高压变频器在煤矿主通风机上的应用与研究

杜 欣

（山西省阳泉煤业集团有限责任公司一矿， 山西 阳泉 045000）

引言

矿井主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。矿井主通风机全年不间断运行，其电耗量较大，经调查，一个矿井的主扇风机年用电量约占全矿年用电量的8%～20%，是矿山的主要用电设备之一。

目前，阳煤集团一矿南翼主扇机房现配置两台FBCDZ-NO.20 型对旋轴流式风机，一用一备，每台风机配置两台额定电压为6 kV、额定功率为2 kW×220 kW 的交流隔爆异步电机双电机拖动，电控系统采用工频定速控制，其风量和负压控制是通过人工扭转风叶角度来实现的，人工调节风叶角度必须在风机停机后才能进行，这种调节方式只适合较长阶段的风量调节，调节起来既不安全又费时费力影响生产。可调范围也不大（一般1°为一个单位），电机全速运行，节电不明显。而且大多数风机设计上存在余量，如果任其运转势必造成电能浪费。加之，有些时候风量受季节、环境温度和开采工序等影响，需要经常性的对风机叶片角度进行调节，因此原先的控制系统就显得十分繁琐，这样造成风机系统运行效率低下，电能浪费惊人，运行状况差，增加了维修工作量，因此，需要对一矿南翼主扇风机的电控系统进行升级改造，通过变频器调节风叶转速的方式来控制主扇的风量、风压，以满足矿井生产的实际需要，达到降低能耗，减少维修工作量的目的，使南翼主扇风机能更好地服务于井下生产，创造企业经济效益。

1 项目目标

1.1 方案选择

为了选择合理的节能方案，我们调研和计算了不同风量调节方式的功率消耗情况，如图1 所示：

图1 不同风量调节方法功率消耗曲线图

由上图可见，变频调速法在现有的几种风量调节方法中是最理想、最有效、最节能的调节方法，而南翼主扇现在使用的调整风叶角度法，功率消耗仅次于挡板法，节能空间较大。

1.2 效益测算

应用高压变频调速系统，可以大大提高电机转速的控制精度，使电机在最节能的转速下运行。根据流体力学原理，轴功率与转速的三次方成正比。当所需风量减少，风机转速降低时，其功率按转速的三次方下降。因此，精确调速的节电效果非常可观。

2 关键技术

矿井主通风机采用高压变频调速装置控制可以实现矿井风量有序供给和自动控制。设计中应考虑以下主要因素：

2.1 安全可靠性

1）根据主通风机的电气参数确定最佳的S 形加速曲线，而且还要考虑到变频器偶然性故障，具有旁路应急工频运行方式。

2）按矿井所需风量和风压的大小，预先调整主通风机叶片的角度，而后根据主通风机的特性曲线选定最佳运行工况点和电机最佳转速，最后确定变频器的运行频率，使主通风机始终处于良好的运转状态。

3）主通风机须定期轮换运行，以便按周期保养维护。为保证倒机前后井下风量相同，两台主通风机的运行参数应调整一致。

4）按《煤矿安全规程》规定，矿井每年要进行反风演习，以保证井下发生灾害时，主通风机能及时可靠地反转，满足井下所需的反风量。变频器在设置频率时，须考虑到变频器负频率的设定范围。不需要按传统的反风方式-调整风叶角度或用断路器切换相序实现电动机反转，只需通过人机界面将运行频率设定到负频率值，使主通风机先减速到零，然后转到负频率转速，即可实现主通风机反风，这样既简化了操作程序，又提高了反风的安全性、准确性、及时性。

2.2 消除谐波污染

变频调速装置是一种高性价比的电气传动系统，变频器的三相输出电压波形为SPWM 波，在异步电动机的定子电流中含有高次谐波成分，高次谐波会增加电动机的损耗使电动机效率降低、功率因数减小及降低电动机的使用寿命，因此，在选用变频器时，要注意尽量选择含高次谐波分量小的产品。

2.3 变频调速控制应当与矿井安全监测系统联网

应把变频器的控制系统与瓦斯监测系统联网，当井下采掘工作面瓦斯突然涌出量较大时，通过瓦斯监测系统自动调整变频器的工作频率，提高主通风机转速，及时冲淡瓦斯浓度，保证矿井安全生产。

3 高压变频调速控制系统的改造方案

3.1 供电系统设计

变频系统的供电电源分为动力供电和控制系统供电两部分。动力供电均来自不同的动力开关柜，两路电源均引自不同的母线段，保证动力供电的可靠性、连续性；控制电源均由不同母线段高压柜内的降压变压器供电。

3.2 实现变频、工频两种方式可靠切换

正常情况下变频系统根据矿井所需风量，适时调整主通风机电机转速，满足矿井井下风量需求，当高压变频调速装置发生故障时，可由变频运行方式自动切换至工频应急方式供电，保证主通风机设备运行安全可靠。

