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Vacon变频器在增容型高-低压变频调速集成装置的应用

2007年08月09日 08:32来源:烟台勾股通信技术有限公司 >>进入该公司展台人气:682

1  引言  
  珲春煤炭(集团)公司八连城矿根据生产发展需要,新上两台主扇对旋轴流风机,一工一备。每台风机由两个相对互为反向旋转的叶轮组成了对旋结构。在开采初期通风参数较低,而开采中后期则通风参数较高,必须采取调节通风措施,以适应井下通风网络的变化和不同时期的通风需求,对风机的工矿点进行有效地调节,在确保风机稳定工作的前提下,既能满足生产对风量和风压的要求,又能zui大限度地节约能源。 
  八连城煤矿主扇采用两台燕京矿山设备有限公司生产的FBDCZ(原BDK)煤矿地面用防爆抽出式对旋轴流通风机,两台风机互为备用,风机型号:BDK-10—NO25  防爆合格证:52025-98 防爆等级 dI 风量:2580~8820M3/min   静压:1670~4510Pa   介质密度 1.2kg/m3  电机型号:YBF-450MI-10  2×250KW   592r/min  额定电流 379A 额定电压 500V F级绝缘  △接  允许温升 85℃  2006年5月生产。风机是煤矿生产的主要设备之一,风机正常安全工作在整个煤矿系统中起着至关重要的作用。为适应对旋轴流通风机的通风调节需求,特别是电动机和变频器增容需求,特选用鞍山市权晟电子电力有限公司制造的产品“增容型高—低压变频调速集成装置”(中国*号:200410021252.9)。变频控制部分采用高质量的Vacon变频器,矢量控制型Vacon变频器*可以满足工业环境下应用要求。使得控制系统可靠性高、编程简单、易于维护。 
2 增容型高—低压变频调速集成装置简明原理 
  该变频装置由多功能变压器T、可增容的低压大功率变频器F、利用普通高压电动机改压增容的变频调速电动机HM',以及切换装置C所集成。 
  本项目就是利用6kV、250kW、10极防爆型电动机,通过采用“中压绝缘”和低压接线方式,增容为280kW。又利用多功能变压器一则提供“变频器输入电压补偿装置”,将500kW变频器增容为630kW,为电动机提供电源 target=_blank>变频电源;二则隔离并抑制来自变频过程中产生的高次谐波;三则为电动机提供工频电源,一旦变频器发生故障,即可恢复工频运行模式。利用组合开关实现变频/工频模式切换、正向/反向旋转切换和主/备机组切换。 
 
  其电气原理如图1所示。 


2.1 增容型变频装置配置 
  增容型高—低压变频调速设备选型:QSHLVF500-O6/500。数量:两套(一工一备)。 
装置配置: 
  (1)多功能变压器2台。选用S9M-1000KVA节能型免维护全密封无油枕变压器;环境温度+40℃时,允许温升55℃;兼有提供电源 target=_blank>变频电源电压、工频电源电压、隔离与抑制高次谐波等多项功能。
  
