Abstract：Transformation and application of high voltage frequency conversion technology of air compressor in Jining city. By changing the air compressor VVVF motor speed, air flow rate of the air compressor can be changed with the change of gas flow, to achieve true balance between supply and demand, the energy saving at the same time also can make the whole system to achieve the best efficiency.
Key words：Coal mine；air compressor；high voltage frequency conversion
【中图分类号】TN773 【文献标识码】B 【文章编号】1561-0330（2018）04-0000-00
1引言
近几年来，位于山东省济宁市范围内的一些煤矿开展了煤矿空气压缩机高压变频调速技术的改造应用，针对运行中出现的问题从多个方面提出技术措施并进行实施，有效地保障了高压变频调速技术在煤矿空气压缩机的安全运行。在这种控制方式下，通过变频调速技术改变空气压缩机电动机的转速，空气压缩机的供气流量可随着用气流量的改变而改变，达到真正的供需平衡，在节能的同时也可使整个系统达到最佳工作效率。
2 济宁三号煤矿空气压缩机变频节能改造
位于济宁市任城区的兖州矿业（集团）公司济宁三号煤矿从节能、高效的角度，通过6kV空气压缩机变频节能改造技术方案的深入研究和实践分析，总结出了如何更好地实现空气压缩机的软启动、软停止，改善因为空气压缩机启动次数较多，进而造成对系统冲击较大和机械运转空转损耗较大的难题，对于保证空气压缩机经济运行、提高使用寿命和节能增耗具有现实的借鉴意义。
2.1 空气压缩机的使用状况
济宁三号煤矿使用的9台空气压缩机均为螺杆式空气压缩机，其中4台额定功率250kW、5台额定功率220kW。平时有5台空气压缩机运行，4台常开、1台备份，处于满载、空载交替运行的过程中。9台空气压缩机循环运行，大约2d切换1次。空气压缩机的排气量和压力在运转中是不变的，但是根据所使用的风动机械和风动工具的数量多少而变化空气压缩机的开停台数。空气压缩机工作时总是在重复满载—空载的过程。
2.2 原压风系统的能耗分析
（1）原系统空气压缩机的电动机功率比较大，启动方式为直接启动，瞬时加载和卸载，容易产生比较大的启动电流，使压缩气源产生较大的波动，对设备的机械冲击较大，因而加速设备的磨损、降低使用年限。
（2）由于电动机本身不能够调速，因此不能够直接使用压力或者流量的变动来实现降速调节输出功率的匹配。
（3）电动机不允许频繁启动，用气量少的时候电动机仍然要空载运行，空转电流大约为电动机额定电流50%～70%，电耗比较高。根据能耗分析的结果，为了达到空气压缩机的经济运行，他们采用高压变频调速节能系统对原有的空气压缩机系统进行升级改造。
2.3 变频节能改造方案
根据空气压缩理论，空气压缩机的轴功率、排气量和轴转速符合公式Pr=（Mr×n）/9553，Vdl=k×Vhl×n2。
式中:
Pr为空气压缩机的轴功率(kW)；
Mr为空气压缩机的输入平均轴扭矩(N·m)；
n为空气压缩机的轴转速(r/min)；
Vdl为在n2转速下的排气量(m3/min)；
k为与汽缸容积、温度、压力和泄漏有关的系数；
Vhl为一级缸的容积(m3)；
n2为变频调节以后的空气压缩机转速(r/min)。
所以，在空气压缩机汽缸容积不能改变的情况下，调节空气压缩机的转速能改变排气量；空气压缩机是恒转矩负载，其轴功率与转速呈正比变化；在空气压缩机总排气量大于风动工具用气量时，通过降低空气压缩机转速调节供风压力，是达到空气压缩机经济运行的有效方法。
2.4 高压变频调速方案的选择
济宁三号煤矿空气压缩机变频调速系统的三相交流异步电动机电压等级为6kV，容量为200～250kW。可以采用以下几种节电方式：
（1）“降压变压器+低压变压器+升压变压器”构成“高—低—高”式变频调速系统。即先由降压变压器把高压电源变为690V，通过变频器变频以后再经过升压变压器升高电动机的额定电压，经过降压、升压2次变压，电能损失比较大，系统效率降低，而且对升压变压器的性能要求极高。
