大功率主通风机变频控制关键技术分析

摘要:文章以潞安化工集团古城矿鲍店风井大功率主通风机设计选型为例，就变频拖动方案中的关键技术，如应对雷雨季节电网波动、风机平稳调速、谐波影响、控制电机反转、PLC控制系统设计等，提出针对性的技术方案及系统配置要求，对主通风机选择变频控制型式的矿井具有指导意义。

关键词:大功率;变频拖动;变频器;电网波动

矿井通风机是矿山的重大安全设备之一，通风机的正常运行，直接关系到矿井的正常安全生产和人员的生命安全。为了解决风机启动过程冲击电网、雷雨天气电压大幅波动以及故障状态快速切换风机等问题，2009年始，潞安化工集团就以下属矿井常村矿中央轴流式及高压变频技术研制与应用项目为依托，历时15个月，顺利实现了大功率主通风机变频集控闭环节能高效运转，取得了5方面成效:①避免因电网电压波动引起风机故障停机、瓦斯超限事故;②风机切换时间从原先的10min大幅减小到3min，反风时间减少到5min;③使大马拉小车的矿井主通风机节能运行，电动机效率不低于90%，功率因数0．99;④启动电流变化为线性变化，彻底解决大启动电流冲击电网问题;⑤电动机在低频下运行，噪音为70dB。潞安化工集团开始大规模对直接启动或频敏电阻、水电阻等软启方式的主通风机进行变频改造，并积累了丰富经验。经调研，潞安化工集团的主通风机变频控制覆盖率位于全国煤企前列。文章以古城矿鲍店风井主通风机建设项目为例，对变频控制系统中的关键技术方案及配置要求进行详细的介绍与分析。

1大功率主通风机项目概况

古城矿采用分区式通风，机械式通风方法。现投运的主通风机有中央主通风机和桃园主通风机，其中:中央风井主通风机选用沈阳发动机研究所风机厂生产的2台的AGF606－4．0－2．4－2型轴流式通风机(配套电机功率4000kW)，担负北一、北二和北三盘区的通风任务;桃园风井主通风机选用沈阳发动机研究所风机厂2台AGF606－4．0－2．2－2型轴流式通风机(配套电机功率2800kW)，担负南一、南二和南三盘区的通风任务。本文案例项目为鲍店风井主通风机建设，由鲍店进风立井进风，鲍店回风立井回风，进、回风立井井筒直径均为8．0m。前期为北二盘区服务，后期为北四盘区服务，预计2023年投运。拟选用抽出式轴流通风机，风机直径≥3．8m，电机功率≥4500kW，采用变频控制技术，并具备无人值守功能。

2变频拖动系统关键技术分析

主通风机的电控系统有高低压配电设备、监控系统、变频控制系统三个部分，其中高性能、高可靠性的变频控制系统是风机安全运行的重要保证。变频控制为“一拖一”系统，即2套风机的2台电机由2套变频器独立拖动。该拖动方案满足风机单电机运行的要求，同时能通过切换柜实现変频器对另一台风机的拖动，即变频器与电机交叉拖动。

2．1高压变频系统配置要求

高压变频调速系统(含干式移相整流交压器)，要求高压变频器按10/10kV设计，输入10kV，输出10kV。变频调速系统包括变频器、柜体、移相整流变压器和附件等，其中变频器是重中之重。该项目主通风机配套10kV、4500kW电动机。为延长变频器使用寿命及确保运行中安全稳定性，高压变频器优选优质进口产品，容量不小于5500kVa。高压变频器选用交－直－交型变频器，直接高高结构，要求输出直接为10kV以配套10kV电机直接调速运行［1］。

