高壓大功率變頻器在煤礦主通風機的應用方案

張東

摘要：近年來煤礦礦井安全事故不斷增加，為防止礦井主通風機突然啟動帶來的對國家電網和生產使用設備造成的損壞，解決在生產場所調節礦井通風量急劇下降等生產問題，文章提出了對大功率變頻器的技術改進方案。通過實驗驗證和多次調試，系統采用此方案后極大地提高了煤礦的生產區的通風技術，提高了礦井的安全性、可控制性和節能減排環保效率，取得了讓人滿意的效果。

關鍵詞：高壓大功率變頻器；煤礦主通風機；變頻技術；DTC

中圖分類號：TM921 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）10-0159-02

一、高壓大功率變頻器控制研究的意義

現代所有煤礦礦井的安全生產都不可離開主通風機裝備，它負責全礦井的通風防爆的重大任務。以前各大煤礦礦井的通風主要設計基本上是選用國產品牌的通風機，通風機的供電控制主要是采用直接電開關啟動或者采用相關串聯電路啟動。這種啟動的優點是設備裝置簡單易行，產品代價也不高，缺點是這種方式非常危險，容易對生產電器造成損壞，也對工人的安全構成威脅，而礦井通風量多少的調節是采取簡單的手動調節風機葉片旋轉角度以到達調節通風量的目的。如果以照往常的通風裝備的設計及安裝，將會對電網造成巨大電流沖擊，嚴重危害礦井供電安全，而且煤礦的主通風機運行工作情況近運行特性曲線的是在駝峰區，并沒有線性特性，風機特性曲線特性圖早已經與原來設計的電路特性圖不匹配，所以整個煤礦的通風系統不能安全運行，低壓電路保護經會常常受遭到霆雷和國家電網電壓高低波動的影響，尤其是同步電機的抗干擾的性能差，通風電控制系統的可控性能難以滿足生產設備要求，通風系統控制沒有實現閉環自動控制，同是也會對生產設備本身產生機械磨損，減少設備的使用壽命，尤其是在煤礦礦井開始建設時期和煤礦投入使用的開始時期，就算將主要的通風機的葉片角度旋轉到最小，它通風量也會不好控制，嚴重影響礦井的風量調節，從而降低礦井通風的穩定性能，與此同時還會造成巨大電能浪費。為了提高電能的使用效率、設備使用的穩定性，延長生產設備的使用壽命，故提出對大功率變頻器的技術改進方案，重新設計主通風機的搭接方案，在此改進的過程中主要增加變頻器對主通風機的電路控制。具體方案在下面介紹。

二、壓大功率變頻器控制技術的主要內容

如今隨著電子技術的發展迅速，采用交流變頻傳動與控制技術是該系統改進的主要內容。由于電子元器件的制造技術改進、多相變頻技術的出現、自動控制以及MCU和大規模集成電路理論的飛速發展。交流變頻技術得以發展，如今的高壓變頻裝置是從二戰時期德國采用關斷晶閘管發展到如今的高壓絕緣柵雙晶閘管、IGBT的快速控制開關，而IECT電子器件的變頻器件主要有采用具有多個功率多電平電路的串聯，以達到降壓、減少功率單元以降低電流等方式對直流電機實現速度的調節功能。這跟直流控制傳動調速的裝置相比有：設備維護簡單易行、控制傳動效率高、生產故障率低，節能環保效果好、功率小的優點。同時，現行這種技術比較成熟。可以用于工業生產當中來，目前我煤礦規劃的設計生產能力是300萬噸，經過最近這幾年的技術改進和管理的調整，現在的生產能力可以達到450萬噸，建議我礦采用電控制系統采用西門子的ZZFQ-6/400高壓啟動方式，這樣可以減少電能的消耗，而坐落在城郊的煤礦不用考慮通風量少的問題，但即使主通風機運行在-10角度的條件下，煤礦礦井井下還是會存在通風量較大而難以控制的情況。為了達到減少礦井通風風量過大，主通風機耗能較低的結果，要不斷改進交流變頻傳動的技術指標，實現主通風機的通風量可以隨時可控，根據礦井的通風量以及安全因數對通風量實現自動控制，以實現設備啟動對電網無沖擊，減少設備機械沖擊，達到節約電能的目的。

三、關鍵技術的實現步驟

在我村的煤礦礦井采用改造高壓大功率變頻器技術，具體擬定了兩套改進解決方案：

（一）方案一

根據本次變頻技術的改進經過通風部門的測試，隨著挖掘礦井的深入的需要，電動機的額定功率最終選在3800kW以上，額定工作電壓為6kV左右，大功率同步電動機比同步電動機更能適應國家電壓波動的影響，改進過程中也可以選用4300kW的同步電機。

出于高壓變頻器系統在風機、電冰箱、水泵等設備上表現出非常好的的節能優點，可靠的自動控制性能，系統改進的重點是選用ABB公司ACS5000系列的DTC（直接轉矩控制）變頻器，額定容量大概為5000kVA。

高壓變頻器通過PLC微控制器和計算機協調控制，實現聯動控制，整個變頻控制系統的監控內容可以分為：高低壓配電電源、鼓風機的風門開關控制、系統變頻器的輸出頻率、還有就是調節電動機電路的各種電路保護、控制通風機的通風量、壓力、抗震動性能等方面，并且系統還要具有完全實現閉環自動控制的功能。

（二）方案二

從市場上購買1套電源變頻器，采用1套電源變頻器拖動2臺通風機的功能，也就是實現一拖二的功能，保留當前電機工作的主頻控制系統作為后備留用，這樣做的優點就是技術改造的投資相對小一些，變頻器工作的利用效率高，可以減少一些投入費用，而原來的工作頻率的控制柜臺還可以作為應急備用。但是缺點就是無論運行哪臺通風機，這套變頻器始終工作在運行狀態，這對電機的檢修、維護非常不方便。所以，為了保險起見，我們經多次討論，最后決定在煤礦風井安裝一套變頻器，實現一套變頻器通過切換柜可以控制2臺通風，同時當變頻器發生故障時，還可以通過切換柜切換到主頻狀態下運行。

四、高壓變頻器使用的效果

煤礦通過風井主通風機變頻技術手段改進以及風井主通風機變頻器技術的采用，可以運用主通風機的微機控制軟啟動的功能，回避了大型煤礦機電設備啟動時產生的瞬間電流而對國家電網的沖擊危害以及穩定的解決了設備的機械沖擊，減少煤礦生產的危害。

煤礦中的高壓變頻器應用主通風機上，提高了電網的功率因數（0.95），極大地降低了整個線路和電機內部材料的磨損，基本上不存在做無用功的情況，這樣就極大地節約了電能，提高了經濟效益。根據不同季節、不同時期調節礦井通風量，不再使用人工調節，完全實現了閉環調節自動控制，尤其是礦井前期通風量需求較小的時候，優勢顯得非常明顯，節約電能可以說是做的非常合理，例如：現在煤礦里的每臺主通風機裝備的4×450kW的電機，其耗電量只相當于60kW的電機耗電量。

還要補充的就是，高壓變頻器因為采用了接口串聯功率單元閉環控制的模式，兩旁還增設了旁路電路的功能，系統還具備自動旁路開路/連接的功能，不會影響主通風機的正常行，而且還會在故障出現時，自動報警，防止設備進一步損壞。

五、結語

總體來說，高壓變頻器在煤礦礦井里的主通風機變頻技術的改進和應用，已經達到了設計初期的預期目的，使用效果良好，這在煤礦井的應用中具有非常廣泛的經濟價值。

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（責任編輯：文森）