1 引言

主通風(fēng)機是煤礦通風(fēng)系統(tǒng)中最重要的一部分，也是煤礦安全生產(chǎn)中最重要的環(huán)節(jié)。礦井所需風(fēng)量是通過調(diào)節(jié)風(fēng)門擋板或主通風(fēng)機葉片角度來實現(xiàn)的。根據(jù)煤礦反風(fēng)及開采后期運行工況的要求，設(shè)計的主通風(fēng)機及拖動電動機功率通常遠(yuǎn)大于煤礦正常生產(chǎn)所需要的運行功率。由于主通風(fēng)機的設(shè)計余量特別大，在相當(dāng)長的時間內(nèi)一直處在較輕負(fù)載下運行，而且主通風(fēng)機是晝夜24h不間斷運行的，因此煤礦通風(fēng)系統(tǒng)中存在著極為嚴(yán)重的大馬拉小車現(xiàn)象，能源浪費非常突出。近幾年來，位于山東省濟寧市范圍內(nèi)的一些煤礦單位針對礦井主通風(fēng)機應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)的問題開展科技攻關(guān)，取得的實用成果對國內(nèi)同行具有一定的參考價值。

2 煤礦主通風(fēng)機變頻調(diào)速的實際運用

在煤礦的通風(fēng)系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的風(fēng)量調(diào)節(jié)方式是依靠調(diào)節(jié)主通風(fēng)機風(fēng)葉角度和空氣網(wǎng)絡(luò)阻力的模式來實現(xiàn)，其缺陷在于主通風(fēng)機風(fēng)機工作效率相比較低。如果是調(diào)整網(wǎng)絡(luò)提升系統(tǒng)阻力的方式，則屬于高耗能且調(diào)節(jié)起來不方便。積極使用主通風(fēng)機變頻調(diào)速進(jìn)行風(fēng)量調(diào)整，在生產(chǎn)、節(jié)能和提高效益方面均有十分重要的作用。位于濟寧市鄒城市的兗州礦業(yè)（集團）公司北宿煤礦作為我國薄煤層開采的典范，重點對礦井主通風(fēng)機的運行特性以及風(fēng)量的變頻調(diào)速開展研究。變頻調(diào)速技術(shù)的使用，改善主通風(fēng)機的整體性能，提升設(shè)備的工作實效，滿足不斷提高的安全生產(chǎn)要求，同時降低電能消耗，綜合效益不錯。

⑴ 煤礦主通風(fēng)機風(fēng)量的調(diào)節(jié)方法

煤礦主通風(fēng)機在礦井巷道設(shè)計時就已經(jīng)選定，通風(fēng)量大小也根據(jù)瓦斯含量、井下人數(shù)、巷道阻力等因素，利用主通風(fēng)機滿速狀態(tài)下特性曲線與網(wǎng)絡(luò)阻力特性曲線的交點確定主通風(fēng)機在自然運行狀態(tài)下的工況點。這個工況點一般不是煤礦投入使用主通風(fēng)機要求的工況點，因為預(yù)測瓦斯涌出量一般均高于實際涌出量，而且通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的阻力特性曲線與實際環(huán)境下也不同，并且伴隨巷道掘進(jìn)或工作面推進(jìn)而不斷變化。實現(xiàn)煤礦主通風(fēng)機的調(diào)節(jié)可以通過改變自身特性曲線也可以通過改變外部管網(wǎng)特性來進(jìn)行。

①恒速狀態(tài)下的風(fēng)量調(diào)節(jié)。軸流式通風(fēng)機利用擴大主通風(fēng)機葉片安裝角度或改變工作葉輪片數(shù)量和級數(shù)來調(diào)節(jié)風(fēng)量，必須在主通風(fēng)機停止運行時才能實施，適于較長階段的風(fēng)量調(diào)節(jié)，不能隨著實際通風(fēng)量要求隨機調(diào)節(jié)，無法實現(xiàn)平滑調(diào)節(jié)。離心式通風(fēng)機常用的調(diào)節(jié)方式是改變主通風(fēng)機口和風(fēng)道及送風(fēng)道閘門的打開程度，改變其特性曲線，達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)量的目的。

