高壓變頻器在煤礦濕式除塵風機上的應用

李莉麗

(臨沂大學山東臨沂276000)

0 引言

目前的礦井濕式除塵風機、風機傳動系統(tǒng)通過調節(jié)風機入口風門的開度來調節(jié)風量，電動機恒速運行。該方法存在著很大的弊端和局限:①把風量消耗在擋風板上，造成能量損耗。②風門擋板采用電動執(zhí)行機構驅動，使用不便。③風門擋板調節(jié)風量造成擋風板前后壓差大，風門易磨損。④電動機全速運行，振動大、噪聲大、損耗大，軸承磨損嚴重。⑤電動機啟動電流大，影響電網穩(wěn)定。考慮上述因素，對其除塵風機進行了高壓變頻調速節(jié)能改造。改造后的系統(tǒng)調速精度大大提高，降低了設備的運行和維護費用，延長了電動機等設備的使用壽命，最終達到了降耗增效的目的。

1 除塵風機節(jié)能原理及負載參數

1.1 風機負載節(jié)能原理

根據風機學原理，在風機類負載的變風量、變壓力的運行狀況中，風量、風壓和消耗的能量之間有下面的關系:①風機風量和電動機轉速成正比。②風機風壓和電動機轉速的平方成正比。③風機消耗的軸功率跟電動機轉速的立方成正比。

圖1 風機類負載的運行曲線

其中，Q1，Q2為風機風量;H1，H2為風機風壓;節(jié)約的軸功率 ΔP;n1，n2為風機轉速。

根據電機學原理，系統(tǒng)采用變頻調節(jié)時，直接通過改變電動機輸入頻率來改變電動機的轉速，以滿足不同工況的需求。由于電動機消耗的能量與轉速呈立方關系下降，因此采用變頻調速的節(jié)電效果非常顯著。變頻調速方式調速范圍寬，線性度好，其本身的電子損耗低，因而無論在輕載還是滿載都有很高的效率。從圖1 所示的風機運行曲線就能分析出采用變頻調速后的節(jié)能效果。

當所需風量從Q1減小到Q2時，如果采用調節(jié)閥門的辦法，管網阻力將會增加，管網特性曲線上移，系統(tǒng)的運行工況點從A 點變到新的運行工況點B 點，所需軸功率P2與面積H2×Q2成正比;如果采用調速控制方式，風機轉速由n1下降到n2，其管網特性并不發(fā)生改變，但風機的特性曲線將下移，因此其運行工況點由A 點移至C 點。此時所需軸功率P3與面積HB×Q2成正比。通過實踐統(tǒng)計，風機類負載通過調速控制可節(jié)能20% ～50%。

1.2 負載參數

10 kV 除塵風機正常生產時處于長期運行狀態(tài)，無備用風機。電動機主要參數如下:

電動機型號YKK7108 －8

額定電壓10 kV

額定功率1 600 kW

額定電流119 A

額定轉速745 r/min

功率因數0.82

2 高壓變頻調速系統(tǒng)結構及控制功能

鑒于高壓變頻器在風機類負載節(jié)能應用中的突出優(yōu)勢，采用高壓變頻調速系統(tǒng)對除塵風機進行變頻改造。高壓變頻調速系統(tǒng)主電路如圖2 所示，設置手動旁路柜，以便在變頻器故障時，風機仍能正常運轉;高壓變頻控制系統(tǒng)原理如圖3 所示。

2.1 工頻/變頻手動切換

QS1、QS2與QS3前后兩回路加入機械互鎖繼電器互鎖，避免兩回路同時導通。采用手動操作，在QF 分閘狀態(tài)下，用戶可手動切換系統(tǒng)的工頻或變頻工作狀態(tài)。當變頻器出現故障時，用戶可將系統(tǒng)切換至工頻狀態(tài)，風機在50 Hz 下全速運行，通過調節(jié)風門擋板的開口度來調節(jié)風量，從而保證系統(tǒng)的連續(xù)運行。

