時再啟動備用風機，這樣操作可保證倒風過程中不出現無風或微風現象。②在喘振發生不可避免時，風門盡可能快速動作啟閉，縮短喘振工作時間，減少喘振帶來的損害。因此，雖然主通風機通過變頻控制系統操控，但是仍然會出現一些不可控的現象，不單單依靠設備的控制，同時人員的操作也同樣得具有較高的業務水平及操作技巧，這樣在利用變頻控制系統調節風速或是倒風機過程中，才會有效的避免風機出現喘振現象的發生，杜絕出現井下部分區域無風或微風現象。

4 結論

(1)通過對風機進行變頻控制設計改造，以及對風機變頻驅動失電跨越功能進行研究，設計的變頻裝置在電網閃斷時仍能對電機轉速進行持續控制，在實際生產中很大程度地提高了井下通風安全性及持續性。

(2)通過風機變頻控制系統節能實驗，表明在2種不同的工況下，變頻器的節能效率在3～4年內即可收回成本。

(3)分析變頻控制系統相對于普通電機控制的優勢，提出主通風機變頻控制可能引發的問題以及相應的防范措施。