②變速狀態(tài)下的風(fēng)量調(diào)節(jié)。利用主通風(fēng)機轉(zhuǎn)速的改變使主通風(fēng)機特性曲線隨之變動，能有效改變煤礦的通風(fēng)量。這種變速狀態(tài)下的風(fēng)量調(diào)節(jié)是離心式通風(fēng)機經(jīng)濟運行的可靠方式。

③調(diào)節(jié)主通風(fēng)機的轉(zhuǎn)速與風(fēng)門改變風(fēng)量。這兩種方法的節(jié)能效果均比較可觀。在主通風(fēng)機的有效調(diào)節(jié)領(lǐng)域，使用調(diào)節(jié)主通風(fēng)機轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)風(fēng)量消耗的電能比調(diào)節(jié)風(fēng)門方式小得多。

⑵ 煤礦主通風(fēng)機的變頻調(diào)速體系

①變頻調(diào)速體系。北宿煤礦采用PLC控制體系，利用各類傳感器、變頻器、PLC數(shù)據(jù)控制平臺和主通風(fēng)機構(gòu)成1套閉環(huán)風(fēng)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)，不需要人員的直接參與，一切工序均由智能控制軟件實施操作，其可靠行、安全性、實用性有了極大的提升。在正常運行前，他們設(shè)定定子繞組的溫度為95℃、出口的報警溫度為40℃，利用配置的溫度傳感器將實際溫度輸送到數(shù)據(jù)分析控制器PLC中，與設(shè)定值進(jìn)行對比，同時通過風(fēng)壓傳感器及風(fēng)量傳感器將即時測量值也傳送到PLC中，經(jīng)過數(shù)據(jù)演算得出頻率值和電壓值，以這些數(shù)據(jù)為參考控制電動機的運轉(zhuǎn)。在煤礦主通風(fēng)機的實際運行過程中，伴隨著檢測數(shù)據(jù)的不斷變化，電動機各繞組的溫度及出風(fēng)口的溫度、風(fēng)量、壓力也會發(fā)生相應(yīng)改變并且反饋給PLC，將其與定值相比較，由PLC系統(tǒng)輸出變頻器的控制信息，直到繞組溫度和出風(fēng)口溫度都達(dá)到額定值，并且在風(fēng)量、風(fēng)壓和溫度之間形成新的平衡狀態(tài)，完成1個閉環(huán)的調(diào)節(jié)。

②運行模式。整個系統(tǒng)的運行有變頻運行和直接運行兩種模式。在變頻運行模式中，煤礦主通風(fēng)機的運行經(jīng)由變頻器供電，變頻器、傳感器出現(xiàn)故障時要切換變頻器，并且連接電網(wǎng)與主通風(fēng)機，主通風(fēng)機進(jìn)入全速運行狀態(tài)。在變頻狀態(tài)和直接運行狀態(tài)之間進(jìn)行切換時，要確保運行模式的軟切換環(huán)節(jié)，變頻器從運行狀態(tài)逐步減速到零。煤礦主通風(fēng)機的變頻調(diào)節(jié)可以在很大范圍實現(xiàn)無級調(diào)節(jié)，適應(yīng)工況調(diào)節(jié)需要和主通風(fēng)機啟動的要求。

⑶煤礦主通風(fēng)機應(yīng)用變頻調(diào)速的優(yōu)點北宿煤礦的井下通風(fēng)系統(tǒng)運用變頻調(diào)速后，完善通風(fēng)體系、改善工作環(huán)境，簡便的操作降低勞動強度；運行穩(wěn)定、可靠，啟動平穩(wěn)，無級調(diào)速并且調(diào)速范圍較大，可以進(jìn)行無功補償，功率因素升至0.98以上；擁有轉(zhuǎn)矩補償功能，電壓、頻率保持定值，有效避免電源頻率忽然下降導(dǎo)致電動機磁路過度飽和，勵磁電流的增加使電動機負(fù)載能力下降，功率因素也隨之降低；變頻器擁有完善的過電流保護(hù)、短路保護(hù)、欠電壓保護(hù)、失速保護(hù)、冷卻散熱片過熱保護(hù)等自我保護(hù)功能，提升變頻器的可靠性、安全性；配備電動機實現(xiàn)直接啟動，并且啟動所需要的電流不超過電動機額定電流1.7倍，明顯降低對電路及其它電氣設(shè)備的影響。

