摘要: “增容型高—低压变频调速集成装置”新方案，具有高功率、高效率、高功率因数、高可靠性、低成本、低谐波、低温升、低压安全、省工时、省投资、省能源和省原材料等特点，为3～10kV 、200～3000kW中高压电动机的变频调速提供了一个最佳化高—低压变频调速方案。
关键词：高—低压；Vacon变频器；变频调速
Abstract:Now, invented a increasable capacity integrated installation of high/low voltage variable frequencies variable speed for high- middle voltage motor. It has feature of high power, high power factor, high reliability, low cost, low harmonic, low temperature, low-voltage safe,safing-man-hours,safing-investment, safing-energy, safing-material.It offers a optimization of high/low voltage variable frequencies variable speed for 3～10kV 、200～3000kW high-middle voltage motor.
Key Word: High/Low voltage；Vacon Inverter；Variable Frequencies Variable Speed
1 引言
珲春煤炭（集团）公司八连城矿根据生产发展需要，新上两台主扇对旋轴流风机，一工一备。每台风机由两个相对互为反向旋转的叶轮组成了对旋结构。在开采初期通风参数较低，而开采中后期则通风参数较高，必须采取调节通风措施，以适应井下通风网络的变化和不同时期的通风需求，对风机的工矿点进行有效地调节，在确保风机稳定工作的前提下，既能满足生产对风量和风压的要求，又能最大限度地节约能源。
八连城煤矿主扇采用两台燕京矿山设备有限公司生产的FBDCZ（原BDK）煤矿地面用防爆抽出式对旋轴流通风机，两台风机互为备用，风机型号：BDK-10—NO25 防爆合格证：52025-98 防爆等级 dI 风量：2580～8820M3/min 静压：1670～4510Pa 介质密度 1.2kg/m3 电机型号：YBF-450MI-10 2×250KW 592r/min 额定电流 379A 额定电压 500V F级绝缘 △接 允许温升 85℃ 2006年5月生产。风机是煤矿生产的主要设备之一，风机正常安全工作在整个煤矿系统中起着至关重要的作用。为适应对旋轴流通风机的通风调节需求，特别是电动机和变频器增容需求，特选用鞍山市权晟电子电力有限公司制造的专利产品“增容型高—低压变频调速集成装置”（中国专利授权号：200410021252.9）。变频控制部分采用高质量的Vacon变频器，矢量控制型Vacon变频器完全可以满足工业环境下应用要求。使得控制系统可靠性高、编程简单、易于维护。
２ 增容型高—低压变频调速集成装置简明原理
该变频装置由多功能变压器T、可增容的低压大功率变频器F、利用普通高压电动机改压增容的变频调速电动机HM＇，以及切换装置C所集成。
本项目就是利用6kV、250kW、10极防爆型电动机，通过采用“中压绝缘”和低压接线方式，增容为280kW。又利用多功能变压器一则提供“变频器输入电压补偿装置”，将500kW变频器增容为630kW，为电动机提供变频电源；二则隔离并抑制来自变频过程中产生的高次谐波；三则为电动机提供工频电源，一旦变频器发生故障，即可恢复工频运行模式。利用万能组合开关实现变频/工频模式切换、正向/反向旋转切换和主/备机组切换。
其电气原理如图1所示。
2.1 增容型变频装置配置
增容型高—低压变频调速设备选型：QSHLVF500-O6/500。数量：两套（一工一备）。
装置配置:
（1）多功能变压器2台。选用S9M-1000KVA节能型免维护全密封无油枕变压器；环境温度+40℃时，允许温升55℃；兼有提供变频电源电压、工频电源电压、隔离与抑制高次谐波等多项功能。
（2）变频调速电动机4台。是利用YBF450M2-10型6kV、250kW高压电动机高等级绝缘、内风冷量大的特点，电机为：佳木斯电机股份有限公司 隔爆型三相异步电动机型号：YBT-450MI-10 250KW 50Hz IP44 500V 379A F级绝缘 △接 cosΦ=0.808 592r/min。控制电机的变频器采用具有开环矢量控制功能芬兰伟肯Vacon变频器，在电机制造过程中融入本专利技术，通过改压增容为280kW变频调速电动机HM′，使电机具备并超过变频调速专用电动机的一些特性，而且比变频调速专用电动机价格便宜 50%左右 。高压电动机实施低压运行，将进一步延长电机的使用寿命。