（2）单元串联变频调速系统。由输入移相变压器、功率单元和控制单元3个部分组成。采用模块化设计、功率单元相互串联部分解决高压，可以直接驱动交流电动机，无需输出变压器和任何形式的滤波器；但是移相变压器结构复杂、重量及体积大、内部接点多、故障率高。
（3）IGBT直接串联变频调速系统。采用IGBT直接串联式高压变频器，高压交流电输入变频器以后不需要任何降压环节整流输入高压H桥路，经过H桥变换之后直接输出，电路简单、自损耗小、效率高、体积小、重量轻、可靠性高、维护方便。
经过研究分析，他们认为IGBT直接串联高压变频调速技术是集高速功率可关断器件直接串联技术、正弦波技术、抗共模电压技术、直接速度控制技术（DSC）为一体的高压变频器。与其它类型的调速方法相比，IGBT直接串联变频调速具有无极调速、容易实现自动控制、不用改变原设备结构和安装量小的特点。因此，决定采用第三种方案，即IGBT直接串联变频调速系统。
2.5 变频节能改造方案的实施
2.5.1高压变频调速系统的选择
空气压缩机属于恒转矩类负载，选用变频器拖动的主要目的是按照需要的用风量合理调节供气压力的设定值，实现稳压节能运行。系统由电网高压6kV直接进入高压变频器，高压二极管串联整流作为三相的整流功率控制单元。经过专用抗共模电抗器和特制的电力电容滤波后，直接控制IGBT触发不同的导通角可以输出不同的电压和频率。通过对输入取样获得同步信号，对输出电压取样获得反馈电压信号，对输出电流取样获得电流大小信号，DSP数字信号处理对这些信号进行自动处理，使输出电压和电流按照软件设定的运行V/F曲线进行控制。运行中无变压器损耗，能够达到其它种类高压变频无法达到的节能效果；同时，变频器还继续监视电动机的正常运行和提供各种故障保护。在软停机时，首先断开旁路接触器，变频器按照预先设定的参数平缓地降低电动机的电压和频率直到停机，可以避免突然停机引起空气压缩机的“喘振”等机械冲击。
2.5.2实施方案
由于济宁三号煤矿原有的9台空气压缩机系循环使用，他们从成本方面考虑，采用1台JCS6k-315型专用高压变频装置对2台6kV空气压缩机进行“一拖二”的变频控制，2台螺杆式空气压缩机安装在同一个管网上，并且在管网上安装1个压力变送器。
2.5.3技术特点
（1）模块化的结构设计。不必使用特殊工具，只要5min即可以完成IGBT功率模块的更换；每个功率单元都是相同的，调换单元只需要15min；在不中断运行的情况下，可以在30min内完成风扇的更换。
（2）直接速度控制（DSC）。对电动机的动态参数高速辨识，具有转矩自修正功能，运行参数不受转子温度影响；响应速度快，转矩脉动小，转速精度高；克服了在电动机低速运行时矢量控制（转速精度高但转矩小而且运行参数受到转子温度影响）和直接转矩控制（转矩大但是转速精度低而且转矩脉动大）的不足之处。
（3）对电网电压波动及负载变化力矩高速修正。对阶跃变化负载能够迅速提供阶跃变化力矩；经过与直流端大型储能电容相结合，可以进行电动机有功/无功能量转换，自调整响应,周期极短，可以承受30%电网电压波动。
（4）瞬时掉电延续运行或者再启动。500ms内电网掉电能够维持正常的运行状态；2s内电网掉电或者来电能够自动跟踪转速再启动；掉电时间大于2s时自动跳闸保护。
（5）高质量的功率输出。适于普通的标准感应电动机和同步电动机，而且大都不需要降容运行；不会产生使用普通PWM技术的交流传动装置普遍存在的共振现象；电动机运行安静平稳，噪声比工频运行时小；JC系列高压变频器对电缆长度无任何约束，对电动机的有效控制距离可以达到15km以上。
（6）系统效率可以达到98%以上。由于其它变频系统的效率计算还要扣除变压器、无功补偿装置等的损失，所以JC系列高压变频器的效率远超过其它变频系统。
（7）强大的保护功能。可以提供过电流、短路、接地、输入输出断相、过电压、欠电压保护；可以提供电动机过热、过载、失步保护以及IGBT过热保护。在空气压缩机的使用过程中，如果环境温度过高变频器会自动降低负荷，以保持系统的正常运行；设有电动机过热保护端口，可以对电动机温度进行实时监控并且在电动机过热时采取保护措施。
3 新驿煤矿混合机型空气压缩机变频自动监控
位于济宁市兖州区的山东能源临沂矿业（集团）公司新驿煤矿对为井口提升机系统、井上下装卸、井下巷道喷浆、矿井风动机具、井下提斜吊梁提供压缩空气动力的不同类型空气压缩机混合工作状态进行科学分析，研究应用高压软启动与变频器自切拖动控制技术，同时对空气压缩机通信、冷却系统进行自动控制改造，完善了故障报警、自动保护及在线监测功能，全过程实现人机分离，确保压风系统的本质安全。