2．2变频器的安全保护设定

北方夏天雨季来临后，为避免电网不稳定对主扇运行的影响，变频器须具有瞬时断电再上电的能力。变频器功率单元内部自带上电自动充电功能，避免上高压电时对电网和变频器的冲击。变频器系统需要有内部控制电源瞬时失电不停机功能，可以在控制系统完全失电2s内不受任何影响，不再需要故障几率高的内部UPS，避免由于UPS故障造成停机。采用无速度传感器控制，启动转矩可达150%，对电网电压波动有极强的适应能力，在±10%范围内变频器能满载工作，在30%的电压下降情况下变频器能继续运行而不跳闸(降载运行)，40%的电压下降可以短时运行，电网瞬时失电5个周期可满载运行不跳闸，轻载时间更长。为便于运行人员和检修人员能辨别和解决出现的冋题，要求变频装置带故障自诊断功能，对所发生的故障类型及故障位置能提供中文指示，就地显示并远程报警。变频容易产生谐波，因此必须对谐波作出限定。调速系统产生的谐波应满足，“输入电流＜4%，输出电压＜6%，轴岀电流＜2%”输入侧功率因数为:在20%～100%的负载变化情况下达到或超过0．95的功率因数(无需功率因数补偿装置)。具有软启动功能。变频器应对其他设备无谐波影响。

2．3电机拖动参数分析及要求

变频调速装置具有良好的调节性能，能根据负荷的变化及时有效地实现调节［2］，在负荷从100%调节到40%的响应时间宜小于1min(现场1～3600s可调)。古城矿项目中电机为交流异步变频电动机，变频器不会对电机产生影响。变频器能实现对电机的反转反风操作功能。变频装置提供的控制和电动机保护功能有:过电压、过电流、欠电压、缺相保护、超额保护、失速保护、交频器过载、电机过载保护、半导体器件的过热保护、瞬时停电保护等，并能联跳输入侧高压开关。内部功率单元内部整流二极管和功率元器件采用高压1700V，内部电容采用进口AIC电容。具有输出电压自动调整功能，输入电压变化时，自动调节输出电压，使输出到电机的电压保持相对稳定，保护电机。变频器输出电流应有一定的富余度，不得小于电机额定电流的1．2倍。变频器在启动、加速、运行的过程中应平稳顺滑，各频率运行时均不得引起电机明显共振，远离风机喘振区域。

3PLC控制设计及配置要求

变频调速系统由上级PLC进行协调控制，按设定程序(PLC给定运行)，实现对风机电动机转速自动控制［3］。PLC可编程控制器是整个系统的控制核心。为保证稳定、可靠、高速，PLC控制器可选用西门子S7－1500系列，PLC的I/O接口应有不少于20%的备用量。每台通风机采用1台PLC，共计2台PLC(主控PLC工作，另一台PLC热备);两台PLC采用冗余设计，每台PLC均配置冗余模块，冗余模块间通过高速光纤实时同步，当主控PLC出现故障或错误时，系统可以立即无扰动切换到备用PLC，不会影响系统工作。交频装置具有与PLC或其它控制系统通讯的工业以太网(EtherNet)接口。PLC柜输入电源等级AC220V、AC380V、50Hz，直流控制电源AC24V，交流控制电源AC220V，防护等级IP40。

4结语

主通风机实现变频控制，具有工况点调节更加精准快速、启动过程对电网冲击小、节能效果明显等诸多优点。本文提出的变频及PLC控制系统方案，在潞安化工集团多个新/改建风机项目中成功应用。最后将实践过程得到的两点指导性建议进行分享:1)配置主通风机变频器时，要考虑高压变频在集团内部的通用性，以提高安全性，减少备件的采购量，节约成本。2)变频器对环境要求较高。可以采用空调为主通风机房控制室及变频室提供恒温条件。通过通讯接口，将数据采集器与空调系统对接，实现对环境温度的自动控制。

参考文献:

［1］娄高峰，王晶波．主风扇机变频控制方式的设计［J］．机电元件，2011，31(4):7．

［2］张抗抗．煤矿主通风机风量调节系统的设计与实现［D］．徐州:中国矿业大学．

［3］张剑波．通风机变频调速控制系统的设计［J］．机械管理开发，2020，35(2):3.

作者：杨兴 单位：山西潞安化工集团能源事业部