超大功率高压变频器的应用研究

� 电气技术与自动化 � 张利军,等� 超大功率高压变频器的应用研究 http: � ZZHD. chinajou rna.l n et. cn� E�m ai:l ZZHD@ chain ajou rna.l n et. cn �机械制造与自动化 � 作者简介:张利军 ( 1975� � ) ,男,山西阳泉人,师,学士,从事机电技术工作。 超大功率高压变频器的应用研究 张利军 1, 孙瑞平 2 ( 1. 阳泉煤业集团有限责任公司, 山西 阳泉 045000; 2. 太原理工大学 阳泉学院,山西 阳泉 045000) 摘 � 要: 为了实现节能降耗,新元公司对韩庄主通风机启动和运行方式进行技术改进。通过对改进 前后主通风机运行情况的对比,明改进后电能大幅度降低、主通风机的控制水平也得到提高。 关键词 :超大功率高压变频器; 节能分析;应用效果 中图分类号: TM 433� � 文献标志码: B� � 文章编号: 1671�5276( 2011) 02�0156�03 Application Research on Superpower H igh Voltage Frequency Gonverter ZHANG L i�jun1, SUN Rui�ping2 ( 1. Yangquan Coa l Industry G roup Co. , L td. , Yangquan 045000, Ch ina; 2. Ta iyuan un iv ers ity o f techno logy Yangquan C ollege, Y angquan 045000, Ch ina) Abstrac t: In ord er to fulf il saving en ergy and reducing consum pt ion, the start ing and runn ing technology of ma in fan m ach ine is im proved in X in�yuan coal com pany. By comparing th e runn ing condit ion of the updatedm ain fan m ach ine w ith the older one, it is found that electrical pow er is reduced on a large scale and the con trol level ofm ain fanm ach ine is Im proved. K ey words: superpow er h igh voltage frequen cy converter; save energy ana lysis; appl ied effect � � 新元公司井田位于沁水煤田西北部,系阳煤集团寿阳 区新开发的矿井之一 ,矿井生产能力为 600万吨 /年。 经权威机构鉴定, 矿井为高瓦斯突出矿井。为此,矿井一 期选用了当时亚洲最大的 5 000 kW 轴流式通风机作为主 通风设备, 启动方式为三级变频高压软启动。此种启动方 式采用可控硅串联技术,通过控制可控硅的导通角来实现 有级调频和无级调压的功能,最大特点就是降低了启动电 流, 减小了启动负荷。该风机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,电机全速运行,节电不明显。为 了优化主扇通风系统启动和运行方式,二期韩庄主扇采用 了高压变频调速装置。 0� 前言 根据所需风量及其要求,新元公司韩庄主扇选用航空 工业沈阳发动机研究所风机厂 AGF606- 3. 8- 2. 0- 2型 轴流矿用通风机两台 (配备电动机功率 6 000 kW, 电压 10 kV ),一台工作, 一台备用。由于矿井前后期负压变化很 大以及为了满足不同运行工况的要求,风机动叶角度可进 行停机联动调节。高压变频调速装置选用了两套荣信公 司生产的 RHVC- A10 /7500- F型大容量高压变频器,分 别拖动两台风机。高压变频器采用功率单元串联多电平 技术, 谐波成分小,功率因数高。 1� 通风设备技术特征 通风机型号: AGF606- 3. 8�2. 0�2动叶外径: 3 800mm 轮毂直径: 2 000 mm;叶轮级数: 2; 电动机型号: YKS1000- 8; 额定功率: 6 000 kW; 额定 电压: 10 000 V; 额定电流: 413 A; 转速: 746 r /m in; 反风方式: 停机后,直接反转实现反风。 2� 变频调速装置主要参数及特点 2. 1� 主要技术参数 变频器型号: RHVC - A10 /7500 - F适配电动机: 10 kV /6 000 kW 变压器: 7 500 kVA。 