（3）变频控制柜2台。变频单元选用世界一流产品, 具有开环矢量控制功能芬兰伟肯Vacon变频器（进口原装）。输出功率由500KW增容到630KW。Vacon变频器型号为：A台NXP09205A0N0SSGA1A2，B台NXP09205A0N0SSGA1A2。
（4）模式切换柜2套。由万用开关组合而成，具有变频/工频切换、正向/反向切换等多种操作模式，以备特殊情况下，切换到工频启动—运行模式和反向启动—运行模式。
（5）现场操作箱（盘）2个。安装在电动机近处，面板上设有启动和停机按钮、多圈电位器调速旋钮、对旋方向切换开关、电动机运行电流和转速数显仪表，以及故障声光报警器等。
2.2 增容型变频装置技术规格
输入电压：3相6kV-15%～＋10%；
输出功率：630kW；
输出频率：0～50HZ；
效 率：96%以上；
功率因数：0.94以上；
电压总谐波：小于2%（远低于国家标准GB/T14549—93《电能质量公用电网谐波》针对6kV电网的限定值为4%，本方案业经东北电力谐波站多次现场测试，仅为1.1%～1.3%）；
启动模式：变频软启动，启动电流不超过额定电流；
运行模式：变频/工频切换，正向/反向切换；
控制模式：一台变频装置同步对旋驱动主扇轴流风机两台电动机，即“一拖二”模式；
系统控制：为PLC、DCS、FCF等系统控制留有数字量和模拟量接口；
变频柜外形尺寸：
2200（高度）+2000（宽度）+800（厚度）mm。
工频切换及正反转切换柜外形尺寸：
2200（高度）+2800（宽度）+800（厚度）mm。
变压器外形尺寸：
1780（长度）×1040（宽度）×1720（高度）mm，轨距：820mm。
电动机型号：YBF450M2-10；输出功率由250kW增容到280kW。
3．系统工作原理概述
主扇采用两台防爆对旋轴流通风机，两台对旋轴流通风机互为备用。每台对旋轴流通风机又是由两台风机相对安装构成，控制时每一台对旋轴流通风机的两台风机要求转速一致，变频控制时同时起动和停止，工频控制是分别起动。控制电机的变频器采用具有开环矢量控制功能的芬兰伟肯Vacon变频器，用两台变频器分别控制两台防爆对旋轴流通风机，采用一台变频器同时拖动对旋轴流通风机的两台电动机方式。
平时工作时A台对旋轴流通风机变频控制旋转，B台对旋轴流通风机备用。每台对旋轴流通风机又分别具有工频、变频控制功能，工频控制为变频控制备用。当Ａ台对旋轴流通风机变频控制维护时起动备用的B台对旋轴流通风机变频控制。当A、B两台对旋轴流通风机变频控制同时维护时，起动A台对旋轴流通风机工频控制工作，用风门控制通风量，当A台对旋轴流通风机工频控制也同时需要维护时，起动B台对旋轴流通风机工频控制工作。通过风机互备确保通风安全。
3.1 控制系统的实现
每台防爆对旋轴流通风机要求具有两种控制方式：机旁的直接频率控制和上位机的集中PID控制。每台防爆对旋轴流通风机具有变频控制和工频控制切换功能。
煤矿三相电源为6000V交流电，考虑到高压电机变频控制一次性投资大，安全性差等原因。采用增容型高-低压变频调速集成装置，用降压变压器把6000V电压降为500V，再采用电压等级为380V~500V的芬兰伟肯Vacon变频器进行变频控制。电机也由高压6000V电机换成低压500V电机，降低了投资，提高了系统的可靠性。
芬兰伟肯Vacon变频器具有可编程功能。Vacon编程工具Vacon NC1131-3 Engineering是一个符合IEC61131-3标准的图形化的编程工具，它可以用来设计Vacon NX特殊的控制逻辑和参数。它包含了基本功能模块和高级功能模块，如各种滤波器，PID控制器和积分器。NC1131-3可以创建参数，故障信息和其他与应用相关的特性。
根据控制要求采用伟肯Vacon变频器的PID控制应用宏，PID控制应用宏具有两地控制功能，分别为源A和源B控制，其中源Ａ控制为PID控制方式，源B控制为直接频率控制，伟肯变频器控制端子接线图如图2。
变频器输入信号有：
P1 ： 源B电位器频率给定值。
AI2： 源A PID控制 压力反馈实际值。
K1 ： 源A电机起动／停止。
K2 ： 正转／反转。
K3 ：故障复位。
K4 ：源B直接频率起动／停止
K5 ：正转／反转。
K6 ：控制源A／B选择端子。
变频器输入信号有：
模拟量AO1：电机转速。
继电器RO1：变频器故障。
继电器RO2：变频器运行。
