1 引言 　　琿春煤炭（集團）公司八連城礦根據生產發展需要，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的葉輪組成了對旋結構。在開采初期通風參數較低，而開采中后期則通風參數較高，必須采取調節通風措施，以適應井下通風網絡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節，在確保風機穩定工作的前提下，既能滿足生產對風量和風壓的要求，又能最大限度地節約能源。 　　八連城煤礦主扇采用兩臺燕京礦山設備有限公司生產的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。風機是煤礦生產的主要設備之一，風機正常安全工作在整個煤礦系統中起著至關重要的作用。為適應對旋軸流通風機的通風調節需求，特別是電動機和變頻器增容需求，特選用鞍山市權晟電子電力有限公司制造的專利產品“增容型高—低壓變頻調速集成裝置”（中國專利授權號：200410021252.9）。變頻控制部分采用高質量的Vacon變頻器，矢量控制型Vacon變頻器完全可以滿足工業環境下應用要求。使得控制系統可靠性高、編程簡單、易于維護。 ２ 增容型高—低壓變頻調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，為電動機提供變頻電源；二則隔離并抑制來自變頻過程中產生的高次諧波；三則為電動機提供工頻電源，一旦變頻器發生故障，即可恢復工頻運行模式。利用萬能組合開關實現變頻/工頻模式切換、正向/反向旋轉切換和主/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—低壓變頻調速設備選型：QSHLVF500-O6/500。數量：兩套（一工一備）。 裝置配置: 　　（1）多功能變壓器2臺。選用S9M-1000KVA節能型免維護全密封無油枕變壓器；環境溫度+40℃時，允許溫升55℃；兼有提供變頻電源電壓、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。控制電機的變頻器采用具有開環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專利技術，通過改壓增容為280kW變頻調速電動機HM′，使電機具備并超過變頻調速專用電動機的一些特性，而且比變頻調速專用電動機價格便宜 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。變頻單元選用世界一流產品, 具有開環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NXP09205A0N0SSGA1A2，B臺NXP09205A0N0SSGA1A2。 　　（4）模式切換柜2套。由萬用開關組合而成，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。 　　（5）現場操作箱（盤）2個。安裝在電動機近處，面板上設有啟動和停機按鈕、多圈電位器調速旋鈕、對旋方向切換開關、電動機運行電流和轉速數顯儀表，以及故障聲光報警器等。 2.2 增容型變頻裝置技術規格 　　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：0.94以上； 　　電壓總諧波：小于2%（遠低于國家標準GB/T14549­—93《電能質量公用電網諧波》針對6kV電網的限定值為4%，本方案業經東北電力諧波站多次現場測試，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動主扇軸流風機兩臺電動機，即“一拖二”模式； 　　系統控制：為PLC、DCS、FCF等系統控制留有數字量和模擬量接口； 　　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成，控制時每一臺對旋軸流通風機的兩臺風機要求轉速一致，變頻控制時同時起動和停止，工頻控制是分別起動。控制電機的變頻器采用具有開環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，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 控制系統的實現 　　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，它可以用來設計Vacon NX特殊的控制邏輯和參數。它包含了基本功能模塊和高級功能模塊，如各種濾波器，PID控制器和積分器。NC1131-3可以創建參數，故障信息和其他與應用相關的特性。 　　根據控制要求采用偉肯Vacon變頻器的PID控制應用宏，PID控制應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／反轉。 　　K3 ：故障復位。 　　K4 ：源B直接頻率起動／停止 　　K5 ：正轉／反轉。 　　K6 ：控制源A／B選擇端子。 　　變頻器輸入信號有： 　　模擬量AO1：電機轉速。 　　繼電器RO1：變頻器故障。 　　繼電器RO2：變頻器運行。 　　開關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的設定值AI1，實際風壓反饋值為AI2，變頻器的起動、停止和正反轉控制由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定值。 　　 　　開關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的設定值AI1，實際風壓反饋值用于顯示，變頻器的起動、停止和正反轉控制由K4、K5控制，根據風壓設定值控制風機轉速使得礦井風壓達到要求值。 　　開關K3用于變頻器故障復位。模擬量輸出AO1設定為電機轉速，送給控制盤上的轉速表顯示電機轉速，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. 現場主通風機變頻裝置實際工況 　　（一）6月20日主通風機一號二號及變頻裝置開始正式運行。 　　下述數據是8月24日取得的現場一號風機的運行參數： 　　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） 　　７. 高壓側電壓：6300V;高壓側電流：7.7A（A相）9.2A（C相） 　　8．有功：80KVA 　　9．無功：21KVA 　　10．功率因數：0.96 　　11．主通風機一號二號8月份用電量統計（電業局）： 　　 　　（二） 9月23日八連城礦二號風機運行數據 　　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.轉矩:15% 　　8.功率:9.7% 　　9. 高壓側電壓：6300V;高壓側電流：6.3A 　　10．有功：62.72KVA 　　11．無功：16.83KVA 　　12．功率因數：0.96 　　增容型高—低壓變頻調速集成裝置與其他變頻調速方法相比具有： 　　1．高效率。本變頻系統效率大于96%。其中變頻器的額定效率為98%左右，節能型變壓器的額定效率為98.8%左右，電動機因放大了線規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，萬一變頻器發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→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。 　　6．省能源。節電率一般為20%～50%，本主扇對旋風機目前實測節電率為 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，增容變頻方案可節省制造高壓電動機的鋼材10%～20%，節約高壓絕緣材料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。 　　全系統操作簡便，設備維護量小，有效減低了風機噪聲，減小了電機起停過程對電網和風機的機械沖擊，延長設備的使用壽命，提高了效益。此種方案在礦業風機控制具有的推廣運用前景。