The Application of High-voltage Inverter in the One-to-three Control System of Air Compressor

新风光电子科技股份有限公司   李克志 梁开来 张明辉 周加胜 何鹏

New Scenery Electronic Technology Co., Ltd

Li Kezhi  Liang Kailai  Zhang Minghui  Zhou Jiasheng  He Peng

摘  要：本文介绍了新风光高压变频器在阳城煤矿高压空压机一拖三系统中的应用。通过介绍空压机系统工艺及控制策略，说明了高压变频器在改善生产工艺、节能、自动控制等方面的应用特色，从而拓展了空压机变频控制改造的新领域。

Abstract:This paper introduces the application of new wind and solar high-voltage inverter in the one-to-three system of high-pressure air compressor in Yangcheng Coal Mine. By introducing the process and control strategy of the air compressor system, the application characteristics of the high-voltage inverter in improving the production process, energy saving, automatic control and other aspects are illustrated, so as to expand the new field of air compressor frequency conversion control transformation.

关键词：高压变频器；空压机；一拖三；无扰切换

Key words: High-voltage inverters; Air compressor; One for three; Disturbance-free switching

1  引言

    山东济矿鲁能煤电股份有限公司阳城煤矿（以下简称“阳城煤矿”）成立于2006年，为股份有限公司分公司，总公司为山东济矿鲁能煤电股份有限公司，隶属于济宁能源发展集团有限公司。阳城煤矿是全省最大的地方煤矿，地质储量5.44亿吨，可采1.33亿吨，煤厚7.5米，属低磷低硫气煤。矿井概算总投资8.25亿元，实际投资7.07亿元，节省资金1.18亿元。于2004年4月1日正式开工建设，2006年3月11日实现矿井煤流系统一次重载试车成功。核定生产能力190万吨/年，与其配套的洗煤厂洗选能力为120万吨/年。企业曾荣获国家一级安全质量标准化矿井、全国煤炭工业行业一级安全高效矿井、全国煤炭工业“双十佳”煤矿、国家优质工程银质奖、煤炭行业优质工程、“太阳杯”奖等诸多荣誉称号。

2  煤矿空压机工艺简介

    空气压缩机是煤矿重要大型固定动力设备之一，在井下、地面均被广泛使用，主要是供给采掘工作面的风镐、风钻、凿岩机使用。储气罐是空气压缩机的配套设备，安装在室外，空气进入压缩机通过增压后送入储气罐，然后再由储气罐管道供到各个用气地点，储气罐在空气压缩系统中的主要作用是保证供气稳定。压缩空气在储气罐中沉淀积水，调节气动设备因用气量不平衡而造成气压波动、增加用气设备的压力稳定性，或者储备一部分压缩空气，在空压机发生故障时，使用户用此部分压缩空气对气动设备或气动控制系统作紧急处理之用。

阳城煤矿共有3台空压机设备，给全矿井上及井下的气动设备提供动力，为节省投资费用，煤矿用一台高压变频器控制三台空压机，采用循环控制方式，每台空压机的启动、停止及运行频率都有控制系统进行控制，方便了用户操作，节省了投资，效果非常明显。如图1是空压机现场布置图。

            图1  空压机现场图

3  现场电机参数及系统参数

    表1是现场空压机电机及高压变频器参数表。

表2  高压变频器参数表

4  控制系统原理介绍

    现场采用一台高压变频器，控制三台空压机系统。一拖三控制逻辑如图2所示。

              图2  一拖三控制逻辑图

图2中1QF、2QF、3QF为三台空压机的工频旁路断路器，用于在变频器故障或检修时做工频备用，同时用于变频器频率上升到50Hz时转工频用。QF01为高压变频器的电源断路器，用于变频器的送、断电。QS1、QS2、QS3、QS4为隔离刀开关，用于变频与工频的明显分断点。在变频状态下全合上，工频状态下全部断开，防止变频器在工频状态下合上，而倒送电损坏变频器。而KM0、KM1、KM2、KM3、KM4为三台电机循环控制的高压交流接触器。KM0与KM2同时吸合，1号电机运行，KM0与KM3吸合，2号电机变频运行；KM0与KM4同时吸合，3号电机运行。

循环控制过程如下：

当真空接触器KM0与KM2同时吸合时，1号电机变频运行。当系统压力不够，频率上升到40Hz（可以设定）时，若系统压力还不够，就将KM0断开，变频器通过电抗器L0带电机运行，变频器继续升高频率，当到达50Hz时，就将1QF断路器合闸，系统开始通过输出电压检测板检测变频器输出的相位与工频的相位，当检测到频率与相位一致时的瞬间，就将KM2断开，将电机甩到工频上，1号电机工频运行，从而实现了变频与工频的无扰切换。

1号电机甩到工频以后，系统再发出指令，将KM0与KM3吸合，2号电机投入变频运行。当检测到管网压力还低时，就升高频率，当升高到48Hz（可以设定）时，系统同样将KM0断开，变频器通过电抗器L0带2号电机运行，当频率升到50Hz时，就将2QF断路器合闸，系统就通过输出电压检测板检测变频器的输出与工频的相位及频率。当检查到频率与相位都一致时，就将KM3断开，2号电机也工频运行。