技术: 交 -直 -交、高 -高方式谐波:电压 � 4% ; 电流 � 4%。 2. 2� 变频控制方案 1) 变频装置类型选用交�直�交多电平高�高方式; 2) 具有良好的频率调节性能, 能根据负荷的变化及 时有效地实现频率调节。 3) 采用多脉波整流, 整流脉波不低于 48脉波以消除 变频调速系统产生的频率低于 30 H z的谐波, 对电网谐波 的影响减至最小,对本体控制系统就地控制柜无谐波影响。 4) 变频装置设以下保护: 过电压、过电流、欠电压、缺 相保护、短路保护、超频保护、失速保护、变频器过载、电动 机过载保护、半导体器件的过热保护、瞬时停电保护等,并 能选择性的联跳输入侧 10 kV开关, 同时进行故障报警并 将故障信号发送到风机控制系统,由风机控制系统启动备 用风机运行。 5) 变频装置带故障自诊断功能,能对所发生的故障类 �156� � 电气技术与自动化 � 张利军,等� 超大功率高压变频器的应用研究 M achine B uilding Automa tion, A pr 2011, 40 (2 ): 156 ~ 158 型及故障位置提供中文指示, 能在就地显示并远方报警, 便 于运行人员和检修人员能辨别和解决所出现的问题。 2. 3� 变频控制性能特点 1) 通过变频装置调节风机转速, 是使扇叶角度调节 在高效率区工作, 然后通过变频装置改变风机转速来调节 风机为所需风量, 即调节工况点 (风量、风压 ), 使风机在 最佳工况点、最高效率区运行, 节能效果显著。 2) 变频装置在调速节能的同时, 也兼有主通风机软 启动功能。主通风机功率很大,直接启动电流非常大, 对 电网的冲击严重, 对风机扇叶、轴和电动机的绝缘等造成 威胁。有了变频装置的软起功能, 风机的启动冲击和影响 不复存在, 将大大延长电动机、风机及扇叶轴等的寿命,降 低维护和维修费用。 3) 变频器的使用将大大提高系统的可控性。通过 PLC 控制器和上位机实现自动控制, 系统监控范围包括: 高低压 配电、风门开关过程、变频器输出频率、电动机各种保护、风机 风量、压力、震动等方面,可完全实现闭环自动控制。 3� 高压变频调速装置系统原理 3. 1� 变频系统主接线原理图 (图 1) 图 1� 变频系统主接线原理图 1) 变频运行: QF1与 QF2闭合、QF3断开, 1号变频 器拖动 1号主扇变频运行 ; 或 QF4与 QF5闭合、QF6断 开, 2号变频器拖动 2号主扇变频运行。 2) 工频运行: QF1与 QF2断开、QF3闭合, 1号主扇工 频运行;或 QF4与 QF5断开、QF6闭合, 2号主扇工频运行。 3) 闭锁: 当 QS3闭合时,风机系统同一时刻只能有一 台电动机在变频下运行, 当 QS3断开后,系统同一时刻只 能有一台电动机可工频旁路运行。 4) 变频切换至工频: 当风机在高效率区工作或接近 满负荷时 (即节电效果不明显时 ), 主扇在变频拖动下完 成启动后, 变频器停机,变频器输出柜开关断开,在风机还 处于高速运转状态下 ,快速自动投入本机工频旁路拖动主 扇运行。 3. 2� 变频器拓扑结构 [ 1] 变频单元串联多电平技术的高压变频输入侧的整流 变压器是采用绝缘等级为 H 级的干式变压器, 原边绕组 连接到电网的 10 kV高压输入端, 副边有 24个二次绕组, 采用延边三角形设计, 在高压变频器每相分为 8个不同的 相位组, 互差一定的电角度,经整流形成 48脉波的二极管 整流电路结构。 每个变频功率单元交流电源电压为 720 V, 则 8个串 联叠加后相电压就变为 10 kV。同样的把相同的 3组以相 差 120�组成 3组星型连接时, 就构成三相交流高压且线 间电压为 10 kV。因此,每个交流电源如果是由单相输出 720 V的变频器产生, 便可以得到额定为 10 kV的可变电 压可变频率的高压电源也就是 10 kV高压变频装置。通 过高压变频控制机控制每个变频功率单元的单相输出电 压幅值和频率来控制施加在电动机上的正弦波高压幅值 和频率, 从而按要求控制电动机速度。 3. 3� 变频功率单元 [ 1] 功率单元串联多电平高压变频器的一个功率单元原 理如下: 它是基本拓扑为交�直�交三相不可控整流 /单相逆变 的变频器,即此变频器是三相 720 V交流输入,单相 720 V 交流输出。整流侧为二极管不可控整流,将输入的三相交 流整流并经电容滤波成直流;逆变侧为 IGBT模块的 H 桥 单相逆变, 通过对 IGBT逆变桥进行正弦调制的 PWM 控 制,可将直流逆变得到正弦 PWM单相 0~ 720 V交流输出。 4� 变频节能分析 4. 1� 理论基础 轴流风机因为扇叶角度可以调整能够取得一定的节 能效果。但因为具体通风系统的工况点在不同时期是变 化的, 一台主通风机没有办法兼顾各个时期的工况, 因此 在某些时期风机是工作在低效率区的,所以仅是依靠调节 扇叶角度调整工况点仍然比较耗能。 