设计研制工作报告.docx

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设计研制工作报告

矿井主扇风机高压变频调速装置

设计研究报告

淮北矿业（集团）有限责任公司

北京合康亿盛科技有限公司

二ОО六年十二月

1、概述........................................2

2、主要问题研究、目标及关键技术................3

3、系统技术要求及工作原理......................4

4、产品构成及特征..............................16

5、现场调试情况................................26

6、经济技术分析................................34

7、结论........................................36

1、概述

矿井主扇风机用于向井下提供新鲜风流、排除污浊空气和有害气体，对煤矿的安全生产影响重大。

一旦矿井通风不畅，瓦斯浓度升高到一定程度，即可能会造成爆炸塌井等重大事故，危及矿工的生命安全。

矿井主通风机全年不停地运行，其电耗量较大，平均电耗约占矿井电耗的15％。

通风设备及配套电动机的选型主要由矿井瓦斯涌出量、井下人员数量、通风井巷阻力等因素决定。

风机满速运行时的特性曲线与矿井通风网络阻力特性曲线的交点，确定了通风机的自然运行工况点。

但在许多情况下，自然工况点可能不是矿井通风所要求的工况点，其主要原因：

①预测的瓦斯涌出量与实际涌出量有差异，因而可能影响通风需求量；②预计的矿井通风网络阻力特性曲线与实际阻力特性曲线不尽相同；③矿井通风网络阻力特性曲线随着采掘工作面的推移而变化；④随着产量增减、采煤方法及井下工人劳动生产的变更等因素，通风需求量亦可能发生变化；⑤在节假日及检修期间，井下人员数量及瓦斯涌出量均减少，因而实际需要的通风量亦可减少。

通风机的服务年限通常为十几年甚至几十年。

为安全起见，设计阶段风机和电动机的规格都留有一定的裕量以适应通风网络阻力的变化。

因此通风设备调节方式的选择，决定了整个矿井的吨煤电耗及风机的使用寿命，以及企业的经济效益。

近年来，我国矿井多采用对旋式通风机，该类型风机采用交流隔爆异步电机双电机拖动。

该类型风机传统的调节系统是根据风量所需的多少，靠调节叶片角度来实现的，这种调节必须在风机停机时才能进行，只适合较长阶段的风量调节，调节起来也不方便，可调范围也不大（一般一度为一单位），电机全速运行，节电不明显。

另一种调节系统是调节风机电机转速，通过比较变频调速的方法是异步电机最有发展前途的调速方法。

目前，煤炭系统在矿井风机选型时，根据煤矿特点，考虑通风安全及前后期通风参数变化，风量、负压等数值选取偏大，造成风机能力过大，形成“大马拉小车”情况。

例如海孜矿中央风井配置两台BD-II-8-№26型对旋风机，一用一备，每台风机配置两台450kW、6kV防爆型鼠笼电机。

因矿井通风系统变化，目前虽然风机叶片角度已调到最小，并使用风门调节风量。

这样造成风机系统运行效率低下，电能浪费惊人，运行状况差，增加了维修工作量。

高压交流变频调速技术是90年代迅速发展起来的一种新型大容量电力传动调速技术，应用了先进的电力电子技术、计算机控制技术、现代通信技术和高压电气、电机拖动等综合性领域的学科技术，其技术和性能胜过其它任何一种调速方式,变频调速以其节能效益显著，调速精度高，调速范围宽，保护功能完善，易于实现的自动通信功能，运行安全可靠,安装使用、维修维护方便，使之成为企业采用大容量电机节能方式的首选。

如果采用高压交流变频调速技术，由于两个电机的参数一样，可以由一台1000kW容量的高压变频器控制两台电机，开环定速运行，风量风压控制在满足矿井的需要，能大大降低能耗，减少维修工作量。