2号电机工频运行正常后，系统再发出指令，将KM0与KM4吸合，3号电机变频运行。这时，系统中1号、2号电机工频运行，3号电机变频运行。这是用气量最大的时候。如果系统用气量减少，系统检查管网压力过高了，变频器就将降低频率，当降低到系统设定的最低频率时，系统就先将1号工频运行的电机甩掉，将1QF断开。如果检测到压力还高，就发出指令，将2号工频运行的电机甩掉，将2QF断开。这时用气量最少的时候。这时整个系统只有3号电机变频运行。

若系统用气量增加，系统检查管网压力过低时，变频器就将升高频率。当升高到48Hz（可以设定）时，重复上面的过程，将3号电机甩到工频上，变频器载带1号电机运行。

如此周而复始，循环往复，实现了整个管网的自动运行控制。

这里的关键是变频与工频的无扰切换功能。一旦切换不成，系统就将产生很大的电流，造成整个系统跳闸，而不能正常工作。新风光电子科技股份有限公司在多年研究高低压变频器无扰切换的电路中，积累了丰富的经验，使变频转工频的无扰切换做到了最完美的程度，基本上每次都能完美的转换，没有出现过大的电流波动，图3是变频转工频时采集的波形，其中黄色代表电网电压；紫色代表变频器输出电压。

图3  锁相成功时的波形

5  系统控制程序

为了实现这些控制逻辑及切换功能，现场配置了一台联控柜，实现变频器与现场电机的切换。图4是空压机现场控制系统图。

图4  现场空压机控制系统图

5.1  1#空压机启动程序

处于“自动”控制的三台空压机，将“自动”控制命令，分别发给“联控柜及高压变频器”。

联控柜控制画面中，用户通过设定“手动排序”的控制方式，确定排序顺序，例如：1#、2#、3#，或2#、1#、3#等；如果排序顺序为：1#、2#、3#，且高压变频器给联控柜提供“高压变频准备就绪”和无故障的监视信号，用户在联控柜上首先给1#空压机发“变频”启动命令；用户在联控柜触摸屏上按1#空压机远程启动键，联控柜给1#空压机发“变频启动”命令；1#空压机接到联控柜发来的1#变频启动命令后，给高压变频器发“1#启动脉冲”，高压变频器接到1#空压机发来的变频启动命令后，变频启动1#空压机，1#空压机变频启动运行并调速控制，高压变频器预留“1#机变频运行”状态信号，与高压柜运行状态信号相并联，联控柜检测“总管网”压力，如果压力过低，联控柜给“高压变频器”发“变频运行空压机切工频”的控制命令，高压变频器接到命令后，通过“矫正相位及准备工作”，确定能够切换后，将1#空压机切换到“工频高压柜控制”，并给联控柜发“1#机转工频完成”的无源监视信号，通知“联控柜”1#空压机已切换到“工频控制”；联控柜接到信号后，延时将“变频运行切换到工频”的命令取消；并监视1#空压机对应的1#高压开关柜的“运行”及能耗参数。

5.2  2#空压机启动程序

1#空压机切换到工频后，联控柜检测变频器状态，如果“变频器准备就绪”且无故障，联控柜给2#空压机发远程“变频启动”命令，2#空压机接到启动命令后，给高压变频器发“2#启动脉冲”，高压变频器接到2#空压机启动命令后，变频启动2#空压机，2#机变频启动运行并调速控制，高压变频器预留“2#机变频运行”状态信号，与高压柜运行状态信号相并联，联控柜检测“总管网”压力，如果压力过低，联控柜给“高压变频器”发“变频运行空压机切工频”的控制命令，高压变频器接到命令后，通过“矫正相位及准备工作”，确定能够切换后，将2#空压机切换到“工频高压柜控制”，并给联控柜发“2#机转工频完成”的无源监视信号，通知“联控柜”2#空压机已切换到“工频控制”；联控柜接到信号后，延时将“变频运行切换到工频”的命令取消；并监视2#空压机对应的2#高压开关柜的“运行”及能耗参数。

5.3  3#空压机启动程序

2#空压机切换到工频后，联控柜检测变频器状态，如果“变频器准备就绪”且无故障，联控柜给3#空压机发远程“变频启动”命令，3#空压机接到启动命令后，给高压变频器发“3#启动脉冲”（C191、C192触点闭合），高压变频器接到3#空压机启动命令后，变频启动3#空压机，3#机变频启动运行并调速控制，高压变频器预留“3#机变频运行”状态信号【信号引入3#空压机启动盘（C100、C190端子），与高压柜运行状态信号相并联】；此时，3台空压机，1#、2#工频运行，3#空压机变频运行。