2.2 預充電功能

接通總電源瞬間，變頻器上濾波電容兩端電壓為0 V，若不對濾波電容進行限流預充電，大的沖擊電流可能燒壞保險和整流橋等。因此，在系統(tǒng)合閘之前必須對變頻器電容進行預充電，以減小沖擊電流。這里采用移相變壓器除了輸出24 路722 V 功率模塊三相電源外，還有一個380 V 輔助繞組。系統(tǒng)接通380 V 控制電源并準備就緒后，用戶操作合閘按鈕，變頻器自動啟動預充電過程，由變壓器的380 V 輔助繞組激勵出的24 路722 V 三相電源為各個功率單元模塊的電容進行預充電，直到模塊直流母線電壓超過800 V，預充電過程結束，系統(tǒng)自動合閘，接入10 kV 高壓。

圖2 高壓變頻調速系統(tǒng)主電路

圖3 高壓變頻控制系統(tǒng)原理

2.3 完善的保護功能

2.3.1 變頻器自身保護

變頻器每個功率單元模塊輸出端并聯(lián)旁路電路。當某個功率模塊發(fā)生故障時，封鎖對應功率單元IGBT 的觸發(fā)信號，切換至模塊旁路，保證變頻器不停機。為保證三相輸出電壓對稱，在旁路故障功率模塊的同時，對應的另外兩相的兩個功率模塊也同時切換至旁路運行。此外，變頻器設有過壓、過流、欠壓、缺相、過載、過熱等保護功能。

2.3.2 變壓器過熱保護

變壓器裝置內設有Pt100 溫度傳感器。在系統(tǒng)運行過程中，若變壓器內繞組溫度超過150OC，則系統(tǒng)自動跳閘，切斷變頻器10 kV 高壓，改由工頻直接啟動風機。

2.3.3 門限開關保護

系統(tǒng)運行過程中，除控制柜柜門可以打開外，旁路柜、變壓器柜和功率柜的柜門均應處于關閉狀態(tài)，以確保人身安全。帶電打開柜門也將導致高壓跳閘。

3 應用效果分析

再造后的高壓變頻煤礦濕式除塵風機自投運以來，取得了可喜的應用效果。與原工頻控制系統(tǒng)相比，顯示出了巨大的優(yōu)越性。

1)系統(tǒng)運行穩(wěn)定，安全可靠。高壓變頻器性能可靠，自正式投運以來，實現了連續(xù)無故障運行，運行狀態(tài)良好。此外，系統(tǒng)采用旁路柜實現工頻/變頻工況的切換，確保變頻器發(fā)生故障時，風機仍可以在工頻條件下繼續(xù)運轉。

2)節(jié)能效果顯著。為了對高壓變頻改造的效果進行評價，在系統(tǒng)投運前后，分別對設備工頻和變頻運行狀態(tài)下的風機電動機的單位產量的電量進行了測試和計算。變頻改造后，在滿足相同除塵工藝的條件下，節(jié)能率在45%以上。

3)延長了設備壽命，減少了噪聲污染。變頻器能夠通過平滑控制電動機來啟動風機進入工作狀態(tài)，避免了過去直接啟動高壓風機時7 ～8 倍的電流沖擊和機械振動，增加了風機設備的運行壽命，同時降低了廠房內的噪聲污染。

4)網側功率因數得到改善。高壓變頻改造后，可大大減小電網容量，降低無功補償設備的投資。

5)保護功能完善。變頻器自身具有過壓、過流、短路、缺相等多項保護功能，當電網和電動機發(fā)生異常時，立即切斷變頻器輸出，更精確地保護了電動機。

6)降低勞動強度。工頻運行時，值班人員需要根據生產現場的實際粉塵濃度，經常調節(jié)入口閥門開度。高壓變頻調速系統(tǒng)可在保持風門全開的情況下，通過改變變頻器的輸出頻率來調節(jié)風機轉速，提高了工作效率。

4 結語

隨著市場經濟環(huán)境的不斷變化，節(jié)能降耗已成為企業(yè)提高產品市場占有率和企業(yè)競爭力的有效手段。對煤礦濕式除塵風機進行高壓變頻調速節(jié)能改造，操作方便，維護量小，設備壽命充分延長，節(jié)電效果顯著，在冶金、電力、石油、化工、建材、市政等行業(yè)的應用前景十分廣闊。

［1］吳忠智.變頻器應用手冊［M］. 北京:機械工業(yè)出版社，2007.

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