煤矿FBCDZ系列大型主扇风机变频驱动系统技术方案浅析.pdf

62 | 电气时代2 0 1 0 年第 4 期 电气传动产品与技术 product & technology f b c d z系列主扇风机概况 f b c d z系列风机是防爆轴流抽出式对旋主扇 风机，主要用于煤矿井下主通风。随着煤炭行业的 发展，使用量越来越多，而且风机的功率也在向大 的方向发展，然而也带来一系列的问题，例如普遍 存在的电动机不易保养问题、 轴承容易损坏的问题、 调节风量不能节能的问题、 大功率风机起动问题等， 由于上述问题的存在，限制了此类风机的发展，尤 其是向大功率方向发展。因此风机的发展关键在电 动机技术与电气控制技术的改进与提升。近几年， 业内同仁也在这方面投入了大量研究，但效果都不 理想，特别是对大风机配套专用电动机、电气的研 究，都很不成功。 新的解决方案的探索与研究 如何提高电动机和电气控制技术水平，是此类 风机可靠不可靠，节能不节能的关键。 按照研究课题的需要，根据市场调研，选择了 一个国有煤矿风机扩能改造项目作为研究对象。现 将该技术方案进行分析，供同行参考。 该矿原风机为对旋风机， 总功率为2 6 3 0 k w ， 根据该矿发展规划，五年内将使风量使用量达到最 大，供风总功率为2 1 8 5 0 k w ，是目前最大功率 的对旋风机。如果这个项目获得成功，将能满足国 内目前对对旋风机的需求。 本项目总的技术方案是：选择适合风机工况的 变频器，研制大型对旋风机专用电动机。现将具体 技术方案作一个简要分析。 1 . 变频器技术方案分析 ( 1 ) 变频器的选择 考虑到大功率电动机起动时对旧矿老电网可能 产生的影响，以及风机在不同风量时的工况，选择 了变频器控制技术。一是减轻电动机起动时对老电 网的影响；二是可在不同的工况下实现节能。经过 反复论证，本项目选择了a c s 5 0 0 0 变频器，连续输 出功率为4 0 0 2 5 0 0 k v a ；每相输出电压为4 k v ； 冷却方式为风冷。变频器采用直接转矩控制( d t c ) 技术，对电动机进行转矩与速度控制。半导体开关 器件采用i g c t 。该技术具有控制模式、功率模块简 化，结构更加紧凑合理，使所控制电动机获得卓越 的转矩特性和速度特性。 ( 2 ) 变频器直接转矩控制技术 本变频器采用直接转矩控制( d t c ) 技术。逆变 器的开关状态由电动机的磁通和转矩直接控制。测 量的电动机电流和直流电压作为自适应电动机模型 的输入，该模型每2 5 m 产生一组精确转矩和磁通 的实际值。电动机转矩比较器将转矩实际值与转矩 给定调节器的给定值作比较，磁通比较器将磁通实 际值与磁通给定调节器的给定值作比较。依靠来自 这两个比较器的输出，优化脉冲选择器决定逆变器 的最佳开关状态。它省掉了复杂的矢量变换与电动 机数学模型的简化处理。 ( 3 ) a c s 5 0 0 0 高压变频器功率模块分析 变频器采用3 6 脉冲多重化整流方式。要求配套 变频器 煤矿 f b c d z系列大型主扇风机 变频驱动系统技术方案浅析 文 / 山西防爆电动机( 集团) 有限公司 杨枢林 通过对煤矿f b c d z 系列大型旋风机配套电动机、电气在发展过程中暴露出来 的问题进行了分析， 并找到了一种应对问题、 解决问题的技术方案。 变频技术与专 用电动机技术的研究与应用， 使大型对旋风机的发展有了重大突破， 新方案的实施 对于煤矿的安全生产，改善环境及节能降耗起到了积极的推动作用。 