因此，研制高压变频调速装置，使风机降速运行，同时调整叶片角度在高效区域，既满足风量要求，又提效节能，很有必要。

2、主要问题研究、目标及关键技术

2.1主要问题研究

（1）用高压变频调速装置对风机的拖动电机供电，通过改变频率，调整风机的转速，用降速的办法来降低风量，直至满足矿井需要。

（2）用一套高压变频调速装置，通过切换开关，可以分别拖动两台风机，具有一拖二功能。

（3）如高压变频调速装置出现故障，发出报警，可切换到工频运行，保证风机不停风，不影响矿井通风。

（4）高压变频器采用单元串联多电平方式，谐波成分小，功率因数高。

2.2目标

（1）通过高压变频调速装置，风机可以根据矿井通风需要随时调速运行，使风机始终运行在高效区。

（2）采用计算机进行过程控制，安全可靠，维护量小。

2.3技术关键

（1）国产高压变频调速技术在矿井大功率通风机上的首次应用，具有其应用的特殊性，通风机停机10分钟即为重大事故，因此对变频器的可靠性及系统的安全性设计要求很高。

（2）海孜矿中央风井是对旋式轴流风机，起动力矩大，采用低速补偿方式，使变频器在低速时具有良好的转矩输出特性。

（3）通风机为一用一备，为了节省投资，采用切换柜使变频器能在两台风机之间切换，实现一拖二功能。

（4）变频器与计算机之间的通讯，采用RS485隔离端口MODBUSRTU通讯规约，实现计算机对变频器的监视和控制。

3、系统技术要求及工作原理

3.1系统技术要求

3.1.1风机型号及参数：

BD-II-8-NO26型隔爆对旋轴流式通风机，风机转速740r/min，电动机功率2×450kW，电压6000V，防爆鼠笼型；风机工作介质：

矿井井下废气。

介质密度：

1.195kg/m3；风机数量：

2台（一台运行，一台备用）。

3.1.2工作方式：

⑴正常起动

⑵正常停机

⑶紧急停机

⑷反转反风到正常转速小于10min

⑸单机运行切换

⑹必要时单级运行

3.1.3风压、风量工况范围（双级运行）

风压：

1.98～2.94kPa

风量：

97.7～133.33m3/s

转速调节范围：

电机额定转速的60％～100％。

3.1.4技术要求：

⑴要求选用一套变频器直接拖动一台风机的2×450kW，6kV电机。

起动为低速大转矩起动。

⑵变频器采用单元串联多电平直接高一高变频器调速。

⑶谐波污染符合国家标准要求，适合普通鼠笼式电机，对周围设备无电磁干扰。

⑷具有就地监控和远程监控。

⑸控制系统具有在线检测变频器各种参数功能。

⑹各种保护齐全。

⑺单个功率模块发生故障时，立即声光报警，并自动将三相对应的功率模块旁路，变频器保持连续降额运行。

⑻当变频器故障时，可手动切换到工频运行。

⑼系统功率因数不低于0.95。

⑽具有一套装置通过切换，可实现拖动两台风机的功能。

3.1.5风机供电系统图如下：

图3.1风机供电系统图

3.2高压变频调速系统原理

3.2.1系统结构

HIVERT系列高压变频器采用交-直-交直接高压（高-高）方式，主电路开关元件为IGBT。

由于IGBT耐压所限，无法直接逆变输出6kV，而因开关频率高、均压难度大等技术难题无法完成直接串联。

HIVERT变频器采用功率单元串联，叠波升压，充分利用常压变频器的成熟技术，因而具有很高的可靠性。

它对电网谐波污染小，输入功率因数高，不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置；输出波形质量好，不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题，不必加输出滤波器，就可以使用普通的异步电机。

图3.2变频器主回路图

主隔离变压器（以下简称主变压器），有使用寿命长、免维护等优点。

变压器原边为Y型接法，直接与高压相接。

副边组数量依变频器电压等级而定，6kV系列为15个，为每个功率单元提供三相电源输入，采用延边三角形接法，绕组间的相位差由下式计算：

60°

移相角度=———————=12°

每相单元数量

由于为功率单元提供电源的变压器副边绕组间有一定的相位差，从而消除了大部分由单个功率单元所引起的谐波电流，所以HIVERT变频器输入电流的总谐波含量（THD）小于国家标准5%的要求，并且能保持接近1的输入功率因数。