3.3 实现远程监控

通过本地操作界面实现变频系统所有的运行控制、参数修改、状态显示和故障查询等功能，并通过变频系统的接口，连接到远程工控机可实现相同的功能。

3.4 变频器容量的选择

按变频器所驱动的通风机电机的最大功率，并留有一定裕量，即Se=KiPmax/cosφ。

式中：Se为所选变频器的容量，kVA；Ki为富裕系数，取1.1～1.4；Pmax为主通风机电动机的最大功率,kW；cosφ 为电动机的功率因数

阳煤一矿南翼主扇为对旋轴流式通风机，主电机为双电机拖动式通风机，负载性质属于典型的轻载启动。主通风机电控方式采用高压变频器是最佳的，通过对市场上的高压变频器选型，最终选择由新风光电子科技股份有限公司生产的JD-BP37-560F型交流电动机高压变频器，此变频器额定功率为560 kW，可满足南翼主扇2×220 kW 双电机拖动对旋轴流式通风机的实际需要。

4 高压变频调速系统的结构原理

4.1 高压变频器的结构原理（如图2 所示）

图2 高压变频器主回路图

高压变频调速系统是由移相变压器、功率单元和控制器组成，有15 个功率单元，每5 个功率单元串联构成一组，为基本的交-直-交单相逆变电路。

4.2 功率单元的工作原理

功率单元的整流侧为六支二极管实现三相全波整流，通过对IGBT 逆变桥进行正弦PWM 控制，每个功率单元完全一样，可以互换，这不但调试、维修方便，而且备份也十分经济，假如某一单元发生故障，该单元的输出端能自动通过软件控制IGBT 的两个上桥导通实现旁路故障单元而整机可以降额工作，而不影响运行。功率单元原理图如图3 所示。

每个功率单元都承受全部的电机电流、1/5 的相电压、1/15 的输出功率。15 个单元在变压器上都有自己独立的三相输入绕组。输出侧由每个单元的U、V 输出端子相互串接而成星型接法给电机供电，通过对每个单元的PWM 波形进行重组，得到阶PWM波形。这种波形正弦度好，dV/dt 小，可减少对电缆和电机的绝缘损坏，同时，电机的谐波损耗大大减少，消除了由此引起的机械振动，减小了轴承和叶片的机械应力。

图3 功率单元原理图

控制器核心由高速32 位DSP 和一体化人机界面协同运算来实现，精心设计的算法可以保证电机达到最优的运行性能。提供友好的全中文监控和操作界面，同时可以实现外控监控和网络化控制。PLC控制器用于柜体内开关信号的逻辑处理，以及与现场各种操作信号和状态信号的协调，增强了系统的灵活性。

控制器及各单元控制板采用32 位DSP、大规模集成电路和表面焊接技术，系统具有极高的可靠性。

另外，控制器与功率单元之间采用多通道光纤通讯技术，低压部分和高压部分完全可靠隔离，系统具有极高的安全性，同时具有很好的抗电磁干扰性能。

5 应用效果分析

2018 年12 月，阳煤一矿南翼主扇高压变频调速装置投入使用，运行6 个月来，运行效率明显提升，大大提升了矿井通风系统的安全性、稳定性和可靠性，同时，带来的经济效益和社会效益也相当可观。

1）风机启动时频率低、转速低，电流小且平稳，实现软启动。避免了原先用工频启动时的大电流大转矩对电机、电缆、开关及机械设备的不利冲击，不仅延长了电机等设备的使用寿命，也减轻了轴承的磨损，提高了设备的安全性和可靠性。

2）节电效果显著。改造前风机运行效率低，在60%以下，采用高压变频调速装置后，风机效率提高到85%以上，年节电 47.3 万kWh，按 0.5 元 /kWh 计算，每年可节省用电费用23.65 万元。

3）高可靠性、易操作。高压变频器柜的触摸屏，采用中文界面，便于掌控运行状态，风机可以根据矿井通风需要随时调速运行，彻底减少了人工调整风叶角度带来的工作量，使风机始终运行在高效区。风机调节风量时，不需要再调整叶片角度，减少了人工调整风叶角度的工作量，同时，还可以实现风机的远程联网控制，实现无人操作。同时，中文易识别，有利于故障排除快速排除。

4）减少了对电网的冲击。采用变频调节后，系统实现软启动，电机启动电流不超过额定电流，启动时间相应延长，对电网无冲击，延长了电机及风机的使用寿命。

5）维护量减少。采用高压变频调速系统后，风机的振动、噪音和温度明显降低，不仅有效延长了密封、轴承的使用寿命，而且也延长了通风机的检修周期，减少了检修维护量，节约了大量维护费用。