1  引言  
　　琿春煤炭（集團）公司八連城礦根據(jù)生產(chǎn)發(fā)展需要，新上兩臺主扇對旋軸流風機，一工一備。每臺風機由兩個相對互為反向旋轉(zhuǎn)的葉輪組成了對旋結(jié)構(gòu)。在開采初期通風參數(shù)較低，而開采中后期則通風參數(shù)較高，必須采取調(diào)節(jié)通風措施，以適應(yīng)井下通風網(wǎng)絡(luò)的變化和不同時期的通風需求，對風機的工礦點進行有效地調(diào)節(jié)，在確保風機穩(wěn)定工作的前提下，既能滿足生產(chǎn)對風量和風壓的要求，又能zui大限度地節(jié)約能源。 
　　八連城煤礦主扇采用兩臺燕京礦山設(shè)備有限公司生產(chǎn)的FBDCZ（原BDK）煤礦地面用防爆抽出式對旋軸流通風機，兩臺風機互為備用，風機型號：BDK-10—NO25  防爆合格證：52025-98 防爆等級 dI 風量：2580～8820M3/min   靜壓：1670～4510Pa   介質(zhì)密度 1.2kg/m3  電機型號：YBF-450MI-10  2×250KW   592r/min  額定電流 379A 額定電壓 500V F級絕緣  △接  允許溫升 85℃  2006年5月生產(chǎn)。風機是煤礦生產(chǎn)的主要設(shè)備之一，風機正常安全工作在整個煤礦系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。為適應(yīng)對旋軸流通風機的通風調(diào)節(jié)需求，特別是電動機和變頻器增容需求，特選用鞍山市權(quán)晟電子電力有限公司制造的產(chǎn)品“增容型高—低壓變頻調(diào)速集成裝置”（中國*號：200410021252.9）。變頻控制部分采用高質(zhì)量的Vacon變頻器，矢量控制型Vacon變頻器*可以滿足工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用要求。使得控制系統(tǒng)可靠性高、編程簡單、易于維護。 
２ 增容型高—低壓變頻調(diào)速集成裝置簡明原理 
　　該變頻裝置由多功能變壓器T、可增容的低壓大功率變頻器F、利用普通高壓電動機改壓增容的變頻調(diào)速電動機HM'，以及切換裝置C所集成。 
　　本項目就是利用6kV、250kW、10極防爆型電動機，通過采用“中壓絕緣”和低壓接線方式，增容為280kW。又利用多功能變壓器一則提供“變頻器輸入電壓補償裝置”，將500kW變頻器增容為630kW，為電動機提供電源 target=_blank>變頻電源；二則隔離并抑制來自變頻過程中產(chǎn)生的高次諧波；三則為電動機提供工頻電源，一旦變頻器發(fā)生故障，即可恢復工頻運行模式。利用組合開關(guān)實現(xiàn)變頻/工頻模式切換、正向/反向旋轉(zhuǎn)切換和主/備機組切換。 
 
　　其電氣原理如圖1所示。 


2.1 增容型變頻裝置配置 
　　增容型高—低壓變頻調(diào)速設(shè)備選型：QSHLVF500-O6/500。數(shù)量：兩套（一工一備）。 
裝置配置: 
　?。?）多功能變壓器2臺。選用S9M-1000KVA節(jié)能型免維護全密封無油枕變壓器；環(huán)境溫度+40℃時，允許溫升55℃；兼有提供電源 target=_blank>變頻電源電壓、工頻電源電壓、隔離與抑制高次諧波等多項功能。
  
