五溝煤礦扇風機電機高壓變頻的應用

　　基本原理：它是由8個高壓隔離開關QS1～QS8組成（見左圖）。其中QS2和QS3,QS5和QS6安裝機械互鎖裝置；各隔離開關間有電氣互鎖。如果兩路電源同時供電，M1工作在變頻狀態(tài)，M2工作在工頻狀態(tài)時，QS3、QS7和QS4、QS5、QS8分閘，QS2、QS1和QS6處于合閘狀態(tài)；M2工作在變頻狀態(tài)，M1工作在工頻狀態(tài)時，與M1工作在變頻狀態(tài)，M2工作在工頻狀態(tài)時類似；如果檢修變頻器，QS3和QS6可以處于任一狀態(tài)，其它隔離開關都分閘，兩臺負載可以同時工頻運行；當一路電源檢修時，可以通過分合隔離開關使任一電機變頻運行。

　　特點：正常情況下，允許有一負載工作在變頻狀態(tài)，另一負載工作在工頻狀態(tài)，也可以兩臺都在工頻狀態(tài)。

　　同時工頻運行時1#電機通過QS7、QS3 ，2#電機通過QS8、QS6切換完成反風功能，變頻運行時通過變頻設備內(nèi)部設置即可完成電機轉向的正反方向的轉換完成反風功能。

　　2、控制系統(tǒng)方案

　　變頻系統(tǒng)控制方式可以采用下述4種方式，現(xiàn)場用戶可以根據(jù)實際情況采用相應的一種或幾種控制方式。

　　A、閉環(huán)控制方式

　　變頻系統(tǒng)可以根據(jù)現(xiàn)場要求在變頻操作界面上設定需要的壓力或流量值、或通過模擬給定形式給定需要的壓力或流量值，變頻設備根據(jù)設定值和現(xiàn)場壓力或流量的反饋值自動閉環(huán)控制調(diào)節(jié)設備轉速，使系統(tǒng)壓力或流量值運行在要求的設定值。

　　B、本控開環(huán)控制方式

　　變頻系統(tǒng)可以通過本控方式在變頻設備控制柜監(jiān)控界面手動設定負載設備需要運行的轉速值，變頻設備自動將負載設備傳動到要求轉速值。

　　C、總線控制方式

　　變頻系統(tǒng)也可以通過RS485、Profibus/Device Net 與工廠控制系統(tǒng)通訊進行協(xié)調(diào)控制。

　　D、遠控開環(huán)控制方式

　　變頻調(diào)速系統(tǒng)可由現(xiàn)場DCS監(jiān)控操作系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)控制，根據(jù)運行工況按設定程序，實現(xiàn)對負載設備電動機轉速控制。

　　具體控制接口情況如下：

　　變頻系統(tǒng)和現(xiàn)場DCS監(jiān)控操作系統(tǒng)進行通訊連接，從現(xiàn)場DCS監(jiān)控操作系統(tǒng)上發(fā)出變頻器的啟動、停機等信號。變頻器反饋以下信號接入到現(xiàn)場監(jiān)控操作系統(tǒng)上： (1)報警及故障信息：重故障報警、輕故障報警；(2)調(diào)速裝置的狀態(tài)信息：待機狀態(tài)、正常運行狀態(tài)、故障狀態(tài)、系統(tǒng)旁路狀態(tài)；（3）電機電流、轉速、電壓等。

