Application of Frequency Drive Technology in Mine Main Ventilator
卜扬洋 BU Yang-yang
（国网能源哈密煤电有限公司，哈密 839000）
（State Grid Energy Hami Coal-fired Power Company Limited，Hami 839000，China）
摘要：通过对主扇常用风量调节方式进行比较，选择采用变频调速改变电机转速的调节方式是为最优，提升了主扇设备运行效率，实现矿井通风系统节能，经济效益十分显著。
Abstract: Through the comparison the common wind adjusting methods of mine main ventilator, the frequency speed converter method is the best adjusting method by changing motor rotate speed of ventilator. This method improves efficiency of mine ventilator system, realizes energy saving and improves economic benefit.
关键词：传动技术；变频；节能
Key words: drive technology；frequency conversion；energy saving
中图分类号：TD6 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2021）01-0205-02
0 引言
国家能源集团哈密大南湖1#矿井通风系统采用副立井主进风、主斜井辅助进风和风立井回风的中央并列抽出式通风方式，主扇设备选择轴流式风机，两台由沈鼓集团通风公司生产的MF2550/1420-1B型轴流风机，同时匹配两台由上海电机厂生产的Y630-6-1250kW IP23电动机，驱动由ABB公司生产的ACS580MV型交流传动控制电机变频调速，使用交-直-交矢量控制技术，频率、电压均可控，从而实现调速目的。主回路采用一拖一方式，即一台变频器分别拖动一台电机，并安设工频三回路，系统稳定性极高。
1 交流传动系统—ACS580
ACS580交流传动系统包括输入变压器、变频器、电机和负载，在传动系统内部含有整流器、直流母线和逆变单元。如果驱动电机使用变频方式，那么就可以修改负载能力曲线并有效优化能耗。利用ACS580交流变频传动以智能方式控制电机，能够调节电机转速，可将能耗降低30%左右。借助输入和输出端口，向传动提供过程信息，对负载加以限制，相应控制电机，防止故障，保护电机和整个传动系统。
1.1 换向功能
通过交流传动改变电机的旋转方向来达到改变电机转向的目的。此外，还可以设置不同的加减速斜坡时间，并对斜坡形状进行修改。
1.2 能源优化功能
该功能可优化电机磁通，当传动低于额定负荷运行时可降低总能耗和电机噪声电平。根据负载转矩和转速，总效率可提高20%左右。对永磁电机，始终能实现能源优化。
1.3 转矩控制功能
借助交流传动控制转矩且转矩可调，能在低速时提供最大转矩。
1.4 消除机械振动
机械振动可以通过绕过临界转速的方式得以消除。当电机被加速至临界转速时，传动将不允许电机实际转速与参考转速保持一致。而当临界点已通过，电机则将非常快速地返回常规曲线，通过临界转速。
1.5 低电压穿越功能
电源电压被切断时，低电压穿越功能起效。交流传动将继续利用旋转电机的动能继续运行，只要电机转动并为传动产生动能，传动就将全面运行。
1.6 负载曲线功能
负载曲线功能采集传动的数值并记录到日志中，例如电流、电压等数据，该日志显示了传动如何工作，能够分析和优化应用。ACS580传动单元配备节省和管理能源的功能，优化功能在标量控制模式和矢量控制模式下均可使用，确保每安培最大转矩。
1.7 易诊断功能
控制盘上的诊断菜单可以有效地分析和解决问题，快速地分析为什么传动会这样运行，现有故障、警告和事件日志都会显示在菜单中。
1.8 安全转矩取消功能
安全转矩取消功能可以使传动安全地达到无转矩状态，防止偶然的意外起动，此功能是基于传动的集成功能性安全的必要基础。
1.9 PID内置功能
内置的PID功能和PID独立过程控制使ACS580成为一个自动调节单元，控制室内不需要外部逻辑输入，但需要一个外部过程测量值。带增强功能的睡眠模式在开启之前会输出一个附加值，这样可以延长在睡眠模式下的工作时间，节省能源。
设定并调节被控量的期望值，传动将根据被控量的实际值，自动调节输出频率，控制电机转速，使被控量的实际值自动逼近期望值。自动调节时进行PID调节，当D取0时，称为PI调节。
PI计算公式如下：
Mn（输出）=MPn（比例项）+MIn（积分项）+0（微分项）
其中：MPn=kC*（SPn-PVn）
MIn=kC*TS/TI*（SPn-PVn）+MX
式中：Mn：第n采样时刻的计算输出值。
MPn：第n采样时刻的比例项值。