　　（2）變頻調(diào)速電動機4臺。是利用YBF450M2-10型6kV、250kW高壓電動機高等級絕緣、內(nèi)風冷量大的特點，電機為：佳木斯電機股份有限公司  隔爆型三相異步電動機型號：YBT-450MI-10  250KW  50Hz  IP44  500V  379A  F級絕緣  △接   cosΦ=0.808   592r/min?？刂齐姍C的變頻器采用具有開環(huán)矢量控制功能芬蘭偉肯Vacon變頻器，在電機制造過程中融入本技術(shù)，通過改壓增容為280kW變頻調(diào)速電動機HM′，使電機具備并超過變頻調(diào)速電動機的一些特性，而且比變頻調(diào)速電動機價格便宜 50%左右 。高壓電動機實施低壓運行，將進一步延長電機的使用壽命。 
　　（3）變頻控制柜2臺。變頻單元選用世界*產(chǎn)品, 具有開環(huán)矢量控制功能芬蘭偉肯Vacon變頻器（進口原裝）。輸出功率由500KW增容到630KW。Vacon變頻器型號為：A臺NXP09200N0SSGA1A2，B臺NXP09200N0SSGA1A2。 
　　（4）模式切換柜2套。由萬用開關(guān)組合而成，具有變頻/工頻切換、正向/反向切換等多種操作模式，以備特殊情況下，切換到工頻啟動—運行模式和反向啟動—運行模式。 
　?。?）現(xiàn)場操作箱（盤）2個。安裝在電動機近處，面板上設(shè)有啟動和停機按鈕、多圈電位器調(diào)速旋鈕、對旋方向切換開關(guān)、電動機運行電流和轉(zhuǎn)速數(shù)顯儀表，以及故障聲光報警器等。 
2.2 增容型變頻裝置技術(shù)規(guī)格 
　　輸入電壓：3相6kV-15%～＋10%； 
　　輸出功率：630kW； 
　　輸出頻率：0～50HZ； 
　　效  率：96%以上； 
　　功率因數(shù)：0.94以上； 
　　電壓總諧波：小于2%（遠低于國家標準GB/T14549­—93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》針對6kV電網(wǎng)的限定值為4%，本方案業(yè)經(jīng)東北電力諧波站多次現(xiàn)場測試，僅為1.1%～1.3%）； 
　　啟動模式：變頻軟啟動，啟動電流不超過額定電流； 
　　運行模式：變頻/工頻切換，正向/反向切換； 
　　控制模式：一臺變頻裝置同步對旋驅(qū)動主扇軸流風機兩臺電動機，即“一拖二”模式； 
　　系統(tǒng)控制：為PLC、DCS、FCF等系統(tǒng)控制留有數(shù)字量和模擬量接口； 
　　變頻柜外形尺寸： 
　　2200（高度）+2000（寬度）+800（厚度）mm。 
　　工頻切換及正反轉(zhuǎn)切換柜外形尺寸：  
　　2200（高度）+2800（寬度）+800（厚度）mm。 
　　變壓器外形尺寸： 
　　1780（長度）×1040（寬度）×1720（高度）mm，軌距：820mm。 
　　電動機型號：YBF450M2-10；輸出功率由250kW增容到280kW。 
3．系統(tǒng)工作原理概述 
　　主扇采用兩臺防爆對旋軸流通風機，兩臺對旋軸流通風機互為備用。每臺對旋軸流通風機又是由兩臺風機相對安裝構(gòu)成，控制時每一臺對旋軸流通風機的兩臺風機要求轉(zhuǎn)速一致，變頻控制時同時起動和停止，工頻控制是分別起動?？刂齐姍C的變頻器采用具有開環(huán)矢量控制功能的芬蘭偉肯Vacon變頻器，用兩臺變頻器分別控制兩臺防爆對旋軸流通風機，采用一臺變頻器同時拖動對旋軸流通風機的兩臺電動機方式。 
　　平時工作時A臺對旋軸流通風機變頻控制旋轉(zhuǎn)，B臺對旋軸流通風機備用。每臺對旋軸流通風機又分別具有工頻、變頻控制功能，工頻控制為變頻控制備用。當Ａ臺對旋軸流通風機變頻控制維護時起動備用的B臺對旋軸流通風機變頻控制。當A、B兩臺對旋軸流通風機變頻控制同時維護時，起動A臺對旋軸流通風機工頻控制工作，用風門控制通風量，當A臺對旋軸流通風機工頻控制也同時需要維護時，起動B臺對旋軸流通風機工頻控制工作。通過風機互備確保通風安全。 
3.1 控制系統(tǒng)的實現(xiàn) 
　　每臺防爆對旋軸流通風機要求具有兩種控制方式：機旁的直接頻率控制和上位機的集中PID控制。每臺防爆對旋軸流通風機具有變頻控制和工頻控制切換功能。 
　　煤礦三相電源為6000V交流電，考慮到高壓電機變頻控制一次性投資大，安全性差等原因。采用增容型高-低壓變頻調(diào)速集成裝置，用降壓變壓器把6000V電壓降為500V，再采用電壓等級為380V～500V的芬蘭偉肯Vacon變頻器進行變頻控制。電機也由高壓6000V電機換成低壓500V電機，降低了投資，提高了系統(tǒng)的可靠性。 
　　芬蘭偉肯Vacon變頻器具有可編程功能。Vacon編程工具Vacon NC1131-3 Engineering是一個符合IEC61131-3標準的圖形化的編程工具，它可以用來設(shè)計Vacon NX特殊的控制邏輯和參數(shù)。它包含了基本功能模塊和功能模塊，如各種濾波器，PID控制器和積分器。NC1131-3可以創(chuàng)建參數(shù)，故障信息和其他與應(yīng)用相關(guān)的特性。 
　　根據(jù)控制要求采用偉肯Vacon變頻器的PID控制應(yīng)用宏，PID控制應(yīng)用宏具有兩地控制功能，分別為源A和源B控制，其中源Ａ控制為PID控制方式，源B控制為直接頻率控制，偉肯變頻器控制端子接線圖如圖2。 