64 | 电气时代2 0 1 0 年第 4 期 电气传动产品与技术 product & technology 移项变压器，二次绕组采用6 套次级绕组，采用沿 边三角形得到曲折接法，以满足3 6 脉冲输入整流桥 的要求，谐波完全满足i e e e 5 1 9 和g b / t 1 4 5 4 9 谐 波标准。 逆变器为电压型九电平无熔断器( v s i m f ) 设 计。控制方式基于d t c控制技术的a c s 5 0 0 0变频 器不需要在电动机侧加装码盘，就可提供精确的速 度和转矩控制。 ( 4 ) 特殊功能描述 1 ) 电动机辨识。基于电动机铭牌上的数据， a c s 5 0 0 0内部 d t c电动机模型的所有参数将自 动计算。此程序通常在调试时只需运行一次( 空 载辨识时间为 5 m i n ) 。如果需要( 例如 a c s 5 0 0 0 变频器驱动其他的电动机) 可以随时进行电动机 辨识运行。 2 ) 危险速度跨越。a c s 5 0 0 0 变频器可设置多组 危险频率段，在变频器控制电动机加速过程中，可 快速跨越风机所有危险频率段。 3 ) 磁通优化。 当电动机负载未饱和时， a c s 5 0 0 0 自动优化电动机磁通，降低总体能耗和电动机噪声。 依据负载转矩和速度， 总体效率( 变频器和电动机) 可 以提高1 % 1 0 % 。 2 . 专用防爆变频电动机技术方案分析 ( 1 ) 稀油润滑 润滑问题一直是此类电动机较难解决的一个问 题，电动机被包裹在风机中央，如果是脂润滑，注 脂与排脂都较困难，油脂量过多或过少都会引起润 滑不良，实际上轴承过早损坏，润滑不良原因占到 三分之一多。现设计采用稀油强制润滑，就是要改 善轴承的润滑条件。 ( 2 ) 电动机绝缘结构 由于此电动机采用变频器供电， 尽管变频器质 量较好，但是考虑电动机安全，必须考虑谐波对电 动机的影响。因此，在电动机的设计上电磁线采用 防电晕电磁线，对地绝缘增加 0 . 2 m m 。这样既提 高了防电晕能力和耐压能力， 又提高了电动机的可 靠性。 ( 3 ) 防止轴电流措施 由于电动机为大功率的变频电动机，三种类型 的高频轴承电流：循环电流、转轴接地电流和电容 性放电电流都有可能存在。因此，对电动机的预防 轴承电流措施采用了复合结构，两端轴承均采用绝 缘轴承并增加轴电流引出接地装置，提高了轴承运 行的可靠性。 ( 4 ) 电动机的冷却 为了满足各种转速下的冷却风量，实现电动机 的低温升，电动机冷却采用强制风冷。 方案的实施与结果 经过近一年的产品研制，于2 0 0 9 年7 月份开始 试运行，经测定所有性能指标均达到了设计的技术 要求。 1 ) 变频器电网侧与电动机侧的谐波符合g b / t 1 4 5 4 9 要求。 2 ) 在起动过程中电流仅为额定电流的1 . 1 倍， 没有强电流冲击，矿区内电网正常使用，未受 影响。 3 ) 系统能够按照要求进行调速， 并能避开风机 谐振点，顺利跨越危险转速。 4 ) 风机的切换顺利，起停之间时间减少，风 机靠能耗制动停转，比原来机械制动既可靠又操 作简单。 5 ) 有效满足了井下不同工况对风量的要求， 电 动机在6 0 % 负荷时，不需要开关风门大小调节，可 减少输入功率1 3 5 k w 。 6 ) 电动机的轴承运行温度低而平稳， 润滑良 好。在当地最高环境温度 3 7 时，温度也未超 6 0 。免去了过去电动机定期注、排油脂的工 作，不用担心油脂过多或过少而引起轴承润滑不 良的事故。 7 ) 电动机绕组温度一直保持在6 5 以下。 8 ) 整个系统的噪声比原来风机噪声减低1 5 d b ， 使工作环境得到了改善。ea (收稿日期：2010.03.01) 2 0 1 0 年2 月，上海安科瑞电