  (2)变频调速电动机4台。是利用YBF450M2-10型6kV、250kW高压电动机高等级绝缘、内风冷量大的特点,电机为:佳木斯电机股份有限公司  隔爆型三相异步电动机型号:YBT-450MI-10  250KW  50Hz  IP44  500V  379A  F级绝缘  △接   cosΦ=0.808   592r/min。控制电机的变频器采用具有开环矢量控制功能芬兰伟肯Vacon变频器,在电机制造过程中融入本技术,通过改压增容为280kW变频调速电动机HM′,使电机具备并超过变频调速电动机的一些特性,而且比变频调速电动机价格便宜 50%左右 。高压电动机实施低压运行,将进一步延长电机的使用寿命。 
  (3)变频控制柜2台。变频单元选用世界*产品, 具有开环矢量控制功能芬兰伟肯Vacon变频器(进口原装)。输出功率由500KW增容到630KW。Vacon变频器型号为:A台NXP09200N0SSGA1A2,B台NXP09200N0SSGA1A2。 
  (4)模式切换柜2套。由万用开关组合而成,具有变频/工频切换、正向/反向切换等多种操作模式,以备特殊情况下,切换到工频启动—运行模式和反向启动—运行模式。 
  (5)现场操作箱(盘)2个。安装在电动机近处,面板上设有启动和停机按钮、多圈电位器调速旋钮、对旋方向切换开关、电动机运行电流和转速数显仪表,以及故障声光报警器等。 
2.2 增容型变频装置技术规格 
  输入电压:3相6kV-15%~+10%; 
  输出功率:630kW; 
  输出频率:0~50HZ; 
  效  率:96%以上; 
  功率因数:0.94以上; 
  电压总谐波:小于2%(远低于国家标准GB/T14549­—93《电能质量公用电网谐波》针对6kV电网的限定值为4%,本方案业经东北电力谐波站多次现场测试,仅为1.1%~1.3%); 
  启动模式:变频软启动,启动电流不超过额定电流; 
  运行模式:变频/工频切换,正向/反向切换; 
  控制模式:一台变频装置同步对旋驱动主扇轴流风机两台电动机,即“一拖二”模式; 
  系统控制:为PLC、DCS、FCF等系统控制留有数字量和模拟量接口; 
  变频柜外形尺寸: 
  2200(高度)+2000(宽度)+800(厚度)mm。 
  工频切换及正反转切换柜外形尺寸:  
  2200(高度)+2800(宽度)+800(厚度)mm。 
  变压器外形尺寸: 
  1780(长度)×1040(宽度)×1720(高度)mm,轨距:820mm。 
  电动机型号:YBF450M2-10;输出功率由250kW增容到280kW。 
3.系统工作原理概述 
  主扇采用两台防爆对旋轴流通风机,两台对旋轴流通风机互为备用。每台对旋轴流通风机又是由两台风机相对安装构成,控制时每一台对旋轴流通风机的两台风机要求转速一致,变频控制时同时起动和停止,工频控制是分别起动。控制电机的变频器采用具有开环矢量控制功能的芬兰伟肯Vacon变频器,用两台变频器分别控制两台防爆对旋轴流通风机,采用一台变频器同时拖动对旋轴流通风机的两台电动机方式。 
  平时工作时A台对旋轴流通风机变频控制旋转,B台对旋轴流通风机备用。每台对旋轴流通风机又分别具有工频、变频控制功能,工频控制为变频控制备用。当A台对旋轴流通风机变频控制维护时起动备用的B台对旋轴流通风机变频控制。当A、B两台对旋轴流通风机变频控制同时维护时,起动A台对旋轴流通风机工频控制工作,用风门控制通风量,当A台对旋轴流通风机工频控制也同时需要维护时,起动B台对旋轴流通风机工频控制工作。通过风机互备确保通风安全。 
3.1 控制系统的实现 
  每台防爆对旋轴流通风机要求具有两种控制方式:机旁的直接频率控制和上位机的集中PID控制。每台防爆对旋轴流通风机具有变频控制和工频控制切换功能。 
  煤矿三相电源为6000V交流电,考虑到高压电机变频控制一次性投资大,安全性差等原因。采用增容型高-低压变频调速集成装置,用降压变压器把6000V电压降为500V,再采用电压等级为380V~500V的芬兰伟肯Vacon变频器进行变频控制。电机也由高压6000V电机换成低压500V电机,降低了投资,提高了系统的可靠性。 
  芬兰伟肯Vacon变频器具有可编程功能。Vacon编程工具Vacon NC1131-3 Engineering是一个符合IEC61131-3标准的图形化的编程工具,它可以用来设计Vacon NX特殊的控制逻辑和参数。它包含了基本功能模块和功能模块,如各种滤波器PID控制器和积分器。NC1131-3可以创建参数,故障信息和其他与应用相关的特性。 
  根据控制要求采用伟肯Vacon变频器的PID控制应用宏,PID控制应用宏具有两地控制功能,分别为源A和源B控制,其中源A控制为PID控制方式,源B控制为直接频率控制,伟肯变频器控制端子接线图如图2。 

变频器输入信号有: 
  P1 : 源B电位器频率给定值。 
  AI2: 源A  PID控制 压力反馈实际值。 
  K1 : 源A电机起动/停止。 
  K2 : 正转/反转。 
  K3 :故障复位。 
  K4 :源B直接频率起动/停止 
  K5 :正转/反转。 
  K6 :控制源A/B选择端子。 
  变频器输入信号有: 
  模拟量AO1:电机转速。 
  继电器RO1:变频器故障。 
  继电器RO2:变频器运行。 
  开关K6闭合时源A控制有效,控制方式为PID控制,给定值为电位器P1的设定值AI1,实际风压反馈值为AI2,变频器的起动、停止和正反转控制由K1、K2控制,PID控制框图如图3。通过PID控制使得矿井风压保持为风压设定值。 

