交直交高压变频器在煤矿主通风机中的应用 |
| 2013-01-20 12:44 作者：周向东 来源：硅谷网-《硅谷》杂志 HV： 编辑： 【搜索试试】
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据《硅谷》杂志2012年第21期刊文称，矿风井主通风机通过采用交直交高压变频器，实现通风机运行的变频调速，取得显著的节能效果，降低通风机的机械强度和电气冲击，延长使用寿命，提高负载功率因素，杜绝工作人员的误操作现象，提高通风机的安全运行系数和运行周期。阐述变频器调速的原理，介绍交直交高压变频器的系统结构和工作原理。
关键词：煤矿主通风机；交直交高压变频器；节能
0引言
煤矿主通风机用于向井下提供新鲜风流、排除污浊空气和有害气体，是煤矿安全生产的主要用电设备之一，平均电耗约占煤矿电耗的15%，其节能运行在煤矿节电中占有重要的地位。煤矿主通风机在设计选型时，往往以最大开采量时所需的风量为依据，一般都留有余量，无法进行调速运行，只能通过调整风机叶片角度和风道挡板来控制风量和风压。这种办法虽然简单，但很不经济，运行中通风阻力增大造成电能的大量浪费，且通风能力余量越大浪费越大。全国各大中小型煤矿企业中，普遍存在主通风机运行效率低，浪费严重的问题。在风机的实际使用中，运行效率只有少数达到70%，通常为50%，少数仅为30%左右。利用变频调速技术实现通风机的风量调节将是最理想、最有效、最节能的调节方法。
1通风机及变频器技术参数
我矿主通风机采用南阳防爆集团有限公司的FBCDZNo.25/2×250型轴流式通风机，电机额定功率：2×250kW。变频器采用HIVERT-Y06/077交直交高压变频器，额定输入电压：6kV，额定输出电压：6kV，额定输出容量：800kVA，输出频率范围：-50Hz～50Hz，频率步进：0.01Hz，调制技术：空间矢量控制的正弦波PWM技术，冷却方式：强迫风冷。
2变频器原理概述
交直交高压变频器由移向隔离变压器、功率单元和控制系统组成。
2.1移相隔离变压器
移相隔离变压器为干式变压器，采用强迫风冷；原边为Y接法，与进线高压直接相连；副边绕组为延边三角形接法，副边绕组间有一定的相位差。
副边绕组为功率单元提供电源，绕组间相位差由功率单元数量及变频器电压等级而定。我矿采用的HIVERT-Y06/077交直交高压变频器每相串联5个功率单元，单元额定电压690V，输出相电压3450V，输出线电压6000V，移相角度12°，每相电压有11个电压等级。功率单元的输出电压经过功率单元串联叠波升压后，三相输出采用Y接线，中性点悬浮，得到线电压为6000V的可变频三相高压电源。串联的功率单元在增加电压等级数的同时，相邻电压等级之间的电压变化值大为减低，减少了dv/dt对主通风机电机绝缘的破坏，并明显降低了变频器输出电压的谐波含量。
2.2功率单元
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。
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IGBT的导通和关断，输出单相脉宽调制波形。
功率单元具有单元旁路功能，当某个单元发生熔断器故障、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IGBT封锁输出，可控硅导通，以保证变频器连续工作，并发出旁路告警。
每个功能单元内有独立的一块控制板和一块驱动板。控制板通过光纤接收来自控制器的信号，经接收解码器解码后用于对IGBT及旁路开关（可选）的控制。同时，控制板上还有各种单元故障检测电路，如过热检测、缺相检测、直流母线过压检测、电源故障监测、光纤故障监测、驱动故障检测等，这些故障信号经过故障编码逻辑电路编码后，由光纤发送回控制器，实现故障保护（接口板输出故障保护跳闸及故障报警指示）和故障记忆（人机界面记录并显示故障原因、时间、位置）。
2.3控制系统
变频器的控制系统由I/O接口板、控制器和人机界面三个部分组成。控制器由一块电源板、三块光纤板、一块主控板和一块信号板组成。
电源板可以提供±15V、＋5V的电源，分别对信号板与控制板供电。
光纤板与功率单元之间采用光纤进行数据信号传输，每一相串联的所有功率单元由一块光纤板控制。光纤板周期性发出工作模式或脉宽调制（PWM）信号至功率单元。功率单元接收光纤板发出的状态型号和触发指令，并且在发生故障及时反馈故障信号至光纤板。
主控板与人机界面主控板通过RS232通讯端口进行数据交换，接受来自人机界面主控板的参数设置，并将变频器运行状态参数提供给人机界面主控板。主控板通过数字信号处理器（DSP），采用正弦空间矢量方式产生脉宽调制的三相电压指令，实现控制电机的功能。
信号板将变频器的输出电流、电压等模拟信号隔离、滤波和转换量程，并将处理后的信号用于变频器的保护、控制和主控板的数据采集。
人机界面采用友好的全中文操作界面，负责接收外部通讯和处理信号。将主控板和I/O接口板传输过来的数据进行处理与计算，并将电压、电流、运行频率、功率等运行参数实时显示，可以实现主通风机电机的过流报警、过载和保护处理。
3HIVERT交直交高压变频器特性
HIVERT交直交高压变频器输入侧通过隔离变压器副边绕组移相，采用30脉冲二极管整流输入，为功率单元提供隔离电源，可消除单个功率单元引起的大部分谐波电流。
HIVERT交直交高压变频器采用单元串联脉宽调制叠波技术（或功率单元多重化技术），明显降低了变频器输出电压中的谐波含量，电压输出波形为几乎接近标准的正弦波形，具有以下优点：
1）不需要在输出端增设滤波装置；
2）电机不需因谐波而降额使用；
3）可使主回路电机、电缆绝缘免受dv/dt应力的损伤；
4）没有谐波引起的脉动转矩，可延长电机和机械设备使用寿命。
4变频调速控制下风机耗电统计
我矿目前主通风机风叶角度-6°，以其变频运行耗电和工频运行耗电进行对比分析，耗电见表1所示。根据我矿生产实际需要，目前风井使用1台通风机运行在35Hz频率下可以满足井下供风要求，由表1可以看出每月可以比工频运行节约62640度电量，费用约为5.6万余元。
序号 运行频率（HZ） 变频器输出功率（kW） 变频器输出电压（V） 变频器输出电流（A） 风机转速（RPM） 全压（Pa） 风量（m3/s）
1 25 32 3000 27.5 371 -310 48.2
2 35 70 4200 30.2 516 -600 50.3
3 40 84 4808 29.7 589 -600 51.4
4 工频（50） 157 6000 31.7 737 -1150 54.1
表1变频运行及工频运行风机数据统计
5结论
交直交高压变频器在矿井通风机中的应用实现了矿井通风机的节能运行，节约了大量能源；通风机大部分时间工作在低速状态下，因而大大降低了通风机的机械强度和电气冲击，延长了使用寿命；该变频器采用30脉冲二极管整流输入方式可以大大改善网侧的电流波形，使其负载下的网侧功率因素达到0.98；减少了工作人员，杜绝了工作人员的误操作现象，提高了通风机的安全运行系数和运行周期。 |
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