5.4  系统循环控制

联控柜检测总官网压力，如果压力过高，达到压力设定上限值，且3#空压机变频调速到下限（说明：联控柜可以采用通信方式，检测变频器的电压、电流及频率），联控柜首先给1#工频空压机发卸载命令，1#空压机卸载后，如果总管网压力还高于设定压力上限值，联控柜给2#空压机发卸载命令，二台工频空压机卸载，且3#变频机处于调频下限值，联控柜延时（此时间可设定）给1#工频机发停止命令，1#工频机接到停止命令后，给“高压变频器”及“高压开关柜”发“停止脉冲”（注意：任意空压机的停止命令，将同时发给“高压变频器及高压开关柜”），高压变频器接到“1#空压机”停止命令后，判定此时1#空压机处于“工频”工作状态，高压变频器对“1#空压机”运行停机命令处理；1#工频空压机停止运行后，由于是高压机，如果需要再启动，需要等到延时时间到（大于30min），方可再次启动，启动方式同上，首先需要将3#变频空压机，切换为工频，然后，再启动1#空压机；说明：联控柜设定变频顺序为：1#、2#、3#；1#变频启动并转工频后，2#机变频启动，2#机变频启动并转工频后，3#机变频启动；如果压力过高需要延时停机，停机顺序将为1#工频、2#工频、3#变频；如果1#停机，压力不足需要再启动，则需要将3#变频切换到工频，1#空压机停机延时时间到后，1#机将变频启动；如果，系统压力过高，联控柜将卸载2#工频及3#工频机，如果压力还高，联控柜将给2#工频机发停止命令，如果2#停机，压力不足需要再启动，则需要将1#变频切换到工频，2#空压机停机延时时间到后，2#机将变频启动。

5.5  正常联控停机

联控运行的空压机，用户如果需要将联控运行的空压机停止运行，按任意运行空压机“停止”键，联控系统将按照“排序顺序”，顺序停止运行的空压机，即，如果排序顺序为：2#、3#、1#，三台空压机启动运行后，如果需要停止联控系统，按任意运行机组“停止”键，联控系统将按排序顺序，首先停止转为工频运转的2#（工频）机，然后停止也转为工频运转的3#（工频）机，最后停止1#（变频）机；注意：高压变频器设定，停机方式为“自由停车”。

5.6  联控柜可以设定控制方式为：“单控或联控”

单控方式，需要设定，那台空压机为变频机，单控状态下，联控柜只能启动设定为“变频”控制的空压机，其它机组，如果用户需要启动，需到“就地”，在空压机面板上，设定“手动”，在空压机面板上手动采用“工频”方式，启动和停止空压机。

5.7  中控室与联控柜之间采用通信方式进行“信息”交换

联控柜触摸屏上设定控制模式为“中控室”控制，用户在中控室可以设定“联控和单控”，如果设定为单控，需要选择哪台空压机为“变频机”，并远程启动和停止此“变频机”，另外二台处于“单控”的空压机，无法远程启动，需在“就地”，采用手动方式“启动和停止”，控制方式同上；如果设定为“联控”，由于排序顺序已经确定，按任意处于“远程联控”方式的空压机启动键，联控系统首先根据“排序”顺序，顺序启动空压机，具体控制方法同“4、控制系统原理介绍”；图5是现场变频器的运行画面。

图5  变频器运行图

图6  现场变频器效果图

6  运行效果

    通过高压变频器与联控柜及现场DCS、三台空压机的有几配合，系统实现了工频、变频的有序、无扰切换，运行平稳，达到了设计要求。具体体现在：

（1）变频转工频切换平稳，无冲击，切换电流波动控制在1.2倍额定电流之内。

（2）系统自动运行平稳，管网压力控制在0.7MPa，压力波动在0.05MPa之内，十分平稳，用户比较满意。

（3）整个煤矿井上、井下用气稳定，没有出现无气、断气或气压过高的情况。

（4）节能效果显著。变频器在气压相对稳定的情况下，频率基本运行在40Hz左右，达到了变频器与电机的稳定运行，节能效果明显，据测算，可以达到20%左右，十分理想。

（5）由于变频器启动平稳，变频与工频无扰切换，大大减少了对电机、空压机及电网的冲击，延长了电机及空压机的机械寿命，减少了维护成本。减轻了维修人员的劳动强度，深受用户的好评。

7  结束语

变频器对空压机的节能改造，是煤矿等机械工业对大型设备进行工艺提升、设备改造、效益显能的体现。通过这次对高压大功率空压机的系统控制，在实现自动控制、无扰切换，远程通讯、恒压管网等方面进行了全面尝试。我们相信，在实现工业自动化控制的新领域，高压变频器必将发挥越来越强大的功能，给煤矿、钢铁、石油、化工等重工业的发展带来更大的效益，推动工业自动化革命的进程。

参考文献：

[1]赵新军. 风光变频器在制药行业的应用及电磁兼容[J]. 变频器世界,2007.10.

[2]张文斌. 高压变频器在济钢烧结机尾除尘风机上的应用[J]. 变频器世界,2013.5.

[3]新风光高压变频器用户手册[Z].

作者简介：

李克志，男，电气工程师，现工作于新风光电子科技股份有限公司，从事电力电子技术工作。

梁开来，男，电气工程师，现工作于新风光电子科技股份有限公司，从事电力电子技术工作。

张明辉，男，电气工程师  现供职于新风光电子科技股份有限公司，从事电力电子技术工作。