图3.3为6kV系列（每相5单元串联）输入电流实录波形，电流峰值120A，几近完美的正弦波。

图3.3输入电流波形

变频器输出是将每相5个三相输入、单相输出的低压功率单元串联叠波得到。

3相输出Y接，中性点悬浮，得到驱动电机所需的可变频三相高压电源。

图3.4为6kV变频器的电压叠加示意图。

图3.46kV电压叠加图

图3.5为5个690VAC功率单元串联时，每个功率单元输出的电压波形及其串联后输出的相电压波形示意图，可以得到5～0～-5共11个不同的电压等级。

增加电压等级的同时，每个等级的电压值大为降低，从而减小了dv/dt对电机绝缘的破坏，并大大削弱了输出电压的谐波含量，图3.6为6kV系列每相五单元串联输出的Uab线电压波形实录图，峰值电压为8.5kV。

因为电机电感的滤波效果，输出电流波形更优于电压波形，图3.7即为输出电流Ia的实录波形图，峰值电流130A。

电压等级数量的增加，大大改善了变频器的输出性能，输出波形几乎接近正弦波。

图3.56kV系列5单元输出及相电压波形示意图

图3.6输出线电压波形

图3.7输出电流波形

3.2.2功率单元

功率单元原理见图3.8，输入电源端R、S、T接变压器二次线圈的三相低压输出，三相二极管全波整流为直流环节电容充电，电容上的电压提供给由IGBT组成的单相H形桥式逆变电路。

图3.8功率单元原理图

功率单元通过光纤接收信号，采用空间矢量正弦波脉宽调制（PWM）方式，控制Q1～Q4IGBT的导通和关断，输出单相脉宽调制波形。

每个单元仅有三种可能的输出电压状态，当Q1和Q4导通时，L1和L2的输出电压状态为1；当Q2和Q3导通时，L1和L2的输出电压状态为-1；当Q1和Q2或者Q3和Q4导通时，L1和L2的输出电压状态为0。

输出电压波形见图3.5。

功率单元可选单元旁路功能，当某个单元发生缺相故障、过热和IGBT故障而不能继续工作时，该单元及其另外两相相应位置上的单元将自动旁路，此时旁路开关K导通，以保证变频器连续工作，并发出旁路告警。

单元旁路时，变频器因运行单元数量减少，额定输出电压能力将降低，但当变频器本身运行频率较低，如6kV系列运行频率低于40Hz时，变频器将自动提高工作单元的输出电压，

