礦用螺桿式空壓機(jī)系統(tǒng)的高壓變頻節(jié)能改造設(shè)計(jì)和分析

1. 引言
　　電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程是國(guó)家發(fā)改委啟動(dòng)的“十一五”國(guó)家十大重點(diǎn)節(jié)能工程之一。在很多大型煤礦、電力等企業(yè)中，有很多大功率的螺桿式空壓機(jī)為井下氣動(dòng)設(shè)備提供氣壓，其年耗電量十分可觀。由于井下設(shè)備較多，且用風(fēng)時(shí)間不固定，用風(fēng)量不穩(wěn)定，因此空壓機(jī)必須連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)用風(fēng)量小時(shí)導(dǎo)致空壓機(jī)長(zhǎng)時(shí)間低負(fù)荷運(yùn)行，電能損耗增大并加劇了設(shè)備的磨損，增加了運(yùn)行成本。如負(fù)荷小時(shí)將設(shè)備停機(jī)或部分設(shè)備停機(jī)，將導(dǎo)致操作頻繁，縮短設(shè)備壽命，而且會(huì)影響用風(fēng)設(shè)備及風(fēng)動(dòng)工具的正常工作。
　　采用級(jí)聯(lián)多電平高壓變頻器拖動(dòng)高壓大功率電動(dòng)機(jī)的方案具有對(duì)電網(wǎng)無(wú)沖擊、可靠性高、節(jié)能效果顯著、輸出諧波小、輸入功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，故已成為發(fā)展主流趨勢(shì)。
　　高壓變頻器在為河南煤化集團(tuán)鶴壁四礦的兩套螺桿式空壓機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，主要為井下設(shè)備提供氣動(dòng)力，原來(lái)為工頻直接啟動(dòng)，長(zhǎng)期工頻恒速運(yùn)行，存在著啟動(dòng)電流大、能量嚴(yán)重浪費(fèi)、供氣壓力不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，故采用了變頻改造以提高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，本文主要介紹該變頻改造工程。
2. 空壓機(jī)變頻改造的必要性
2.1 螺桿空壓機(jī)的基本工作原理
　　螺桿空壓機(jī)的主要工作方式為啟動(dòng)、停止、加載、卸載，其進(jìn)氣口設(shè)置加載閥，通過(guò)加載電磁閥來(lái)控制入口閥門的開(kāi)關(guān)。空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)，若排氣壓力低于設(shè)定目標(biāo)壓力的下限，則空壓機(jī)控制器使加載電磁閥得電，將入口閥門打開(kāi)，空壓機(jī)處于滿負(fù)荷加載狀態(tài)；若排氣壓力高于設(shè)定目標(biāo)壓力的上限，則空壓機(jī)控制器命令加載電磁閥失電，從而將入口閥門關(guān)閉，空壓機(jī)處于無(wú)負(fù)荷卸載狀態(tài)，此時(shí)空壓機(jī)實(shí)際為空轉(zhuǎn)運(yùn)行。

