楊 興

(山西潞安化工集團 能源事業(yè)部，山西 長治 046200)

礦井通風機是礦山的重大安全設備之一，通風機的正常運行，直接關系到礦井的正常安全生產和人員的生命安全。為了解決風機啟動過程沖擊電網、雷雨天氣電壓大幅波動以及故障狀態(tài)快速切換風機等問題，2009年始，潞安化工集團就以下屬礦井常村礦中央軸流式及高壓變頻技術研制與應用項目為依托，歷時15個月，順利實現(xiàn)了大功率主通風機變頻集控閉環(huán)節(jié)能高效運轉，取得了5方面成效：①避免因電網電壓波動引起風機故障停機、瓦斯超限事故；②風機切換時間從原先的10 min大幅減小到3 min，反風時間減少到5 min；③使大馬拉小車的礦井主通風機節(jié)能運行，電動機效率不低于90%，功率因數(shù)0.99；④啟動電流變化為線性變化，徹底解決大啟動電流沖擊電網問題；⑤電動機在低頻下運行，噪音為70 dB。

潞安化工集團開始大規(guī)模對直接啟動或頻敏電阻、水電阻等軟啟方式的主通風機進行變頻改造，并積累了豐富經驗。經調研，潞安化工集團的主通風機變頻控制覆蓋率位于全國煤企前列。文章以古城礦鮑店風井主通風機建設項目為例，對變頻控制系統(tǒng)中的關鍵技術方案及配置要求進行詳細的介紹與分析。

1 大功率主通風機項目概況

古城礦采用分區(qū)式通風，機械式通風方法。現(xiàn)投運的主通風機有中央主通風機和桃園主通風機，其中：中央風井主通風機選用沈陽發(fā)動機研究所風機廠生產的2臺的AGF606-4.0-2.4-2型軸流式通風機(配套電機功率4 000 kW)，擔負北一、北二和北三盤區(qū)的通風任務；桃園風井主通風機選用沈陽發(fā)動機研究所風機廠2臺AGF606-4.0-2.2-2型軸流式通風機(配套電機功率2 800 kW)，擔負南一、南二和南三盤區(qū)的通風任務。

本文案例項目為鮑店風井主通風機建設，由鮑店進風立井進風，鮑店回風立井回風，進、回風立井井筒直徑均為8.0 m。前期為北二盤區(qū)服務，后期為北四盤區(qū)服務，預計2023年投運。擬選用抽出式軸流通風機，風機直徑≥3.8 m，電機功率≥4 500 kW，采用變頻控制技術，并具備無人值守功能。

2 變頻拖動系統(tǒng)關鍵技術分析

主通風機的電控系統(tǒng)有高低壓配電設備、監(jiān)控系統(tǒng)、變頻控制系統(tǒng)三個部分，其中高性能、高可靠性的變頻控制系統(tǒng)是風機安全運行的重要保證。變頻控制為“一拖一”系統(tǒng)，即2套風機的2臺電機由2套變頻器獨立拖動。該拖動方案滿足風機單電機運行的要求，同時能通過切換柜實現(xiàn)変頻器對另一臺風機的拖動，即變頻器與電機交叉拖動。

2.1 高壓變頻系統(tǒng)配置要求

高壓變頻調速系統(tǒng)(含干式移相整流交壓器)，要求高壓變頻器按10/10 kV設計，輸入10 kV,輸出10 kV。變頻調速系統(tǒng)包括變頻器、柜體、移相整流變壓器和附件等，其中變頻器是重中之重。該項目主通風機配套10 kV、4 500 kW電動機。為延長變頻器使用壽命及確保運行中安全穩(wěn)定性，高壓變頻器優(yōu)選優(yōu)質進口產品，容量不小于5 500 kVa。高壓變頻器選用交-直-交型變頻器，直接高高結構，要求輸出直接為10 kV以配套10 kV電機直接調速運行[1]。

