前言:通過對煤礦FBCDZ系列大型對旋風(fēng)機配套電動機、電器在發(fā)展過程中暴露出來的問題進行分析,找到了一種解決問題的技術(shù)方案。變頻技術(shù)與電動機技術(shù)的研究與應(yīng)用,使大型對旋風(fēng)機的發(fā)展有了重大突破,新方案的實施對于煤礦的安全生產(chǎn)、改善環(huán)境,以及節(jié)能降耗起到了積極的推動作用。
FBCDZ系列風(fēng)機是防爆抽出式對旋軸流通風(fēng)機,主要用于煤礦井下主通風(fēng)。結(jié)構(gòu)原理如圖所示,其將兩臺相同功率的電動機安裝在風(fēng)機流道*,并在面對面布置的電動機軸伸上直聯(lián)兩個大風(fēng)扇,稱為Ⅰ級風(fēng)機和Ⅱ級風(fēng)機,兩風(fēng)機旋向相反。風(fēng)機在運行中,將來自井下的含瓦斯空氣抽出,風(fēng)經(jīng)電動機外隔流罩四周通道流出。電動機的冷卻由大氣環(huán)境中的空氣從口1、2進入電動機內(nèi)部,從口3、4流出。由于這種結(jié)構(gòu)的風(fēng)機能獲得高的風(fēng)壓和效率,而且占地面積小,無需建風(fēng)機房,建設(shè)周期短、基建投資少,因此,近年來在煤礦主通風(fēng)中應(yīng)用較多,特別是在中、小型風(fēng)機中發(fā)展較快。
隨著煤炭行業(yè)的發(fā)展,風(fēng)機使用量越來越多,而且其功率也在向更大的方向發(fā)展,然而這也帶來一系列的問題,例如普遍存在的電動機不易保養(yǎng)、軸承容易損壞、調(diào)節(jié)風(fēng)量不能節(jié)能,以及大功率風(fēng)機起動等問題。
上述問題的存在限制了此類風(fēng)機的發(fā)展,尤其是向大功率方向發(fā)展。因此風(fēng)機的發(fā)展關(guān)鍵在于電動機技術(shù)與電氣控制技術(shù)的改進與提升。近幾年,業(yè)內(nèi)同仁也在這方面投入了大量研究,但效果都不理想,特別是對大風(fēng)機配套電動機及電氣的研究。
探索與研究解決方案
如何提高電動機的技術(shù)水平和電氣控制技術(shù)水平,是此類風(fēng)機是否可靠且節(jié)能的關(guān)鍵。按照研究課題的需要,根據(jù)市場調(diào)研,選擇了一個國有煤礦風(fēng)機擴能改造項目作為研究對象,進行了卓有成效的研究并取得了重要成果。
該礦原風(fēng)機為對旋風(fēng)機,總功率為2×630kW,根據(jù)該礦發(fā)展規(guī)化,五年內(nèi)將使風(fēng)量使用量zui大化,供風(fēng)總功率為2×1850kW,是目前zui大功率的對旋風(fēng)機。如果這個項目獲得成功,將能滿足國內(nèi)目前對對旋風(fēng)機的需求。
本項目總技術(shù)方案選擇適合風(fēng)機工況的世界的變頻器,研制大型對旋風(fēng)機電動機。具體技術(shù)方案簡要分析如下:
1. 變頻器的選擇
考慮到大功率電動機起動時對舊礦老電網(wǎng)可能產(chǎn)生的影響,以及風(fēng)機在不同風(fēng)量時的工況,選擇了變頻器控制技術(shù)。一是減輕電動機起動時對老電網(wǎng)的影響;二是可在不同的工況下實現(xiàn)節(jié)能。經(jīng)過反復(fù)論證,本項目選擇了具有*技術(shù)的ACS5000變頻器,連續(xù)輸出功率為400~2500kW;每相輸出電壓為4kV;冷卻方式為風(fēng)冷。變頻器采用直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)技術(shù),對電動機進行轉(zhuǎn)矩與速度控制。半導(dǎo)體開關(guān)器件采用IGCT,該技術(shù)具有控制模式,功率模塊簡化、結(jié)構(gòu)更加緊湊合理,使所控制電動機獲得的轉(zhuǎn)矩特性和速度特性。
2. 變頻器直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)