MIn：第n采样时刻的积分项值。
MX：第n-1采样时刻的积分值（积分项前值），是所有积分项前值之和。每次计算出MIn后，都要用它去更新MX。
SPn：第n采样时刻的被控量给定值。
PVn：第n采样时刻的过程变量，即被控量的实际值。
kC比例系数：决定输出对偏差（即被控量给定值与期望值之差（SPn-PVn）的灵敏度。该系数绝对值加大，可以加快调节速度，但如果过大，系统容易因超调而震荡。比例系数可为正、负或0。
在积分系数为正的情况下，比例系数为正时，系统作正向调节，即：如果给定值大于反馈值，则增加运行频率，如果给定值小于反馈值，则减小运行频率。比例系数为负时，系统作反向调节。即：如果给定值大于反馈值，则减小运行频率，如果给定值小于反馈值，则增加运行频率。在不需要比例调节时，应将比例系数置为零值。
TS采样时间：PI调节器的计算周期，单位为秒，且必须为正数，不能为负数或0。
TI积分时间：P调节器的积分时间常数，单位为秒。可为正值、负值，但不能为零。
该系数绝对值加大，调节器响应速度变慢。在不需要积分调节时，应将积分系数置为无穷大。对于比例系数为0的积分控制来说，如果积分时间为正，则系统作正向调节，如果为负值，则系统作负向调节。调节过程中，若驱动反应速度慢，则需适当增加比例系数或减小积分时间常数，若被参量出现超调、波动范围大，则需适当减小比例系数或增加积分时间常数。
1.10 防止失速功能
如果给定加速时间过短，输出频率变化远远超过转速变化，系统将因过流而跳闸，运转停止，这就叫作失速。为了防止失速，使电机继续运转，就要检出电流大小进行频率控制。当加速电流过大时，适当放慢加速速率，减速同样亦是如此，两者结合起来就是失速功能。
1.11 过程控制功能
ACS580传动为标量和矢量控制模式提供先进的过程控制，传动支持多种电机包括感应电机和永磁电机，许多嵌入式保护功能提高了电机和过程控制的性能。
1.12 单元旁路功能
单元旁路时，变频器因运行单元减少，额定输出电压将降低，当本身运行频率较低时，ACS580传动将自动提高工作单元的输出电压，而保证变频输出性能不变，实现无扰动自动旁路。
1.13 高级监控功能
远程监控工具支持过程和传动数据记录，过程变量的数据或传动实际值可以记录到存储卡中，或通过电子邮件发送到一个集中的数据库。当一个问题被记录，报警历史和实际时间标记会存在内部的存储卡中，有关的技术数据会被记录下来以便排除故障。
1.14 EMC及其功能
EMC功能：每个ACS580 R9传动配备一个内置滤波器，以减少高频辐射。其他功能如堵转功能、预励磁、直流抱闸、后励磁、点动等等。
2 变频节能
2.1 节能原理
当主扇的转速从n1变为n2时，风量、风压及功率有以下公式：
Q2=Q1*（n2/n1） （1）
H2=H1（n2/n1）*（n2/n1） （2）
P2=P1（n2/n1）*（n2/n1）*（n2/n1） （3）
式中：n1、n2分别为变频前后的主扇转速；
Q1、Q2分别为变频前后的每分风量；
H1、H2分别为变频前后的风机风压；
P1、P2分别为变频前后的风机功率。
由上式可知，风机风量与电机转速比成正比，风机风压与电机转速比的二次方成正比，风机功率与电机转速比的三次方成正比。因此，从关系比中可看出：当工况时间风量下调时，通过调节风机电机转速比可节约大量电能。
2.2 动态节能
通过变频自动调节V/F曲线，减少电机输出力矩，降低输入电流，实现动态节能。
2.3 软启节能
全压启动对电气设备和电网的电压冲击影响较大，并增加了线路和变压器损耗。采用软启则减少了启动电流对电网的冲击，延长了设备使用寿命，同时也节省了维护费用。
2.4 无功补偿节能
无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要是功率因数的降低将导致电网有功功率的降低，由公式P=S*COSФ，其中：S-视在功率，P-有功功率，Q-无功功率，COSФ-功率因数，可知COSФ越大，有功功率P越大，使用变频调速后，由于内部滤波电容作用，COSФ≈1，从而减少了无功损耗，电机的功率因数也可保持0.9以上，提高了电网的稳定性和安全性。
2.5 变频节能效果
主扇电机设备功率大，直接启动时间长，起动电流大，对电机绝缘有损伤，且启动压降对电网冲击较大，变频启动则实现了软起和软停。采用变频运行方式，本单位主扇运行功效达85%以上，每年大约可以节省200万元左右电费，经济效益十分显著。
3 结语
矿井主扇设备采用ACS580交流变频传动技术，控制精度得到大幅度提升的同时，矿井通风系统的安全性、可靠性得到了保证，达到节支降耗、提高经济效益的目的。
参考文献：
[1]韩安荣，吴成东，通用变频器及其应用[M].北京：机械工业出版社，2002.
[2]陈伯时，电力拖动自动控制系统—运动控制系统[M].三版.北京：机械工业出版社，2003.
[3]中国航空工业规划设计研究院.工业与民用配电设计手册[M].三版.北京：中国电力出版社，2005.
[4]王文山，变频器的节能原理及其应用[J].科技创新导报，2008（8）：113. |