图3.9单元控制板原理图

而保证变频器输出性能不变，实现无扰动自动旁路。

图3.10单元驱动板原理图

对于风机负载，因轴功率与转速的立方成正比，如6kV系列一级单元旁路时，输出能力为额定的80%，因此运行频率低于46.4Hz时，变频器仍能满足输出要求。

实际上变频器选型时留有一定的余量，此频率要更高些。

当负载较大，变频器旁路后满足不了输出要求时，变频器将自动降低运行频率，直到输出电流在允许范围内（如额定电流）。

3.2.3控制系统

控制系统由控制器，IO板和人机界面组成。

控制器由三块光纤板，一块信号板，一块主控板和一块电源板组成。

各部分之间的联系如图3.11HIVERT变频器控制系统结构图所示。

光纤板通过光纤与功率单元传递数据信号，每块光纤板控制一相的所有单元。

光纤板周期性向单元发出脉宽调制（PWM）信号或工作模式。

单元通过光纤接收其触发指令和状态信号，并在故障时向光纤板发出故障代码信号。

信号板采集变频器的输出电压、电流信号，并将模拟信号隔离、滤波和量程转换。

转换后的信号用于变频器控制、保护，以及提供给主控板数据采集。

主控板采用高速单片机，完成对电机控制的所有功能，运用正弦波空间矢量方式产生脉宽调制的三相电压指令。

通过RS232通讯口与人机界面主控板进行交换数据，提供变频器的状态参数，并接受来人机界面主控板的参数设置。

图3.11HIVERT变频器控制系统图

变频器接线图：

图3.12变频器系统接线图

人机界面为用户提供友好的全中文操作界面，负责信息处理和与外部的通讯联系，可选上位监控而实现变频器的网络化控制。

通过主控板和IO接口板通讯来的数据，计算出电流、电压、功率、运行频率等运行参数，提供表计功能，并实现对电机的过载、过流告警和保护。

通过RS232通讯口与主控板连接，通过RS485通讯口与IO接口板连接，实时监控变频器系统的状态。

IO接口板用于变频器内部开关信号以及现场操作信号和状态信号的逻辑处理，增强了变频器现场应用的灵活性。

IO接口板有处理2路模拟量输入和2路模拟量输出的能力，模拟量输入用于处理来自现场的流量、压力等模拟信号或模拟设置时的设置信号；模拟输出量是运行频率和输出电流。

接口板的输入输出均采用了隔离措施，输入采用光电隔离，数字量输出采用中间继电器隔离。

图3.13接口板原理图

4、产品构成及特征

4.1系统构成方案：

变频器为HIVERT-Y06/120，为了充分利用变频器和保证系统运行的可靠性，系统共设置了三个切换柜。

下图为高压变频器改造过程中高压变频器柜，变频器电源柜和三台切换柜。

3#切换柜对应东台风机，2#切换柜对应西台风机，1#切换柜的手柄打到上位置时变频器输出对应2#切换柜，1#切换柜的手柄打到下位置时变频器输出对应3#切换柜。

如图3.1所示，1#切换柜用于两台风机之间的变频切换，双投隔离开关QS置于位置1时，1#风机变频运行，置于位置2时2#风机变频运行。

2#切换柜内有两个双投隔离开关1QS和2QS，用于1#风机的变频和工频切换，隔离开关置于位置1时，风机变频运行，置于位置2时，风机工频运行。

3#切换柜内亦有两个双投隔离开关QS3和QS4，用于2#风机的变频和工频切换，隔离开关置于位置1时，风机变频运行，置于位置2时，风机工频运行。

所有隔离开关均采用单刀双投方式，实现了1#风机和2#风机以及变频和工频之间的机械互锁。

为实现变频故障的保护，变频器对上级断路器5QF进行连锁，一但变频器故障，将自动跳开5QF。

在变频器未准备就绪或故障状态下，5QF合闸无效。

变频器采用一拖二控制，一台风机的两台电机可以同时由变频器拖动运行，也可以单台电机由变频器拖动运行。

两台电机由变频器拖动运行时，电机可以正常退出运行，不需变频器停止运行；当单台电机由变频器拖动运行时，若需要另台电机投入运行，这时变频器应该停止运行，隔离开关操作到位后重新启动运行。

4.2变压器柜：

变压器柜内装有为功率单元提供三相电源的移相变压器。

柜门上还装设有干式变压器温度控制仪，为变压器提供温度告警和过热保护。

柜门内侧装有行程开关，当柜门打开时告警。

变压器和底座用螺钉连接成了一个整体，便于运输和安装。

柜体吊环仅用于吊装变压器柜，不能用于带变压器的整体吊装。

当需要整体吊装时，必须通过叉车孔，或者由变压器吊装孔吊装（见图4.2）。

对于6kV变频器，变压器正面右侧是副边绕组接线区域，与功率单元的三相输入电缆连接；接线柱与电缆的标号要一一对应。

变频器的三相高压输入和输出从底部（通过地沟）或侧面（通过地面）进入变压器背面。

输入电源接线在上部，直接进入变压器。

输出在下部，从功率单元来，为电机提供变频电源，要根据电机的旋转方向调整相序关系。

变压器柜顶部装有离心风机，在变压器底部同时装有6台冷却风机，每个铁芯柱的正面和背面各1个。

图4.26kV变压器

4.3控制/单元柜

6kV单元柜内安装的功率单元从上到下分成三组，分别为A相、B相和C相。

每相单元从右向左排列，如A相单元从右到左分别为A1、A2、A3、A4、A5。

单元下端通过快熔接变压器副边输出三相隔离电源，额定电压690V，单元上端为单相输出，每组的五个单元由铜排串联成一相，并且将每相的第一个单元短接，组成三相Y接，每相的第五个单元输出接变频器输出接线柱，即为变频器三相输出，额定电压6kV。