本變頻器采用直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)技術(shù),DTC技術(shù)是繼矢量控制(VC)技術(shù)之后的一種新型交流變頻調(diào)速技術(shù)。逆變器的開關(guān)狀態(tài)由電動機的核心變量磁通和轉(zhuǎn)矩直接控制。測量的電動機電流和直流電壓作為自適應(yīng)電動機模型的輸入,該模型每25μm產(chǎn)生一組轉(zhuǎn)矩和磁通的實際值。電動機轉(zhuǎn)矩比較器將轉(zhuǎn)矩實際值與轉(zhuǎn)矩給定調(diào)節(jié)器的給定值做比較,磁通比較器將磁通實際值與磁通給定調(diào)節(jié)器的給定值做比較。依靠來自這兩個比較器的輸出,優(yōu)化脈沖選擇器決定逆變器的*開關(guān)狀態(tài),省掉了復(fù)雜的矢量變換與電動機數(shù)學(xué)模型的簡化處理。
3. ACS5000高壓變頻器功率模塊
變頻器采用36脈沖多重化整流方式。要求配套移項變壓器,副邊繞組采用6套次級繞組,采用沿邊三角形得到曲折接法,以滿足36脈沖輸入整流橋的要求,諧波*IEEE-519和GB/T14549諧波標準。
逆變器為電壓型九電平無熔斷器(VSI-MF)設(shè)計。控制方式基于DTC控制技術(shù)的ACS5000變頻器無需在電動機側(cè)加裝碼盤,就可提供的速度和轉(zhuǎn)矩控制。
4. 特殊功能
基于電動機銘牌上的數(shù)據(jù),ACS5000內(nèi)部DTC電動機模型的所有參數(shù)將自動計算。此程序通常在調(diào)試時只需運行一次(空載辨識時間為5min)。如果需要(例如ACS5000變頻器驅(qū)動其他電動機)可以隨時進行電動機辨識運行。
ACS5000變頻器可設(shè)置多組危險頻率段,在變頻器控制電動機加速過程中,可快速跨越風(fēng)機所有危險頻率段。
當電動機負載未飽和時,ACS5000自動優(yōu)化電動機磁通,降低總體能耗和電動機噪聲。依據(jù)負載轉(zhuǎn)矩和速度,總體效率(變頻器和電動機)可以提高1%~10%。
實施與結(jié)果
經(jīng)過近一年的產(chǎn)品研制,設(shè)備于2009年7月份開始試運行,經(jīng)測定所有性能指標均達到了設(shè)計的技術(shù)要求。
變頻器電網(wǎng)側(cè)與電動機側(cè)的諧波符合GB/T14549要求;
在起動過程中電流僅為額定電流的1.1倍,沒有強電流沖擊,礦區(qū)內(nèi)電網(wǎng)正常使用,未受影響;
系統(tǒng)能夠按照要求進行調(diào)速,并能避開風(fēng)機諧振點,順利跨越危險轉(zhuǎn)速;
風(fēng)機的切換順利,起停之間時間減少,風(fēng)機靠能耗制動停轉(zhuǎn),比原來機械制動更可靠且操作簡單;
有效滿足了井下不同工況對風(fēng)量的要求,電動機在60%負荷時,不需要開關(guān)風(fēng)門大小調(diào)節(jié),可減少輸入功率135kW;
電動機的軸承運行溫度低且平穩(wěn),潤滑良好。在當?shù)貁ui高環(huán)境溫度37℃時,溫度也未超60℃。免去了過去電動機定期注、排油脂的工作,不用擔心油脂過多或過少而引起軸承潤滑不良的事故;
電動機繞組溫度一直保持在65℃以下;
整個系統(tǒng)的噪聲比原來風(fēng)機噪聲降低15dB,使工作環(huán)境得到改善。
變頻技術(shù)成為*選擇
FBCDZ系列對旋風(fēng)機向更高功率的方向發(fā)展,電氣控制技術(shù)與電動機技術(shù)是關(guān)鍵。變頻技術(shù)容易實現(xiàn)平穩(wěn)起動、方便調(diào)速,煤礦主井通風(fēng)為了滿足不同工況對風(fēng)量的要求,往往選擇較大電動機功率,變頻技術(shù)使其節(jié)能成為*選擇。其次,風(fēng)機電動機的研究是提高風(fēng)機運行可靠的關(guān)鍵,特別是軸承結(jié)構(gòu)的設(shè)計、潤滑方式、密封方式的選擇,以及電動機的冷卻系統(tǒng)的設(shè)計,都必須考慮電動機使用的特殊環(huán)境,不能用一般電動機來替代。經(jīng)過不斷地改進和提高,大型對旋風(fēng)機技術(shù)將會日趨成熟,一種性能更加良好、更加安全可靠的煤礦通風(fēng)設(shè)備將會成為煤礦安全生產(chǎn)、節(jié)能降耗的有力支持。
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