2.2原工頻拖動(dòng)設(shè)備方案分析
　　系統(tǒng)為兩套參數(shù)相同的上海復(fù)盛旋轉(zhuǎn)螺桿式空壓機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，由異步電機(jī)拖動(dòng)空壓機(jī)旋轉(zhuǎn)，空壓機(jī)及其控制系統(tǒng)壓縮空氣為井下氣動(dòng)設(shè)備供氣。
　　異步電機(jī)參數(shù)：額定電壓6KV，額定電流43A，額定功率375KW。
空壓機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行情況如下：
（1）一臺(tái)設(shè)備運(yùn)行，一臺(tái)設(shè)備備用；如某臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)故障則退出運(yùn)行，啟動(dòng)另外一臺(tái)設(shè)備。
（2）為提高空壓機(jī)傳動(dòng)設(shè)備運(yùn)行壽命，方便檢修，兩臺(tái)設(shè)備每三天倒一次閘，使運(yùn)行設(shè)備轉(zhuǎn)為備用設(shè)備，備用設(shè)備轉(zhuǎn)為運(yùn)行設(shè)備。
（3）氣壓大于0.6MPa井下氣動(dòng)設(shè)備就可以工作，井下設(shè)備存在著幾個(gè)用氣高峰點(diǎn)，用氣少時(shí)井下壓力就高，空壓機(jī)控制系統(tǒng)通過(guò)加、卸載方式調(diào)節(jié)壓力，存在著調(diào)節(jié)速度較慢、調(diào)節(jié)精度不高和電磁閥頻繁動(dòng)作的缺點(diǎn)，實(shí)際每天的輸出壓力在0.60MPa至0.75MPa之間。
（4）電機(jī)一直在工頻50Hz恒速運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)每天的平均額定電流為38A；啟動(dòng)瞬間電流有效達(dá)200A左右；平均功率約310KW。
　　據(jù)電機(jī)傳動(dòng)控制原理，輸出功率正比于輸出轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩（轉(zhuǎn)矩與負(fù)載壓力成正比）兩個(gè)主要因素，原電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速和壓力都有下調(diào)空間，存在著巨大的能量浪費(fèi)，采用變頻調(diào)速對(duì)壓力和速度進(jìn)行連續(xù)可以大量節(jié)約電能。
3. 高壓變頻器系統(tǒng)的原理和應(yīng)用
　　經(jīng)設(shè)計(jì)冗余考慮，選擇我公司GVF-500-6-F2型的級(jí)聯(lián)多電平高壓變頻器，額定容量500kVA，每相6個(gè)功率單元級(jí)聯(lián)。根據(jù)礦井氣動(dòng)設(shè)備系統(tǒng)特點(diǎn)，系統(tǒng)采用壓力閉環(huán)，給定壓力為0.62MPa，變頻器內(nèi)置數(shù)字PID調(diào)節(jié)器，在變頻器界面上只需設(shè)置壓力給定變頻器即可自行對(duì)輸出頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)以穩(wěn)定壓力。
3.1變頻器改造電氣方案
變頻的電氣主接線圖如下：

圖1 變頻器電氣主接線圖
Fig1 main electric circuit of inverter

　　說(shuō)明：1QF為1#啟動(dòng)柜斷路器，2QF為2#啟動(dòng)柜斷路器，QS1~QS6為手動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)。其中QS5和QS2機(jī)械互鎖；QS4和QS1機(jī)械互鎖；QS6和QS3機(jī)械互鎖；QS5和QS4通過(guò)程序鎖互鎖；QS2和QS1通過(guò)程序鎖互鎖。
　　選擇1#高壓電機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)需要開(kāi)關(guān)操作順序：斷開(kāi)QS4，合QS5，合QS6，合1QF。
當(dāng)變頻器帶1#電機(jī)時(shí)如變頻器需要運(yùn)行檢修則斷開(kāi)1QF，合QS1，合2QF，使2#工頻拖動(dòng)。
　　采用該變頻調(diào)速方案，設(shè)備的可靠性得以進(jìn)一步提高。
　　6kV高壓變頻器每相由6個(gè)功率單元組成（圖2每相只畫(huà)出了3個(gè)模塊）。多電平高壓變頻器主要由旁路開(kāi)關(guān)柜（圖1所述）、移相變壓器、功率單元和控制器組成。如圖2示。

圖2 級(jí)聯(lián)型多電平變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
Fig2 Frame of the cascaded multilevel inverter