开关K6闭合时源A控制有效，控制方式为PID控制，给定值为电位器P1的设定值AI1，实际风压反馈值为AI2，变频器的起动、停止和正反转控制由K1、K2控制，PID控制框图如图3。通过PID控制使得矿井风压保持为风压设定值。
开关K6断开时源Ｂ控制有效，控制方式为直接频率控制，给定值为电位器P1的设定值AI1，实际风压反馈值用于显示，变频器的起动、停止和正反转控制由K4、K5控制，根据风压设定值控制风机转速使得矿井风压达到要求值。
开关K3用于变频器故障复位。模拟量输出AO1设定为电机转速，送给控制盘上的转速表显示电机转速，继电器RO1用于变频器故障指示，继电器RO2用于变频器运行指示。
4. 现场主通风机变频装置实际工况
（一）6月20日主通风机一号二号及变频装置开始正式运行。
下述数据是8月24日取得的现场一号风机的运行参数：
1．静压：629Pa
2．风量：70m3/s
3．电动机的运行温度为 46 ℃（8月下旬气温28℃）
4．变压器的运行温度为35 ℃（8月下旬气温28℃）
5．运行频率：42.9Hz（513rpm）
6．运行电流：242A（1#电机：130A;2#电机：113A）
７. 高压侧电压：6300V;高压侧电流：7.7A（A相）9.2A(C相)
8．有功：80KVA
9．无功：21KVA
10．功率因数：0.96
11．主通风机一号二号8月份用电量统计（电业局）：
（二） 9月23日八连城矿二号风机运行数据
1．静压：559Pa
2．风量：74.9m3/s
3．电动机的运行温度为 46 ℃（8月下旬气温28℃）
4．变压器的运行温度为38 ℃
5．运行频率：32.06Hz（513rpm）
6．运行电流：240A
7.转矩:15%
8.功率:9.7%
９. 高压侧电压：6300V;高压侧电流：6.3A
10．有功：62.72KVA
１１．无功：16.83KVA
１２．功率因数：0.96
增容型高—低压变频调速集成装置与其他变频调速方法相比具有：
1．高效率。本变频系统效率大于96%。其中变频器的额定效率为98%左右，节能型变压器的额定效率为98.8%左右，电动机因放大了线规从而降低了电流密度和铜损，其额定效率可提高了0.5～5个百分点，本项目电动机效率即提高了5个百分点。
2．高可靠性。一是采用无油枕全密封变压器或者干式变压器均系免维护类型。二是选用技术成熟的低压大容量变频器安全可靠，使用寿命长达70000小时。其中易损件之一内冷却风扇的使用寿命为8年（其他变频器说明书标注2～3年），易损件之二电解电容器的使用寿命为15年（其他变频器说明书标注4～5年）。三是利用高等级绝缘的电动机运行在低压变频工况下，绝缘寿命可谓无限长。四是备有变频/工频切换开关，万一变频器发生故障还可及时切换到工频启动—运行模式，即使是工频运行，电动机仍可实现增容。
3．低压安全。由于变压器将高/低压隔离，从变压器的输出侧→变频器→电动机的运行电压只有几百伏，颇有安全感，便于操作和维护。同时消除了电动机的高压电晕和变频器的高压吸尘弊端。
4．省工期。本变压器的制造周期只要半月；变频器的供货周期只需1～2月；高压电动机增容改压约1个月左右；控制柜加工不超过1周；安装（包括敷设低压动力电缆和控制屏蔽电缆，无须重打地基和更换对轮）约1周左右，当天调试当天投运。总施工期（即见效期）仅为1～3月。
5．省投资。由于该装置成本低，又增容，见效快，故投资回收期一般约为1～2年左右。本项目的投资回收期约为2年之内。
6．省能源。节电率一般为20%～50%，本主扇对旋风机目前实测节电率为 40%以上。
7．省原材料。在同等原材料和元器件配置前提下，本方案能提高电动机的额定功率1～3个等级，提高变频器的额定容量0.5～2个功率等级；在同等功率前提下，增容变频方案可节省制造高压电动机的钢材10%～20%，节约高压绝缘材料40%～60%。以本项目4台电动机就是用250kW的原材料制造出280kW电动机。
全系统操作简便，设备维护量小，有效减低了风机噪声，减小了电机起停过程对电网和风机的机械冲击，延长设备的使用寿命，提高了效益。此种方案在矿业风机控制具有的推广运用前景。
参考文献：
李永东.《交流电机数字控制系统》 北京: 机械工业出版社 2001.
满永奎、吴成东.《通用变频器及其应用》 北京: 机械工业出版社 1996.
作者简介：赵培广，男,1960.2, 1986年毕业于吉林市职工大学“机械制造工艺专业”.毕业后从事煤矿机电运输技术管理工作,先后在舒兰矿物局丰广煤矿机电科担任技术员、车间主任工作;1992年调到珲春矿物局城西煤矿担任机电科副科长、科长;三道岭煤矿担任机电副总、机电矿长;城西煤矿机电矿长,八连城煤矿机电矿长,负责全矿的机电运输管理工作.