风机属于平方转矩负载, 风机的风量 Q与转速 n成 正比, 而风机的功率 P与转速 n的立方成正比。 风机风量 Q = k1 n 风机风压 H = k 2 n2 风机功率 P = k3n3 采用变频装置以后,通过变频降低风机转速为主,配 合扇叶角度调整为辅, 将风机的各个时期的工况点调整到 比较高的效率区, 风机电能消耗将大幅度降低。 4. 2� 节能核算 [ 1] 经核算, 正常通风时期需要通风机风量为 600 m3 /s (已含漏风系数及风量富裕系数 ), 风压为: 容易期 2 558 Pa, 困难期 5 460 Pa。以下对节电效果最不明显的困难期 (风量为 600 m3 /s, 5 460 Pa)为例进行节能核算: �157� � 电气技术与自动化 � 张利军,等� 超大功率高压变频器的应用研究 http: � ZZHD. chinajou rna.l n et. cn� E�m ai:l ZZHD@ chain ajou rna.l n et. cn �机械制造与自动化 � a) 不上变频仅调整扇叶角的能耗核算 不上变频时, 风机速度不变化一直工作在额定转速 740 r /m in。此时的风机特性曲线如图 2所示。依据困难 期的 �风量 600 m3 / s, 风压 5 460 Pa, 阻力系数 R2 = 0. 015 167�和通风管网特性曲线方程 H = R 2 �QP2P,核算 出此阶段的矿井管网阻力特性曲线如图 2曲线 �。此时 只能将扇叶角度调整到 0�的角度, 0�风机特性曲线与通 风管网特性曲线的交汇点为实际工况点,则实际工况点为 (风量为 615 m3 / s, 5 737 Pa),在风机的 0. 88效率区.根据 通风机性能曲线通风机工况点参数,计算电机实时功率。 风机轴功率 P = ( Q �H ) /( 1 000 � ) = ( 615 � 5 737) / ( 1 000 � 0. 88) = 4 009 kW 考虑电动机的效率 0. 967, 则实际耗电为: 4 009 kW / 0. 967= 4 146 kW 图 2� AGF606- 3. 8- 2. 0- 2风机性能曲线 (n= 740 r /m in) b) 变频调速系统能耗核算 当扇叶在 0�的角度时工况点交到 (风量为 615 m3 / s, 5 737 Pa), 而此时仅需风量 600 m3 /s, 风机风量 Q = K 1 n, 所以风机转速应同比降低,故通过变频装置控制风机速度 降低为: 600 615 = n1 740 r/m in 则: n1= 722 r/m in, 风机速度调整到 722 r/m in, 则此时风 机轴功率: P = ( n2 /n1) 3 �P 1 = ( n2 /n1) 3 � (Q �H ) /( 1 000 � ) = ( 722 /740) 3 � ( 615 � 5 737) /( 1 000 � 0. 88) = 0. 929 � 4 009 = 3 724 kW 考虑变频装置的效率 0. 97,电动机的效率 0. 967实际 耗电为 3 634 kW /( 0. 97 � 0. 967) = 3 970 kW c) 年节电费 全年的节电为 ( 4 146- 3 970) kW � 8 760 h= 858 480 kWh = 154万度,按 0. 46元 /度核算,每年节约电费约 71万元。 5� 应用效果 1) 节电效果显著。一方面, 采用变频调速装置使风机 不再处于 (一定风叶角度下 )满负荷工作状态,电动机实时功 率明显降低,风机运行在高效区, 从而节约了大量电能;另一 方面,利用调节频率来调节风机转速,按需调节风量,大大减 少了为了调节风机工况而进行调节风叶角度的停机启动次 数 ( 6 000 kW通风机每次起机电费在 25万元以上 )。 2) 维护量减少。采用变频调速装置启动平稳, 低速 运行, 风机的振动、噪声和温度明显降低,相应地延长了风 机组件和零部件的寿命。延长了检修周期,减少了检修工 作量, 节约大量维护费用。 3) 避免了对电网的冲击。风机采用变频调速装置软 启动, 降低了启动扭矩和启动电流, 对电网无冲击。 4) 风机自动化程度提高, 可操作性增加, 改善了工人 的工作条件。风机在正常运行时噪声明显降低,改善了值 班人员的工作环境。 6� 结语 煤矿主通风机采用变频调速装置, 不但实现了软启 动, 降低了启动扭矩和启动电流。而且可根据巷道的风量 需求方便地进行调速,提高了主通风机的控制水平, 降低 了电能消耗, 应用效果十分理想。 参考文献: [ 1] 阳煤集团新元煤矿韩庄 2期主通风机高压变频系统 � EMC合 同能源方式 �技术方案 [ J].鞍山:荣信公司, 2009. 收稿日期: 2010�08�26 欢迎投稿 � 欢迎刊登广告 � 欢迎订阅 �158