基于矢量控制的高壓變頻器在礦井通風機改造中的應用

周雨松，孫曉娟

（1.西安利雅得電氣自動化有限公司，陜西西安710075；2.寶雞文理學院電子電氣工程系，陜西寶雞721013）

1 引言

礦井通風機用于向井下提供新鮮風流、排除污濁空氣和有害氣體，對煤礦的安全生產影響重大，是礦山的關鍵設備之一。礦井主通風機全年不停地運行，其耗電量較大，平均電耗約占礦井電耗的15%。傳統礦井主通風電機的控制大都采用直接起動方式，電機恒速運行，通過調節風機葉片角度和風道擋板來完成風量的調節。這種辦法雖然簡單,但很不經濟,運行中通風阻力增大造成電能的大量浪費,且通風能力余量越大浪費越大。利用變頻調速技術實現通風機的風量調節將是最理想、最有效、最節能的調節方法。

2 通風機現狀

某煤礦是1989年移交投產的年設計生產能力150萬噸的大型現代化礦井，屬重瓦斯礦井。其主通風系統由兩臺主扇通風機組成，一臺工作，一臺備用，每套主扇由一臺同步電機組成。電機定子回路直接接通6kV電源，勵磁柜異步起動。由于該通風機設計于上世紀80年代末，技術相對比較落后，運行時間長，在具體的實踐中存在以下問題。

（1）電能的嚴重浪費

主扇風機設計上余量大，主扇風機一直處在較輕負載下運行。由于采用檔板調節，因此造成能源浪費，增加了生產成本。

（2）起動困難，機械損傷嚴重

主扇風機采用直接起動，起動時間長，起動電流大，引起電網電壓嚴重波動，對電動機的絕緣有著較大的威脅，嚴重時甚至燒毀電動機。而高壓電動機在起動過程中所產生的單軸轉矩現象使風機產生較大的機械振動應力，嚴重影響到電動機、風機及其它機械的使用壽命。

（3）自動化程度低

主扇風機依靠人工調節檔板，更不具備風量的自動實時調節功能，自動化程度低。在故障狀態下，如風機短路，將對礦井正常生產造成嚴重影響。

3 通風機改造的難點

該通風機采用高壓同步電動機驅動，因此改造時，必須注意到同步電動機調速系統的一些特殊問題。

（1）起動問題

同步電動機只有在定子旋轉磁場與轉子勵磁磁場相對靜止時，才能得到平均電磁轉矩。如將靜止的同步電動機勵磁后直接投入電網，這時定子旋轉磁場與轉子磁場間以同步轉速作相對運動，轉子受到交變的脈動轉矩，其平均值為零，電機不能起動。常用的同步電動機起動方法有異步起動方式和變頻起動方式。

（2）失步問題

同步電動機失步，包括失勵失步、帶勵失步、斷電失步等。同步電動機運行過程中失步往往造成起動繞組過熱，轉子回路產生過電壓，滅磁電阻發熱，損壞電動機和勵磁裝置。

（3）滅磁問題

滅磁是當同步電動機出現故障時，在轉子絕緣允許的條件下，盡快將轉子中儲存的磁場能量減小到安全值以下的過程。因此對滅磁過程有兩點要求：一是滅磁時間盡量短，二是滿足轉子的絕緣條件。滅磁的主要目的是加快正常的停機速度，降低系統故障時可能導致的損壞，把故障造成的損失減小到最小程度。

4 矢量控制高壓變頻器在通風機改造中的應用

高壓變頻器作為一種新型的電力電子變換裝置，已經成熟地應用到工業生產的各個行業，不但起動容易，節能效果顯著，而且對電機的保護功能齊全。風機采用變頻器實現速度調節，不但起動平穩，沖擊小，功率因數高，效率高，而且節能。本系統采用完美無諧波系列高壓變頻器，該變頻器具有矢量控制功能，可以很好地滿足系統各種運行工況對速度調節的需要，同時可以解決電機直接起動對電網、電機的巨大沖擊，節能效果顯著。

（1）變頻器的優點

完美無諧波變頻器系統具有如下優點：提供純凈的輸入電源特性；高功率因數；幾近完美的正弦波輸出。

（2）系統的控制模式

完美無諧波變頻器使用矢量控制方式來控制感應電機及同步電機。矢量控制提供一種易于實現的控制結構，但控制性能幾乎與直流電機一樣。

圖1 完美無諧波變頻器的矢量控制算法簡圖

如圖1所示為完美無諧波變頻器的矢量控制算法簡圖。

矢量控制由以下幾個基本模塊組成：①馬達模型：用于檢測電機磁通及速度；②電流調節器：這些調節器用作矢量控制的內環；③磁通與速度調節器：這些調節器用作矢量控制的外環；④前饋補償環節（FF）：用于改善轉矩及磁通環的瞬態響應。

（3）系統組成

如圖2所示，定子回路采用完美無諧波高壓變頻器，勵磁回路采用數字調速器6RA70，勵磁調速器6RA70由變頻器的磁通調節器進行控制。

圖2 定子回路與勵磁回路采用完美無諧波高壓變頻器示意圖

（4）系統的調節

1）系統的起動過程

本系統采用變頻起動方式，實質上是改變定子旋轉磁場轉速利用同步轉矩來起動。在起動開始時，轉子加上勵磁，定子電源的頻率調得很低，然后逐步增加到額定頻率，使轉子的轉速隨著定子旋轉磁場的轉速而同步上升，直到額定轉速。這樣，相對于過去的異步起動方式，起動過程簡單平穩，起動過程不存在異步整步過程，消除了起動中的脈動等危險。

2）系統的調速過程

高壓變頻器采用同步電機控制（SMC）模式。控制系統利用轉子在定子繞組上感應出的電壓來確定電機的速度，再輸出轉矩至電機。整個過程中，勵磁和定子協調調節，保證相互間始終同步，從而避免了正常運行中失步的可能，徹底解決了同步機失步故障。

3）系統的滅磁過程

由于本系統采用變頻起動，不存在異步整步的過程，同時勵磁裝置采用6RA70直流調速器，主回路為三相全控橋，而且勵磁由變頻器控制，所以在正常停車時，變頻器控制勵磁不斷減小，以至進行逆變滅磁，系統的滅磁過程明確簡單，滅磁裝置得到了很大的簡化。實際上，本系統只在勵磁繞組兩端并接一個反向二極管和滅磁電阻，電路結構簡單，動作可靠。

5 結論

基于矢量控制的高壓變頻器在礦井通風機改造中的應用，從根本上改變了過去通風機異步起動、固定勵磁、恒速和滅磁復雜的情況，系統做到了基本免維護，提高了設備使用的安全可靠性，是一種值得推廣的新型控制方式。同時，在現場應用情況良好，節能效果明顯，取得了可喜的經濟效率，得到了用戶的一致好評。

［1] 空冷型完美無諧波系列新一代控制NBH高壓變頻器用戶手冊.西門子（上海）電氣傳動設備有限公司.

［2] SIMOREG DC MASTER 6RA70系列全數字直流調速裝置使用說明書.西門子電氣傳動有限公司.

［3] 劉元麗.礦井風機變頻節能技術的應用［J] .煤炭加工與綜合利用,2008（3）.

［4] 李志民,張遇杰.同步電動機調速系統［M] .北京:機械工業出版社,1996.