2.2 變頻器的安全保護設定

北方夏天雨季來臨后，為避免電網不穩(wěn)定對主扇運行的影響，變頻器須具有瞬時斷電再上電的能力。變頻器功率單元內部自帶上電自動充電功能，避免上高壓電時對電網和變頻器的沖擊。變頻器系統(tǒng)需要有內部控制電源瞬時失電不停機功能,可以在控制系統(tǒng)完全失電2 s內不受任何影響，不再需要故障幾率高的內部UPS，避免由于UPS故障造成停機。采用無速度傳感器控制，啟動轉矩可達150%,對電網電壓波動有極強的適應能力,在±10%范圍內變頻器能滿載工作，在30%的電壓下降情況下變頻器能繼續(xù)運行而不跳閘(降載運行)，40%的電壓下降可以短時運行，電網瞬時失電5個周期可滿載運行不跳閘，輕載時間更長。

為便于運行人員和檢修人員能辨別和解決出現(xiàn)的冋題，要求變頻裝置帶故障自診斷功能,對所發(fā)生的故障類型及故障位置能提供中文指示,就地顯示并遠程報警。

變頻容易產生諧波，因此必須對諧波作出限定。調速系統(tǒng)產生的諧波應滿足，“輸入電流<4%,輸出電壓<6%,軸岀電流<2%”輸入側功率因數(shù)為:在20%～100%的負載變化情況下達到或超過0.95的功率因數(shù)(無需功率因數(shù)補償裝置)。具有軟啟動功能。變頻器應對其他設備無諧波影響。

2.3 電機拖動參數(shù)分析及要求

變頻調速裝置具有良好的調節(jié)性能，能根據(jù)負荷的變化及時有效地實現(xiàn)調節(jié)[2],在負荷從100% 調節(jié)到40%的響應時間宜小于1 min (現(xiàn)場1～3 600 s可調)。古城礦項目中電機為交流異步變頻電動機，變頻器不會對電機產生影響。

變頻器能實現(xiàn)對電機的反轉反風操作功能。變頻裝置提供的控制和電動機保護功能有：過電壓、過電流、欠電壓、缺相保護、超額保護、失速保護、交頻器過載、電機過載保護、半導體器件的過熱保護、瞬時停電保護等，并能聯(lián)跳輸入側高壓開關。

內部功率單元內部整流二極管和功率元器件采用高壓1 700 V,內部電容采用進口AIC電容。具有輸出電壓自動調整功能,輸入電壓變化時，自動調節(jié)輸出電壓，使輸出到電機的電壓保持相對穩(wěn)定，保護電機。

變頻器輸出電流應有一定的富余度，不得小于電機額定電流的1.2倍。變頻器在啟動、加速、運行的過程中應平穩(wěn)順滑，各頻率運行時均不得引起電機明顯共振，遠離風機喘振區(qū)域。

3 PLC控制設計及配置要求

變頻調速系統(tǒng)由上級PLC進行協(xié)調控制，按設定程序(PLC給定運行),實現(xiàn)對風機電動機轉速自動控制[3]。PLC可編程控制器是整個系統(tǒng)的控制核心。為保證穩(wěn)定、可靠、高速，PLC控制器可選用西門子S7-1500系列，PLC的I/O接口應有不少于20%的備用量。

每臺通風機采用1臺PLC，共計2臺PLC(主控PLC工作，另一臺PLC熱備)；兩臺PLC采用冗余設計，每臺PLC均配置冗余模塊，冗余模塊間通過高速光纖實時同步，當主控PLC出現(xiàn)故障或錯誤時，系統(tǒng)可以立即無擾動切換到備用PLC，不會影響系統(tǒng)工作。交頻裝置具有與PLC或其它控制系統(tǒng)通訊的工業(yè)以太網(Ether Net)接口。PLC柜輸入電源等級AC220 V、AC380 V、50 Hz，直流控制電源AC24 V，交流控制電源AC220 V，防護等級IP40。

4 結 語

主通風機實現(xiàn)變頻控制，具有工況點調節(jié)更加精準快速、啟動過程對電網沖擊小、節(jié)能效果明顯等諸多優(yōu)點。本文提出的變頻及PLC控制系統(tǒng)方案，在潞安化工集團多個新/改建風機項目中成功應用。最后將實踐過程得到的兩點指導性建議進行分享：

1) 配置主通風機變頻器時，要考慮高壓變頻在集團內部的通用性，以提高安全性，減少備件的采購量，節(jié)約成本。

2) 變頻器對環(huán)境要求較高?？梢圆捎每照{為主通風機房控制室及變頻室提供恒溫條件。通過通訊接口，將數(shù)據(jù)采集器與空調系統(tǒng)對接，實現(xiàn)對環(huán)境溫度的自動控制。