 开关K6断开时源B控制有效,控制方式为直接频率控制,给定值为电位器P1的设定值AI1,实际风压反馈值用于显示,变频器的起动、停止和正反转控制由K4、K5控制,根据风压设定值控制风机转速使得矿井风压达到要求值。 
  开关K3用于变频器故障复位。模拟量输出AO1设定为电机转速,送给控制盘上的转速表显示电机转速,继电器RO1用于变频器故障指示,继电器RO2用于变频器运行指示。 
4. 现场主通风机变频装置实际工况
 
  (一)6月20日主通风机一号二号及变频装置开始正式运行。 
  下述数据是8月24日取得的现场一号风机的运行参数: 
  1.静压:629Pa 
  2.风量:70m3/s 
  3.电动机的运行温度为 46 ℃(8月下旬气温28℃) 
  4.变压器的运行温度为35 ℃(8月下旬气温28℃) 
  5.运行频率:42.9Hz(513rpm) 
  6.运行电流:242A(1#电机:130A;2#电机:113A) 
  7. 高压侧电压:6300V;高压侧电流:7.7A(A相)9.2A(C相) 
  8.有功:80KVA 
  9.无功:21KVA 
  10.功率因数:0.96 
  11.主通风机一号二号8月份用电量统计(*): 

 (二) 9月23日八连城矿二号风机运行数据 
  1.静压:559Pa 
  2.风量:74.9m3/s 
  3.电动机的运行温度为 46 ℃(8月下旬气温28℃) 
  4.变压器的运行温度为38 ℃ 
  5.运行频率:32.06Hz(513rpm) 
  6.运行电流:240A 
  7.转矩:15% 
  8.功率:9.7% 
  9. 高压侧电压:6300V;高压侧电流:6.3A 
  10.有功:62.72KVA 
  11.无功:16.83KVA 
  12.功率因数:0.96 
  增容型高—低压变频调速集成装置与其他变频调速方法相比具有: 
  1.率。本变频系统效率大于96%。其中变频器的额定效率为98%左右,节能型变压器的额定效率为98.8%左右,电动机因放大了线规从而降低了电流密度和铜损,其额定效率可提高了0.5~5个百分点,本项目电动机效率即提高了5个百分点。 
  2.高可靠性。一是采用无油枕全密封变压器或者干式变压器均系免维护类型。二是选用技术成熟的低压大容量变频器安全可靠,使用寿命长达70000小时。其中易损件之一内冷却风扇的使用寿命为8年(其他变频器说明书标注2~3年),易损件之二电解电容器的使用寿命为15年(其他变频器说明书标注4~5年)。三是利用高等级绝缘的电动机运行在低压变频工况下,绝缘寿命可谓无限长。四是备有变频/工频切换开关,万一变频器发生故障还可及时切换到工频启动—运行模式,即使是工频运行,电动机仍可实现增容。 
  3.低压安全。由于变压器将高/低压隔离,从变压器的输出侧→变频器→电动机的运行电压只有几百伏,颇有安全感,便于操作和维护。同时消除了电动机的高压电晕和变频器的高压吸尘弊端。 
  4.省工期。本变压器的制造周期只要半月;变频器的供货周期只需1~2月;高压电动机增容改压约1个月左右;控制柜加工不超过1周;安装(包括敷设低压动力电缆和控制屏蔽电缆,无须重打地基和更换对轮)约1周左右,当天调试当天投运。总施工期(即见效期)仅为1~3月。 
  5.省投资。由于该装置成本低,又增容,见效快,故投资回收期一般约为1~2年左右。本项目的投资回收期约为2年之内。 
  6.省能源。节电率一般为20%~50%,本主扇对旋风机目前实测节电率为  40%以上。 
  7.省原材料。在同等原材料和元器件配置前提下,本方案能提高电动机的额定功率1~3个等级,提高变频器的额定容量0.5~2个功率等级;在同等功率前提下,增容变频方案可节省制造高压电动机的钢材10%~20%,节约高压绝缘材料40%~60%。以本项目4台电动机就是用250kW的原材料制造出280kW电动机。 
  全系统操作简便,设备维护量小,有效减低了风机噪声,减小了电机起停过程对电网和风机的机械冲击,延长设备的使用寿命,提高了效益。此种方案在矿业风机控制具有的推广运用前景。
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