功率单元安装在导轨上，由两个M8的螺钉与导轨固定。

单元柜后部为通风道，冷空气通过前柜门过滤层，流经单元散热器，把功率单元内产生的热量带到后部通风道，由柜顶离心风机将热空气排到单元柜外。

柜门外装有过滤层，用于阻挡粉尘进入单元内部。

柜门内侧装有行程开关，用于柜门连锁，柜门打开时将发出告警。

控制系统安装在柜的后右面，从上到下依次为控制器（内含光纤板、主控板、信号板、电源板）和IO接口板。

电源开关及用户接线端子排在背面的右侧小门内，变频器输出接线柱在变压器柜背面的左侧挡板内。

图4.3控制/单元柜内部布置

操作人机界面安装在柜体左门上，人机界面下方是“故障复位”按钮及“高压分断”自锁按钮。

触摸屏上方有“高压指示”灯、“运行指示”灯和“故障指示”灯。

控制系统由220VAC和高压主电源双路供电，以保证运行过程中220VAC电源出现故障时变频器能继续工作。

光纤板连接与单元通讯的光缆，一块光纤板对应其中一相的单元。

电源板为控制器本身提供工作电源。

图4.4控制/单元柜外形图

4.4功率单元

功率单元（简称单元）安装在单元柜内，由螺钉固定在安装导轨上。

柜内的所有单元具有完全相同的电气和机械参数，可以互换。

单元的三相输入接主变压器的二次输出，并由熔断器保护；单相输出串联后，一端与其他两相短接成星点，一端输出到电机。

单元内有独立的控制板和驱动板，工作电源取自主回路中的直流环节，采用开关电源，正常工作电压范围为450VDC～1250VDC。

驱动板用于驱动IGBT和可选单元旁路中的可控硅，控制板通过光纤与系统中的光纤板通讯。

光纤是单元与主控系统的唯一连接，因而实现了单元与主控系统的完全电气隔离。

卸下单元与导轨的固定螺钉，输入电缆，输出铜排和光纤接头后，就完全将单元与单元柜分离了，并可以将其从导轨上取下。

单元安装的步骤则与之相反，将单元放到导轨上，往里轻推至极限位置，拧紧固定螺钉，接好输入电缆和输出铜排，插上光纤接头。

变频器停电后，单元内仍可能存在危险电压。

因此一定要等待LED熄灭后，方能卸下光纤接头，分离单元；如果要对单元内部操作，则必须要等电容完全放电后才能进行。

图4.5功率外形单元图

4.5变频器技术参数

技术方案

多级模块串联、直接高-高方式

型式及型号

HIVERT-Y06/120

使用标准

GB/T12668.4-2006

对电动机要求

普通鼠笼式、绕线式异步电机

系统额定输入电压

6kV

额定输入电压/允许变化范围

6kV±10%

系统输出电压

0～6kV

系统额定输出电流

120A

额定输入频率/允许变化范围

50Hz±10%

对电网电压波动的敏感性

+15%～-20%

输出频率范围

0.5—120Hz

输出频率分辨率

0.01Hz

加减速时间

10—1600秒

变频器效率

＞0.96（含变压器）

输入侧功率因数

＞0.95（＞20%负载）

谐波

输入电流<4%,输出电压<6%,输出电流<2%

可靠性指标（平均无故障工作时间）

20000小时

过载能力

120%1min，150%3即保护

控制方式

空间矢量控制的正弦PWM控制

控制电源

220V±10%AC，1kVA

逆变形式

IGBT逆变桥串连，

整流形式

30脉冲，二极管三相全桥，

高、低压电隔离方式

光电隔离

噪声等级

≤75dB

防护等级

IP30

冷却方式

强迫风冷

运行环境标准温度

0—40℃

标准控制连接

与DCS硬连接，RS485、ModbusRTU协议

模拟量信号（输入）规格及数量

4～20mA或0～10V，2路

模拟量信号（输出）规格及数量

4～20mA或0～10V，2路

开关量信号（输入）规格及数量

继电器干式接点，12点

开关量信号（输出）规格及数量

继电器干式接点，9点

变频器输入侧有无熔断器

变频器输入侧无熔断器，

功率单元输入侧有熔断器

操作键盘、人机界面

工业LCD，全中文显示

变频装置外形尺寸（mm）

3900宽×1200深×2100高

变频装置重量（kg）

5775

盘前维护或盘后维护

盘前操作，前后维护

4.6基本性能及说明:

变频器为高－高结构，6kV直接输出，不需输出升压变压器，输出为单元串联移相式PWM方式；

✓系统一体化设计，包括输入干式隔离变压器。

整套系统在出厂前进行整体测试及72小时连续负载试验；

✓30脉冲输入，优于IEEE519～1992及GB/T14519～93标准对电压失真和电流失真最严格的要求；

✓在20～100%的负载变化情况内功率因数不小于0.95，并且电流谐波少，无须功率因数补偿/谐波抑制装置；

✓每相5单元叠波输出，输出谐波分量小，对电机没有特殊的要求，可以使用普通异步电机，电机不必降额使用。

✓具有软起动功能，没有电机启动冲击引起的电网电压下跌，可确保电机安全、长期运行；

✓变频器抗干扰性强；对外界设备仪表（包括DCS等自动化系统）无干扰。

✓变频装置输出波形不会引起电机的谐振，转矩脉动小于0.1%。

变频器有共振点频率跳跃功能；

✓变频装置对输出电缆长度无任何要求，电机不会受到共模电压和dv/dt的影响；

✓变频器对电网电压波动有极强的适应能力，在±10%范围内变频器能满载工作，电网瞬时失电5个周期可满载运行不跳闸，掉电3s内不会停机；

✓控制系统采用全数字微机控制，有很强的自诊断功能，能对所发生的故障类型及故障位置提供中文指示，能在就地显示并远方报警，便于运行人员和检修人员能辨别和解决所出现的问题；

✓具有就地监控方式和远方监控方式。

在就地监控方式下，通过变频器上的LCD显示，可进行就地人工启动、停止变频器，可以调整输出频率；就地控制窗口采用中文操作界面，功能设定、参数设定等均采用中文。

✓变频器高压主回路与控制器之间为光纤连接，具有很高的通信速率和抗干扰能力，安全性好；

✓控制系统具有在线检测变频器输入电压、电流、功率和输出电压、电流、、频率等；

✓当母线电压降落时，变频器自动降低转速，以维持运转，一旦电压恢复正常则立即恢复到原来的正常转速；

✓变频器瞬时掉电时，变频器自动降额运行，使输出功率为零或为负，使电容上的能量维持较长的时间。

待输入电压恢复正常后，重新提升输出频率至给定值，此过程由加减速时间控制，没有初始化时间；

✓调速范围：

0-100%连续可调；

✓变频器抗地震能力为7级，振动0.5G；

✓临界速度可跳过（共2组，可任意设定）；

✓功率电路模块化设计，维护简单；

✓完整的故障监测电路、精确的故障报警保护；

✓自带冷却风机，风机电源与控制电源分开取电，风机电源取自输入侧变压器；

✓内置接口电路，易于改变控制逻辑关系，适应多变的现场需要；

✓可接受和输出0～10V/4～20mA工业标准信号；

✓内置PID调节器；

4.7变频器控制接口

✓模拟输入：

2路4～20mA或0～10V模拟量输入，用于给定和反馈量的输入；

✓模拟输出：

2路4～20mA或0～10V模拟量输出，用于输出电流和频率的指示；

✓数字量输入：

12点开关量无源输入：

远程起动/停止、复位、急停、速度给定等；

✓数字量输出：

9点中间继电器无源输出：

变频器就绪、运行、故障指示，与上级断路器的连锁等；

✓通讯接口：

变频器带有隔离RS485通讯接口，MODBUSRTU通讯协议，可以将运行状态、运行参数等传送至，并可以接收来自上位PLC或DCS的启动/停机控制和频率给定。

4.8保护

✓浪涌吸收保护:

每个功率单元均带有浪涌吸收保护。

✓熔断器保护:

每个功率单元均带有输入熔断器保护。

✓电机过载保护：

输出电流超过电机额定电流的120%，每2分钟允许1分钟，超