　　以下為變頻器與現(xiàn)場DCS監(jiān)控操作系統(tǒng)系統(tǒng)具體接口：

　　1）．變頻器需要提供的開關量輸出6：

　　(1) 變頻器待機狀態(tài)指示：表示變頻器已待命，具備啟動條件。

　　(2) 變頻器運行狀態(tài)指示：表示變頻器正在運行。

　　(3) 變頻器控制狀態(tài)指示：節(jié)點閉合表示變頻器控制權為現(xiàn)場遠程控制；節(jié)點斷開表示變頻器控制權為本地變頻器控制。

　　(4) 變頻器輕故障指示：表示變頻器產(chǎn)生報警信號。

　　(5) 變頻器重故障指示：表示變頻器發(fā)生重故障，立即關斷輸出切斷高壓。

　　(6)電機在工頻旁路：表示風機電動機處于工頻旁路狀態(tài)。

　　以上所有數(shù)字量采用無源接點輸出，定義為接點閉合時有效。除特別注明外，接點容量均為AC220V、3A/DC24V，1A。

　　2）．變頻器需要提供的模擬量2路：

　　(1) 變頻器輸出轉速

　　(2) 電機電流

　　變頻器提供2路4～20mADC的電流源輸出（變頻器供電），帶負載能力均為250Ω。

　　3）．需要提供給變頻器的模擬量1路：

　　(1)變頻器轉速給定值

　　現(xiàn)場提供1路4～20mADC二線制電流源輸出，帶載能力必須大于250Ω，4～20mADC對應轉速低高限，須呈線性關系。

　　4）．需要提供給變頻器的開關量有2路：

　　(1) 啟動指令：干接點，3秒脈沖閉合時有效，變頻器開始運行。

　　(2) 停機指令：干接點，3秒脈沖閉合時有效，變頻器正常停機。

　　5、變頻器與其他電氣設備接口

　　1）．變頻器給高壓開關柜的有2路：

　　(1)高壓緊急分斷：變頻器出現(xiàn)重故障時，自動分斷高壓開關，閉點有效。

　　(2)高壓合閘允許：變頻器自檢通過或系統(tǒng)處于工頻狀態(tài)，具備上高壓條件，閉點有效。

　　以上所有數(shù)字量采用無源接點輸出，定義為接點閉合時有效。除特別注明外，接點容量均為DC220V，3A。

　　2）．高壓開關柜給變頻器的狀態(tài)信號1路：

　　(1)高壓開關分閘信號：高壓開關處于分斷時，輔助節(jié)點閉合；1個。

　　變頻系統(tǒng)具有如下特點：

　　變頻系統(tǒng)，既可以變頻調(diào)速運行，也可以投工頻運行；

　　為變頻器提供的交流220V控制電源掉電時，變頻器可以通過內(nèi)部配置UPS供電使控制系統(tǒng)繼續(xù)運行達30分鐘；現(xiàn)場如果采用交、直流220V雙路供電時，變頻裝置能按照交流電源優(yōu)先的原則進行交、直流無擾切換供電，保證供電可靠性。

　　在現(xiàn)場速度給定信號掉線時，變頻器提供報警的同時，可按原轉速繼續(xù)運轉，維持機組的工況不變；

　　3、有關變頻改造后風機效率情況說明

　　風機設備工頻運行時，為保證生產(chǎn)工藝要求的壓力及流量值，一般通過改變風門擋板的開度滿足要求，相應的風道風阻曲線也會發(fā)生變化；故工頻運行擋板調(diào)節(jié)方式是一種保持風機特性曲線及效率范圍不變，改變風道風阻曲線來滿足實際工藝需求的方式，由于風道風阻曲線的變化就有可能會出現(xiàn)風機運行在低效率區(qū)的情況。

　　主扇風機變頻改造后，其各轉速點的壓力和流量曲線相對工頻時的曲線是平行往下移動的，相應的各速度點的風機高效運行區(qū)也是跟著各轉速點的壓力和流量曲線移動的；變頻改造后，在保持風道風阻曲線不變的情況下，通過調(diào)節(jié)風機轉速達到滿足工藝要求壓力和流量的目的；故變頻運行調(diào)節(jié)方式是一種保持風道風阻曲線不變，改變壓力和流量曲線來滿足實際工藝需求的方式，由于風機效率曲線是跟著各轉速點的壓力和流量曲線移動變化的，故變頻改造后能保證風機一直運行在高效率區(qū)。

　　4、系統(tǒng)散熱方案

　　高壓變頻器屬于大型電子設備，對環(huán)境要求比較嚴格。統(tǒng)計多臺設備的運行情況，由于現(xiàn)場環(huán)境溫度過高而引起的設備故障比例較大，因此總結了三種方案為：1、加裝風道；2、加裝空調(diào)；3、加裝空冷器。三種方案各有其適用的范圍。

　　1、加裝風道。常規(guī)的設計是在機柜上面安裝風道，將變頻器產(chǎn)生的熱量直接排放到室外，由變頻器室的進風口不斷補充冷風，對系統(tǒng)進行冷卻。在使用中需要注意的是如果變頻器柜頂風機距出風口較近（小于2米，中間無轉折），出風口可不加裝輔助排風機，否則需加裝排風機。如果進風口的現(xiàn)場施工存在不便，風道需有轉折，則可以考慮加裝風機強迫進風。

　　加裝風道的優(yōu)點是成本低，可靠性高，散熱效果良好。適用于現(xiàn)場環(huán)境比較清潔的場合，否則就需要經(jīng)常清洗濾網(wǎng)。

　　2、加裝空調(diào)就是把高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)放置于一個比較封閉且相對狹小的房間內(nèi)（主要是可以減小空調(diào)的容量），但要滿足系統(tǒng)維護的需要，然后在房間內(nèi)安裝空調(diào)，通過空調(diào)內(nèi)部的循環(huán)將高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量排到室外?？照{(diào)總體的制冷量為變頻器的發(fā)熱量加上空間制冷所需的制冷量。變頻器發(fā)熱需要根據(jù)運行工況選擇，考慮一定的裕量，最大發(fā)熱量為變頻器額定功率的4%，如果長期運行頻率低于40Hz，則發(fā)熱量可按照變頻器額定功率的2%進行估算。空間制冷所需的制冷量，一般每平方米可以按照150瓦特計算。

　　加裝空調(diào)的優(yōu)點是由于沒有室內(nèi)外空氣的直接流通，容易保持室內(nèi)環(huán)境的清潔，但是空調(diào)的可靠性會影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，初次投資和運行成本會相應增加。

