基于矢量控制的高压变频器在矿井通风机改造中的应用

周雨松，孙晓娟

（1.西安利雅得电气自动化有限公司，陕西西安710075；2.宝鸡文理学院电子电气工程系，陕西宝鸡721013）

1 引言

矿井通风机用于向井下提供新鲜风流、排除污浊空气和有害气体，对煤矿的安全生产影响重大，是矿山的关键设备之一。矿井主通风机全年不停地运行，其耗电量较大，平均电耗约占矿井电耗的15%。传统矿井主通风电机的控制大都采用直接起动方式，电机恒速运行，通过调节风机叶片角度和风道挡板来完成风量的调节。这种办法虽然简单,但很不经济,运行中通风阻力增大造成电能的大量浪费,且通风能力余量越大浪费越大。利用变频调速技术实现通风机的风量调节将是最理想、最有效、最节能的调节方法。

2 通风机现状

某煤矿是1989年移交投产的年设计生产能力150万吨的大型现代化矿井，属重瓦斯矿井。其主通风系统由两台主扇通风机组成，一台工作，一台备用，每套主扇由一台同步电机组成。电机定子回路直接接通6kV电源，励磁柜异步起动。由于该通风机设计于上世纪80年代末，技术相对比较落后，运行时间长，在具体的实践中存在以下问题。

（1）电能的严重浪费

主扇风机设计上余量大，主扇风机一直处在较轻负载下运行。由于采用档板调节，因此造成能源浪费，增加了生产成本。

（2）起动困难，机械损伤严重

主扇风机采用直接起动，起动时间长，起动电流大，引起电网电压严重波动，对电动机的绝缘有着较大的威胁，严重时甚至烧毁电动机。而高压电动机在起动过程中所产生的单轴转矩现象使风机产生较大的机械振动应力，严重影响到电动机、风机及其它机械的使用寿命。

（3）自动化程度低

主扇风机依靠人工调节档板，更不具备风量的自动实时调节功能，自动化程度低。在故障状态下，如风机短路，将对矿井正常生产造成严重影响。

3 通风机改造的难点

该通风机采用高压同步电动机驱动，因此改造时，必须注意到同步电动机调速系统的一些特殊问题。

（1）起动问题

同步电动机只有在定子旋转磁场与转子励磁磁场相对静止时，才能得到平均电磁转矩。如将静止的同步电动机励磁后直接投入电网，这时定子旋转磁场与转子磁场间以同步转速作相对运动，转子受到交变的脉动转矩，其平均值为零，电机不能起动。常用的同步电动机起动方法有异步起动方式和变频起动方式。

（2）失步问题

同步电动机失步，包括失励失步、带励失步、断电失步等。同步电动机运行过程中失步往往造成起动绕组过热，转子回路产生过电压，灭磁电阻发热，损坏电动机和励磁装置。

（3）灭磁问题

灭磁是当同步电动机出现故障时，在转子绝缘允许的条件下，尽快将转子中储存的磁场能量减小到安全值以下的过程。因此对灭磁过程有两点要求：一是灭磁时间尽量短，二是满足转子的绝缘条件。灭磁的主要目的是加快正常的停机速度，降低系统故障时可能导致的损坏，把故障造成的损失减小到最小程度。

4 矢量控制高压变频器在通风机改造中的应用

高压变频器作为一种新型的电力电子变换装置，已经成熟地应用到工业生产的各个行业，不但起动容易，节能效果显著，而且对电机的保护功能齐全。风机采用变频器实现速度调节，不但起动平稳，冲击小，功率因数高，效率高，而且节能。本系统采用完美无谐波系列高压变频器，该变频器具有矢量控制功能，可以很好地满足系统各种运行工况对速度调节的需要，同时可以解决电机直接起动对电网、电机的巨大冲击，节能效果显著。

（1）变频器的优点

完美无谐波变频器系统具有如下优点：提供纯净的输入电源特性；高功率因数；几近完美的正弦波输出。

（2）系统的控制模式

完美无谐波变频器使用矢量控制方式来控制感应电机及同步电机。矢量控制提供一种易于实现的控制结构，但控制性能几乎与直流电机一样。

图1 完美无谐波变频器的矢量控制算法简图

如图1所示为完美无谐波变频器的矢量控制算法简图。

矢量控制由以下几个基本模块组成：①马达模型：用于检测电机磁通及速度；②电流调节器：这些调节器用作矢量控制的内环；③磁通与速度调节器：这些调节器用作矢量控制的外环；④前馈补偿环节（FF）：用于改善转矩及磁通环的瞬态响应。

（3）系统组成

如图2所示，定子回路采用完美无谐波高压变频器，励磁回路采用数字调速器6RA70，励磁调速器6RA70由变频器的磁通调节器进行控制。

图2 定子回路与励磁回路采用完美无谐波高压变频器示意图

（4）系统的调节

1）系统的起动过程

本系统采用变频起动方式，实质上是改变定子旋转磁场转速利用同步转矩来起动。在起动开始时，转子加上励磁，定子电源的频率调得很低，然后逐步增加到额定频率，使转子的转速随着定子旋转磁场的转速而同步上升，直到额定转速。这样，相对于过去的异步起动方式，起动过程简单平稳，起动过程不存在异步整步过程，消除了起动中的脉动等危险。

2）系统的调速过程

高压变频器采用同步电机控制（SMC）模式。控制系统利用转子在定子绕组上感应出的电压来确定电机的速度，再输出转矩至电机。整个过程中，励磁和定子协调调节，保证相互间始终同步，从而避免了正常运行中失步的可能，彻底解决了同步机失步故障。

3）系统的灭磁过程

由于本系统采用变频起动，不存在异步整步的过程，同时励磁装置采用6RA70直流调速器，主回路为三相全控桥，而且励磁由变频器控制，所以在正常停车时，变频器控制励磁不断减小，以至进行逆变灭磁，系统的灭磁过程明确简单，灭磁装置得到了很大的简化。实际上，本系统只在励磁绕组两端并接一个反向二极管和灭磁电阻，电路结构简单，动作可靠。

5 结论

基于矢量控制的高压变频器在矿井通风机改造中的应用，从根本上改变了过去通风机异步起动、固定励磁、恒速和灭磁复杂的情况，系统做到了基本免维护，提高了设备使用的安全可靠性，是一种值得推广的新型控制方式。同时，在现场应用情况良好，节能效果明显，取得了可喜的经济效率，得到了用户的一致好评。

［1] 空冷型完美无谐波系列新一代控制NBH高压变频器用户手册.西门子（上海）电气传动设备有限公司.

［2] SIMOREG DC MASTER 6RA70系列全数字直流调速装置使用说明书.西门子电气传动有限公司.

［3] 刘元丽.矿井风机变频节能技术的应用［J] .煤炭加工与综合利用,2008（3）.

［4] 李志民,张遇杰.同步电动机调速系统［M] .北京:机械工业出版社,1996.