矿用螺杆式空压机系统的高压变频节能改造设计和分析

1. 引言
　　电动机系统节能工程是国家发改委启动的“十一五”国家十大重点节能工程之一。在很多大型煤矿、电力等企业中，有很多大功率的螺杆式空压机为井下气动设备提供气压，其年耗电量十分可观。由于井下设备较多，且用风时间不固定，用风量不稳定，因此空压机必须连续运转。当用风量小时导致空压机长时间低负荷运行，电能损耗增大并加剧了设备的磨损，增加了运行成本。如负荷小时将设备停机或部分设备停机，将导致操作频繁，缩短设备寿命，而且会影响用风设备及风动工具的正常工作。
　　采用级联多电平高压变频器拖动高压大功率电动机的方案具有对电网无冲击、可靠性高、节能效果显著、输出谐波小、输入功率因数高等优点，故已成为发展主流趋势。
　　高压变频器在为河南煤化集团鹤壁四矿的两套螺杆式空压机传动系统，主要为井下设备提供气动力，原来为工频直接启动，长期工频恒速运行，存在着启动电流大、能量严重浪费、供气压力不稳定等缺点，故采用了变频改造以提高经济效益和社会效益，本文主要介绍该变频改造工程。
2. 空压机变频改造的必要性
2.1 螺杆空压机的基本工作原理
　　螺杆空压机的主要工作方式为启动、停止、加载、卸载，其进气口设置加载阀，通过加载电磁阀来控制入口阀门的开关。空压机运行时，若排气压力低于设定目标压力的下限，则空压机控制器使加载电磁阀得电，将入口阀门打开，空压机处于满负荷加载状态；若排气压力高于设定目标压力的上限，则空压机控制器命令加载电磁阀失电，从而将入口阀门关闭，空压机处于无负荷卸载状态，此时空压机实际为空转运行。

2.2原工频拖动设备方案分析
　　系统为两套参数相同的上海复盛旋转螺杆式空压机传动系统，由异步电机拖动空压机旋转，空压机及其控制系统压缩空气为井下气动设备供气。
　　异步电机参数：额定电压6KV，额定电流43A，额定功率375KW。
空压机系统运行情况如下：
（1）一台设备运行，一台设备备用；如某台设备出现故障则退出运行，启动另外一台设备。
（2）为提高空压机传动设备运行寿命，方便检修，两台设备每三天倒一次闸，使运行设备转为备用设备，备用设备转为运行设备。
（3）气压大于0.6MPa井下气动设备就可以工作，井下设备存在着几个用气高峰点，用气少时井下压力就高，空压机控制系统通过加、卸载方式调节压力，存在着调节速度较慢、调节精度不高和电磁阀频繁动作的缺点，实际每天的输出压力在0.60MPa至0.75MPa之间。
（4）电机一直在工频50Hz恒速运转，电机每天的平均额定电流为38A；启动瞬间电流有效达200A左右；平均功率约310KW。
　　据电机传动控制原理，输出功率正比于输出转速和输出转矩（转矩与负载压力成正比）两个主要因素，原电机传动系统在转速和压力都有下调空间，存在着巨大的能量浪费，采用变频调速对压力和速度进行连续可以大量节约电能。
3. 高压变频器系统的原理和应用
　　经设计冗余考虑，选择我公司GVF-500-6-F2型的级联多电平高压变频器，额定容量500kVA，每相6个功率单元级联。根据矿井气动设备系统特点，系统采用压力闭环，给定压力为0.62MPa，变频器内置数字PID调节器，在变频器界面上只需设置压力给定变频器即可自行对输出频率进行调节以稳定压力。
3.1变频器改造电气方案
变频的电气主接线图如下：

图1 变频器电气主接线图
Fig1 main electric circuit of inverter

　　说明：1QF为1#启动柜断路器，2QF为2#启动柜断路器，QS1~QS6为手动隔离开关。其中QS5和QS2机械互锁；QS4和QS1机械互锁；QS6和QS3机械互锁；QS5和QS4通过程序锁互锁；QS2和QS1通过程序锁互锁。
　　选择1#高压电机变频运行时需要开关操作顺序：断开QS4，合QS5，合QS6，合1QF。
当变频器带1#电机时如变频器需要运行检修则断开1QF，合QS1，合2QF，使2#工频拖动。
　　采用该变频调速方案，设备的可靠性得以进一步提高。
　　6kV高压变频器每相由6个功率单元组成（图2每相只画出了3个模块）。多电平高压变频器主要由旁路开关柜（图1所述）、移相变压器、功率单元和控制器组成。如图2示。