3.1 原有空气压缩机系统运行状况
该矿现有5台空气压缩机，冷却水系统均为水冷式。其中，3台为基建时期安装的活塞式空气压缩机，采用接点继电器式简单控制；2台为投产初期安装的SA-250A/WG螺杆式空气压缩机，采用三菱控制器进行单机控制。
（1）螺杆式空气压缩机是目前在用的较先进空气压缩机，噪声低、可靠性好、自动化程度高、维护方便，但控制系统单机控制、可监控参数少、供电设备落后、保护功能少。
（2）活塞式空气压缩机是较传统的空气压缩机适应性强、排压恒定、热效率高、功耗低等优点仍被使用，但控制系统相对落后、浪费能源、故障频发、维护困难，更难满足生产信息化的要求。
（3）空气压缩机冷却水系统采用强制循环水冷方式，上水为手动。系统压力开关精确度较差，零点易漂移；水压的瞬间波动会造成开关动作，水压在控制临界点反复波动时将造成电接点反复通断，使水泵反复启停，结果是控制失效、故障率很高。
他们针对上述空气压缩机控制系统的缺点和2种机型并存的现状，设计了混合机型空气压缩机变频自动监控系统。
3.2 空气压缩机变频自动监控系统
（1）结构原理。活塞式空气压缩机增加一排压力及温度、二排压力及温度、风包压力及温度、滤后油压、润滑油温度、冷却水进水压力检测变送器和冷却水进出水温度检测传感器；控制系统由PLC组成的工控系统代替原有的继电器控制系统；动力回路增加变频器环节和动力切换柜，使系统可实现动态调节风量和一拖三变频功能。螺杆式空气压缩机增加进气系统的进气差压模拟传感器、空气冷却器出口压力变送器，实现进气系统动态监控；增加油气分离器监控模拟差压传感器，动态检测分离器状态并适时提前预警滤芯的堵塞情况；高压6kV回路增加固态软启动柜、高压切换柜，使系统具有一拖二软启动功能以及高压电动机微机保护模块。
（2）自动控制过程。以螺杆式空气压缩机为主、活塞式空气压缩机为辅的柔性供风方案，即在风压原则和开机负载率相同原则的基础上，在总控制柜面板设置用风压力设定值；现场用风时，由PLC控制系统先高压软启动1台螺杆式空气压缩机（通常情况下2台螺杆式空气压缩机采用“互为备用”的原则）。如果供风压力不满足用风压力的需要，再由变频器顺序拖动3台活塞式空气压缩机补充供风量。PLC控制系统能够根据风压变化和变频器状态自动调整活塞式空气压缩机的运行台数。在运行过程中，如果螺杆式空气压缩机组出现故障，系统能够实现向活塞式空气压缩机组控制系统的自动切换。同样，如果出现活塞式空气压缩机组故障，或者1台螺杆式空气压缩机和3台活塞式空气压缩机同时运行都不能满足现场用风要求的情况，系统可以高压软启动另外1台备用的螺杆式空气压缩机。
3.3 技术关键
空气压缩机冷却水的自动进、出水和循环控制；对于螺杆式空气压缩机组高压软启动器控制，技术关键是三菱控制器的数据采集、处理、上传及参数设置；对于活塞式空气压缩机组改造成PLC为控制器的变频调速、逻辑控制系统，技术关键是数据的采集、处理、上传及参数设置；西门子S7-300系列PLC实现活塞式空气压缩机与螺杆式空气压缩机的混合机型联合控制。
3.4 应用效果
新驿煤矿改造以后的混合机型空气压缩机自动监控系统与原先的系统相比较，极大提高自动化水平、减少设备磨损和维修工作量、节约人力与物力、增加安全可靠性。他们通过现场测试结果表明，空气压缩机运行转速为额定转速60%～70%，年节电率58.5%；改造后节约空气压缩机润滑油60%，每年节约271万元；减少空气压缩机损耗，降低空气压缩机故障率。此系统设计之前，空气压缩机房有值班人员11人；系统变频改造以后，空气压缩机房实现无人值守，由控制室统一控制，人员减少为5人，节约了人员费用。
此项改造成果在新驿煤矿的运行实践证明，以螺杆式空气压缩机为主、活塞式空气压缩机为辅的柔性供风控制技术不仅节能环保，而且实现系统容量和供风量可以连续动态调节的风压闭环控制，改善空气压缩机的供风质量，为煤矿的安全生产提供了保障。
4 结束语
济宁市范围内的一些煤矿开展空气压缩机高压变频调速技术的改造应用，达到了空气压缩机的供气流量可随着用气流量的改变而改变，真正做到了压缩空气的供需平衡，在节能的同时也可使整个系统达到最佳工作效率。
参考文献
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[3]白景志,王永宝,宋伟.混合机型空压机自动监控技术研究及应用[J].山东煤炭科技,2010,28(6):167-169.
作者简介
李剑峰 供职于兖矿集团设计研究院
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