　　3、加裝空冷器?？绽淦魇且环N利用高效、環(huán)保、節(jié)能的冷卻系統(tǒng)，其應用技術在國內(nèi)處于領先地位。從變頻器出來的熱風，經(jīng)過風管連接到內(nèi)有固定水冷管的散熱器中，散熱器中通過溫度低于33℃的冷水，熱風經(jīng)過散熱片后，將熱量傳遞給冷水，變成冷風從散熱片吹出，熱量被循環(huán)冷卻水帶走，保證了變頻器控制室內(nèi)的溫度恒定。

　　四、風機變頻調(diào)速節(jié)能分析及計算

　　1、現(xiàn)場設備數(shù)據(jù)：

　　五溝煤礦風機運行工況調(diào)查表

　　1、設備基本情況表（銘牌）：

　　2、工頻狀態(tài)下耗電計算

　　Pd：電動機功率 ； d：電動機效率 ； U：電動機輸入電壓 ；

　　I：電動機實際運行電流 ；cosφ：功率因子。

　　計算公式：Pd = ×U×I×cosφ  …①

　　然后將電機實際工頻下運行的電流代入上面的公式，得出電機工頻狀態(tài)下的功率Pd

　　實際計算方法：工頻運行下功率：Pd= ×6.3×38.7×0.85=358.9KW

　　3、變頻狀態(tài)下年耗電量計算

　　1）、風機類負載的運行特性及管路性能曲線的繪制與計算：

　　Pd’：電動機軸功率；P′：風機軸功率 ； ：電動機效率 ； ：變頻器實際效率 ；

　　Q：出口流量 ；H：出、入口壓力差。

　　風機設備屬平方轉矩負載，其轉速n與流量Q，壓力H以及軸功率P具有如下關系：Q∝n ，H∝n2，P∝n3；即，流量與轉速成正比，壓力與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比。通過風機數(shù)據(jù)，依據(jù) 公式可依次求得風機在采用變頻調(diào)速運行時對應的風機總功耗  。

　　另有，電動機效率 與電動機負荷率β之間的關系如圖一所示。

　　變頻器的效率 與電動機負荷率β之間的關系如圖二所示。

　　我礦扇風機房年用電量298萬度，如按節(jié)電18.6%計算，則年節(jié)電55.4萬度，綜合電價0.61元，年節(jié)約資金33.79萬元。

　　計算說明：

　　現(xiàn)場設備變頻改造后實際節(jié)電效果僅僅與現(xiàn)有設備工頻運行時的工況及電流有關，與節(jié)電計算是沒有關系的；好的節(jié)電計算僅僅能達到能為設備變頻改造提供比較準確的節(jié)電率估算的作用；變頻改造后，不管采用什么品牌的變頻器，在設備能夠穩(wěn)定運行的情況下其節(jié)電效果是基本相同的；品質(zhì)優(yōu)良的變頻設備能夠很好的保障用戶的節(jié)能效果和在各種生產(chǎn)過程正常高效地運行。

　　五、應用高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生的其他效果

　　1、維護量減少。采用變頻調(diào)速后，無論哪種工藝條件，隨時可以通過調(diào)整轉速使系統(tǒng)運行在工藝要求的狀態(tài)下工作。

　　2、提高設備的使用壽命，大大降低維修費用以及時間。

　　3、工作強度降低。變頻調(diào)速系統(tǒng)可由主控系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)控制，根據(jù)運行工況按設定程序，實現(xiàn)對負載電動機轉速自動控制。大大降低了勞動強度，提高了生產(chǎn)效率，為優(yōu)化運營提供了可靠保證。

　　4、減少了對電網(wǎng)的沖擊。采用變頻調(diào)節(jié)后，系統(tǒng)實現(xiàn)軟啟動，電機啟動電流遠遠小于額定電流，啟動時間相應延長，對電網(wǎng)無大的沖擊，減輕了起動機械轉矩對電機機械損傷，有效的延長了電機的使用壽命。

　　5、提高功率因數(shù)

　　電壓源型變頻器功率因數(shù)可達0.96,采用變頻調(diào)速系統(tǒng)后，無需無功補償裝置就能滿足電網(wǎng)要求。不但提高了廠變及其它相關電氣設備的利用率、而且節(jié)約了線路能量損失，節(jié)約了經(jīng)費，可謂一舉多得。

　　6、完善的故障診斷和保護功能

　　變頻器具備對電機和變頻器本身完善的保護功能，如過熱、過載、過流、過壓、缺相、接地等，從而避免設備在不正常狀態(tài)下長時間運行，保證設備不至于損壞。并且，故障信息可以準確地指示故障點，變頻器使用說明書中還有引起故障的原因及排除故障的措施，極大地方便了維護人員排查故障。

　　曹啟申，男，1977年6月出生，籍貫：安徽淮北，畢業(yè)于淮南工業(yè)學院電氣自動化專業(yè)，現(xiàn)任機運事業(yè)部電氣主管，工程師，從事四大件電氣技術維護、管理工作。