變頻器輸入信號有： 
　　P1 ： 源B電位器頻率給定值。 
　　AI2： 源A  PID控制 壓力反饋實際值。 
　　K1 ： 源A電機起動／停止。 
　　K2 ： 正轉(zhuǎn)／反轉(zhuǎn)。 
　　K3 ：故障復位。 
　　K4 ：源B直接頻率起動／停止 
　　K5 ：正轉(zhuǎn)／反轉(zhuǎn)。 
　　K6 ：控制源A／B選擇端子。 
　　變頻器輸入信號有： 
　　模擬量AO1：電機轉(zhuǎn)速。 
　　繼電器RO1：變頻器故障。 
　　繼電器RO2：變頻器運行。 
　　開關(guān)K6閉合時源A控制有效，控制方式為PID控制，給定值為電位器P1的設(shè)定值A(chǔ)I1，實際風壓反饋值為AI2，變頻器的起動、停止和正反轉(zhuǎn)控制由K1、K2控制，PID控制框圖如圖3。通過PID控制使得礦井風壓保持為風壓設(shè)定值。 

　開關(guān)K6斷開時源Ｂ控制有效，控制方式為直接頻率控制，給定值為電位器P1的設(shè)定值A(chǔ)I1，實際風壓反饋值用于顯示，變頻器的起動、停止和正反轉(zhuǎn)控制由K4、K5控制，根據(jù)風壓設(shè)定值控制風機轉(zhuǎn)速使得礦井風壓達到要求值。 
　　開關(guān)K3用于變頻器故障復位。模擬量輸出AO1設(shè)定為電機轉(zhuǎn)速，送給控制盤上的轉(zhuǎn)速表顯示電機轉(zhuǎn)速，繼電器RO1用于變頻器故障指示，繼電器RO2用于變頻器運行指示。 
4. 現(xiàn)場主通風機變頻裝置實際工況
 
　?。ㄒ唬?月20日主通風機一號二號及變頻裝置開始正式運行。 
　　下述數(shù)據(jù)是8月24日取得的現(xiàn)場一號風機的運行參數(shù)： 
　　1．靜壓：629Pa 
　　2．風量：70m3/s 
　　3．電動機的運行溫度為 46 ℃（8月下旬氣溫28℃） 
　　4．變壓器的運行溫度為35 ℃（8月下旬氣溫28℃） 
　　5．運行頻率：42.9Hz（513rpm） 
　　6．運行電流：242A（1#電機：130A;2#電機：113A） 
　?。? 高壓側(cè)電壓：6300V;高壓側(cè)電流：7.7A（A相）9.2A（C相） 
　　8．有功：80KVA 
　　9．無功：21KVA 
　　10．功率因數(shù)：0.96 
　　11．主通風機一號二號8月份用電量統(tǒng)計（*）： 