　　移相變壓器每相有6個(gè)繞組（圖2每相只畫(huà)出了3個(gè)），繞組依次錯(cuò)開(kāi)10度，實(shí)現(xiàn)了36脈波整流。移相變壓器的輸出接至各個(gè)功率單元，控制器通過(guò)光纖驅(qū)動(dòng)各功率單元。（圖中A相各單元接至移相變壓器，B、C相同理）。每個(gè)功率單元由三相橋式整流和H橋逆變組成，可以看出每個(gè)單元整流后的直流電壓是獨(dú)立的，這樣利于IGBT的控制，每相由低壓疊加成高壓。每個(gè)功率單元還有旁路控制（圖中未畫(huà)出），當(dāng)某單元出現(xiàn)問(wèn)題后，則該單元被旁路，余下的單元可以繼續(xù)工作，通過(guò)平衡算法控制使輸出的線電壓維持平衡，這樣增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。
3.2 多電平變頻器基本控制原理
異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為： （2）
　其中：n是電機(jī)轉(zhuǎn)速，f是定子頻率，s是電機(jī)轉(zhuǎn)差率，P是電機(jī)極對(duì)數(shù)。
　　對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)，P一般是固定的，s可調(diào)范圍也很小，f可變范圍很大。故調(diào)f是現(xiàn)在最主要的調(diào)速方式。根據(jù)電機(jī)理論，為了保持一定的轉(zhuǎn)矩能力必須維持磁通密度基本恒定，這樣就必須維持定子電壓和定子頻率的比值基本恒定，即變壓變頻控制（VVVF）。
多電平變頻器的一般采用載波相移SPWM控制技術(shù)，其基本原理是：每相由N個(gè)級(jí)聯(lián)單元組成，每個(gè)單元三角載波的相位角依次差360/N,同一相采用相同的正弦調(diào)制信號(hào),利用SPWM技術(shù)中的波形生成方式和多重化技術(shù)中的波形疊加結(jié)構(gòu)產(chǎn)生SPWM波形，從而實(shí)現(xiàn)多電平SPWM輸出；A，B，C相之間參考波依次相差120 。
　　對(duì)于每相由N個(gè)模塊單元級(jí)聯(lián)而成的變頻器，相電壓電平數(shù)最大為2N＋1，線電壓電平數(shù)最大為4N＋1，由此可見(jiàn)級(jí)聯(lián)模塊越多則輸出波形越接近正弦波，這樣有利于減小dv/dt和諧波。圖3是6個(gè)單元級(jí)聯(lián)輸出線電壓圖，可以看出輸出波形非常接近正弦波。

圖3 46Hz輸出電壓波形
Fig3 output voltage waveform when the frequency is at the 46Hz

3.3 變頻改造設(shè)計(jì)使用說(shuō)明
（1）經(jīng)分析和試驗(yàn)，設(shè)定高壓變頻系統(tǒng)為壓力閉環(huán)，用戶在界面輸入給定壓力（推薦值0.62Mpa），變頻器內(nèi)置數(shù)字PID調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器的輸出是給定電機(jī)的輸出頻率，通過(guò)調(diào)頻來(lái)調(diào)節(jié)壓力。實(shí)際壓力小時(shí)，負(fù)反饋調(diào)節(jié)器使輸出頻率增加進(jìn)而使輸出壓力上升以維持給定壓力；實(shí)際壓力大時(shí)，負(fù)反饋調(diào)節(jié)器使輸出頻率降低使壓力降低以減小能耗。
（2）加減速時(shí)間的設(shè)置，必須既要滿足工藝需要，又要保證系統(tǒng)可靠性，加速時(shí)間如設(shè)置的太小，則啟動(dòng)或加速過(guò)程中轉(zhuǎn)差率較大會(huì)造成電流過(guò)大。同理，減速時(shí)間如設(shè)置的太小，在減速的過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在發(fā)電機(jī)狀態(tài)時(shí)向變頻器反充電可能會(huì)造成模塊電容電壓過(guò)高，影響系統(tǒng)可靠性。經(jīng)試驗(yàn)和分析，本機(jī)系統(tǒng)加速時(shí)間范圍：60S至150S；減速時(shí)間：可在120S至300S。
（3）因?yàn)榭諌簷C(jī)控制系統(tǒng)啟動(dòng)前有壓力判斷裝置，所以變頻器啟動(dòng)前一般要等到壓力約小于等于0.45MPa才允許啟動(dòng)。
（4）隔離開(kāi)關(guān)和斷路器的順序一定要正確；采用變頻改造后由于電機(jī)能耗下降，電機(jī)軸溫下降（原來(lái)軸溫平均95度，改造后平均溫度80度）其它各項(xiàng)摩擦損耗都下降，對(duì)于提高設(shè)備的壽命是很有利的，所以兩臺(tái)空壓機(jī)的切換周期建議改為10天。
4.系統(tǒng)試驗(yàn)和節(jié)能計(jì)算
整機(jī)系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)做了調(diào)試并采集了試驗(yàn)波形。
4.1系統(tǒng)試驗(yàn)
圖4是采用變頻改造后異步電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程電流波形，圖5是穩(wěn)態(tài)36Hz電流輸出波形。