图2 级联型多电平变频器系统结构
Fig2 Frame of the cascaded multilevel inverter

　　移相变压器每相有6个绕组（图2每相只画出了3个），绕组依次错开10度，实现了36脉波整流。移相变压器的输出接至各个功率单元，控制器通过光纤驱动各功率单元。（图中A相各单元接至移相变压器，B、C相同理）。每个功率单元由三相桥式整流和H桥逆变组成，可以看出每个单元整流后的直流电压是独立的，这样利于IGBT的控制，每相由低压叠加成高压。每个功率单元还有旁路控制（图中未画出），当某单元出现问题后，则该单元被旁路，余下的单元可以继续工作，通过平衡算法控制使输出的线电压维持平衡，这样增强了系统的可靠性。
3.2 多电平变频器基本控制原理
异步电机的转速公式为： （2）
　其中：n是电机转速，f是定子频率，s是电机转差率，P是电机极对数。
　　对于异步电动机，P一般是固定的，s可调范围也很小，f可变范围很大。故调f是现在最主要的调速方式。根据电机理论，为了保持一定的转矩能力必须维持磁通密度基本恒定，这样就必须维持定子电压和定子频率的比值基本恒定，即变压变频控制（VVVF）。
多电平变频器的一般采用载波相移SPWM控制技术，其基本原理是：每相由N个级联单元组成，每个单元三角载波的相位角依次差360/N,同一相采用相同的正弦调制信号,利用SPWM技术中的波形生成方式和多重化技术中的波形叠加结构产生SPWM波形，从而实现多电平SPWM输出；A，B，C相之间参考波依次相差120 。
　　对于每相由N个模块单元级联而成的变频器，相电压电平数最大为2N＋1，线电压电平数最大为4N＋1，由此可见级联模块越多则输出波形越接近正弦波，这样有利于减小dv/dt和谐波。图3是6个单元级联输出线电压图，可以看出输出波形非常接近正弦波。

图3 46Hz输出电压波形
Fig3 output voltage waveform when the frequency is at the 46Hz

3.3 变频改造设计使用说明
（1）经分析和试验，设定高压变频系统为压力闭环，用户在界面输入给定压力（推荐值0.62Mpa），变频器内置数字PID调节器，调节器的输出是给定电机的输出频率，通过调频来调节压力。实际压力小时，负反馈调节器使输出频率增加进而使输出压力上升以维持给定压力；实际压力大时，负反馈调节器使输出频率降低使压力降低以减小能耗。
（2）加减速时间的设置，必须既要满足工艺需要，又要保证系统可靠性，加速时间如设置的太小，则启动或加速过程中转差率较大会造成电流过大。同理，减速时间如设置的太小，在减速的过程中，电动机运行在发电机状态时向变频器反充电可能会造成模块电容电压过高，影响系统可靠性。经试验和分析，本机系统加速时间范围：60S至150S；减速时间：可在120S至300S。
（3）因为空压机控制系统启动前有压力判断装置，所以变频器启动前一般要等到压力约小于等于0.45MPa才允许启动。
（4）隔离开关和断路器的顺序一定要正确；采用变频改造后由于电机能耗下降，电机轴温下降（原来轴温平均95度，改造后平均温度80度）其它各项摩擦损耗都下降，对于提高设备的寿命是很有利的，所以两台空压机的切换周期建议改为10天。
4.系统试验和节能计算
整机系统在现场做了调试并采集了试验波形。
4.1系统试验
图4是采用变频改造后异步电机启动过程电流波形，图5是稳态36Hz电流输出波形。

图4 启动过程输出动态电流波形
Fig4 output current waveform during the startup

图5 稳态36Hz时输出电流波形
Fig5 output current waveform when the frequency is at the 36Hz

有图4可以看出启动电流较小，中间有较大的幅值（尖峰值约70A），其震动是因为电机一般有低频震动现象，该电机在7Hz----12Hz之间有机械震动。因为变频器内部有电流反馈抑制措施使电机在很安全的范围内运行，远远优于原来工频直接启动过程。
图5是电机稳定运行在36Hz时的电流波形，电流有效值29.9A，可以看出电流正弦很好，输出谐波很小，对电机很有利。
4.2 节能计算
系统原工频运行：空压机压力在0.62MPa至0.75MPa之间，电机一天的平均额定电流为38A；平均功率310KW
　　采用变频器器后运行后：压力基本在0.6MPa--0.65MPa，电机平均电流电机32A，输入平均电流23A，平均输入功率200KW。
变频器一年按工作350天计算，则一年总节能：
（310-200）*24*350= 92.4万度
按一度电0.5元计算，则一年可节电46.2万元。
5.结语
　　实践证明，高压变频器用于矿用螺杆式空气压缩机具有可靠性高、节能效果显著、使空压机系统实现了软启动，大大减少了设备维护、 维修费用等优点，具有明显的直接和间接经济效益，符合国家和企业的利益，有着广阔的应用前景。
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