?。ǘ?nbsp;9月23日八連城礦二號風機運行數(shù)據(jù) 
　　1．靜壓：559Pa 
　　2．風量：74.9m3/s 
　　3．電動機的運行溫度為 46 ℃（8月下旬氣溫28℃） 
　　4．變壓器的運行溫度為38 ℃ 
　　5．運行頻率：32.06Hz（513rpm） 
　　6．運行電流：240A 
　　7.轉(zhuǎn)矩:15% 
　　8.功率:9.7% 
　　9. 高壓側(cè)電壓：6300V;高壓側(cè)電流：6.3A 
　　10．有功：62.72KVA 
　　11．無功：16.83KVA 
　　12．功率因數(shù)：0.96 
　　增容型高—低壓變頻調(diào)速集成裝置與其他變頻調(diào)速方法相比具有： 
　　1．率。本變頻系統(tǒng)效率大于96%。其中變頻器的額定效率為98%左右，節(jié)能型變壓器的額定效率為98.8%左右，電動機因放大了線規(guī)從而降低了電流密度和銅損，其額定效率可提高了0.5～5個百分點，本項目電動機效率即提高了5個百分點。 
　　2．高可靠性。一是采用無油枕全密封變壓器或者干式變壓器均系免維護類型。二是選用技術(shù)成熟的低壓大容量變頻器安全可靠，使用壽命長達70000小時。其中易損件之一內(nèi)冷卻風扇的使用壽命為8年（其他變頻器說明書標注2～3年），易損件之二電解電容器的使用壽命為15年（其他變頻器說明書標注4～5年）。三是利用高等級絕緣的電動機運行在低壓變頻工況下，絕緣壽命可謂無限長。四是備有變頻/工頻切換開關(guān)，萬一變頻器發(fā)生故障還可及時切換到工頻啟動—運行模式，即使是工頻運行，電動機仍可實現(xiàn)增容。 
　　3．低壓安全。由于變壓器將高/低壓隔離，從變壓器的輸出側(cè)→變頻器→電動機的運行電壓只有幾百伏，頗有安全感，便于操作和維護。同時消除了電動機的高壓電暈和變頻器的高壓吸塵弊端。 
　　4．省工期。本變壓器的制造周期只要半月；變頻器的供貨周期只需1～2月；高壓電動機增容改壓約1個月左右；控制柜加工不超過1周；安裝（包括敷設(shè)低壓動力電纜和控制屏蔽電纜，無須重打地基和更換對輪）約1周左右，當天調(diào)試當天投運。總施工期（即見效期）僅為1～3月。 
　　5．省投資。由于該裝置成本低，又增容，見效快，故投資回收期一般約為1～2年左右。本項目的投資回收期約為2年之內(nèi)。 
　　6．省能源。節(jié)電率一般為20%～50%，本主扇對旋風機目前實測節(jié)電率為  40%以上。 
　　7．省原材料。在同等原材料和元器件配置前提下，本方案能提高電動機的額定功率1～3個等級，提高變頻器的額定容量0.5～2個功率等級；在同等功率前提下，增容變頻方案可節(jié)省制造高壓電動機的鋼材10%～20%，節(jié)約高壓絕緣材料40%～60%。以本項目4臺電動機就是用250kW的原材料制造出280kW電動機。 
　　全系統(tǒng)操作簡便，設(shè)備維護量小，有效減低了風機噪聲，減小了電機起停過程對電網(wǎng)和風機的機械沖擊，延長設(shè)備的使用壽命，提高了效益。此種方案在礦業(yè)風機控制具有的推廣運用前景。