圖4 啟動(dòng)過(guò)程輸出動(dòng)態(tài)電流波形
Fig4 output current waveform during the startup

圖5 穩(wěn)態(tài)36Hz時(shí)輸出電流波形
Fig5 output current waveform when the frequency is at the 36Hz

有圖4可以看出啟動(dòng)電流較小，中間有較大的幅值（尖峰值約70A），其震動(dòng)是因?yàn)殡姍C(jī)一般有低頻震動(dòng)現(xiàn)象，該電機(jī)在7Hz----12Hz之間有機(jī)械震動(dòng)。因?yàn)樽冾l器內(nèi)部有電流反饋抑制措施使電機(jī)在很安全的范圍內(nèi)運(yùn)行，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于原來(lái)工頻直接啟動(dòng)過(guò)程。
圖5是電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行在36Hz時(shí)的電流波形，電流有效值29.9A，可以看出電流正弦很好，輸出諧波很小，對(duì)電機(jī)很有利。
4.2 節(jié)能計(jì)算
系統(tǒng)原工頻運(yùn)行：空壓機(jī)壓力在0.62MPa至0.75MPa之間，電機(jī)一天的平均額定電流為38A；平均功率310KW
　　采用變頻器器后運(yùn)行后：壓力基本在0.6MPa--0.65MPa，電機(jī)平均電流電機(jī)32A，輸入平均電流23A，平均輸入功率200KW。
變頻器一年按工作350天計(jì)算，則一年總節(jié)能：
（310-200）*24*350= 92.4萬(wàn)度
按一度電0.5元計(jì)算，則一年可節(jié)電46.2萬(wàn)元。
5.結(jié)語(yǔ)
　　實(shí)踐證明，高壓變頻器用于礦用螺桿式空氣壓縮機(jī)具有可靠性高、節(jié)能效果顯著、使空壓機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)，大大減少了設(shè)備維護(hù)、 維修費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)，具有明顯的直接和間接經(jīng)濟(jì)效益，符合國(guó)家和企業(yè)的利益，有著廣闊的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)：
[1] 肖付釗 變頻閉環(huán)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)在空壓機(jī)中的應(yīng)用[J]
煤礦機(jī)械 2005(4)：
[2] 厲國(guó)華 基于變頻技術(shù)的螺桿空氣壓縮機(jī)控制系統(tǒng)的研究 [J]
壓縮機(jī)技術(shù)，2007(05)
[3] 李永東 等 大容量多電平變換器[M]， 北京：科學(xué)出版社 2005年10月
[4] 張皓，續(xù)明近，楊梅 高壓大功率交流變頻調(diào)速技術(shù)[M]，北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2006年
[5] 南永輝，羅仁俊，伍海林 基于級(jí)聯(lián)型多電平逆變器的異步電機(jī)控制策略研究[J]，
變流技術(shù)與電力牽引， 2008(05)：11-15.
[6] 魯欣南 變頻技術(shù)應(yīng)用于空壓機(jī)節(jié)能改造的控制策略分析 [J]
浙江電力,2008(05)