3 高壓變頻器在煤礦主通風(fēng)機的應(yīng)用

位于濟寧市微山縣的微山崔莊煤礦有限責(zé)任公司的主通風(fēng)機原先采用轉(zhuǎn)子串電阻啟動方式，啟動不穩(wěn)定、機械沖擊大，電動機壽命大為降低；控制系統(tǒng)復(fù)雜，故障率高，繞線電動機電刷等容易損壞，維護(hù)工作量大；啟動時電流大，對電網(wǎng)沖擊很大，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性；主通風(fēng)機設(shè)計余量大，一直處在較輕負(fù)載下運行，檔板調(diào)節(jié)浪費能源，自動化程度低，影響系統(tǒng)安全性。他們采用JD-BP37系列高壓變頻器對主通風(fēng)機進(jìn)行改造，變頻運行之后風(fēng)門全部打開，運行頻率43Hz、電流24A、負(fù)壓1700Pa，完全滿足煤礦生產(chǎn)工藝要求。

⑴主通風(fēng)機變頻調(diào)速改造

主通風(fēng)機為軸流式通風(fēng)機。電動機功率400kW，電壓6000V，電流48A，額定轉(zhuǎn)速590r/min，額定轉(zhuǎn)子電壓1365V，定子接線方式Y(jié)型，轉(zhuǎn)子接線方式Y(jié)型，絕緣等級B級。選用1套6kV變頻器，變頻器故障狀態(tài)下切換到工頻狀態(tài)運行。3臺高壓隔離閘刀不能同時閉合，在機械和電氣上都實現(xiàn)互鎖。變頻故障信號和上一級的高壓開關(guān)柜也互鎖，實現(xiàn)高壓故障連跳功能。

JD-BP37系列高壓變頻器由控制柜、變壓器柜、單元柜和開關(guān)柜組成，采用功率單元串聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)。每個功率單元結(jié)構(gòu)完全一致，可以互換，為基本的交—直—交單相逆變電路，整流側(cè)為二極管三相全橋，通過對IGBT逆變橋進(jìn)行正弦PWM控制。輸入側(cè)隔離變壓器二次線圈經(jīng)過移相為功率單元提供電源，對于6kV相當(dāng)于30脈沖不可控整流輸入，消除大部分由單個功率單元引起的諧波電流，極大抑制網(wǎng)側(cè)諧波的產(chǎn)生。變頻器引起的電網(wǎng)諧波電壓和電流滿足IEEE519-1992和GB/T14549-93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》對諧波含量最嚴(yán)要求，無需安裝輸入濾波器并保護(hù)周邊設(shè)備免受諧波干擾。正常調(diào)速范圍內(nèi)功率因數(shù)大于0.96。

⑵JD-BP37系列高壓變頻器特點

采用高速DSP(TMS320F2812)作為中央處理器，運算速度快、控制精準(zhǔn)、系統(tǒng)升級方便；飛車啟動功能能夠識別電動機速度并在電動機不停轉(zhuǎn)情況下直接啟動；運行過程中高壓瞬時掉電3s內(nèi)恢復(fù)，高壓變頻器不停機，高壓恢復(fù)后變頻自動運行到掉電前的頻率；變頻器某相有單元故障后，為了使線電壓平衡，傳統(tǒng)的處理方法是將另外兩相的電壓也降至與故障相相同的電壓，而線電壓自動均衡技術(shù)采用中性點漂移技術(shù)，通過調(diào)整相與相的夾角，在相電壓輸出最大且不相等的前提下保證最大線電壓均衡輸出；單元內(nèi)電解電容采取專利技術(shù)提高使用壽命1倍；運行過程中外部頻率給定信號出現(xiàn)短路或開路，整機維持故障前的運行頻率，并給出報警信號；單元串聯(lián)多重化結(jié)構(gòu)和模塊化設(shè)計，IGBT承受電壓較低，有≥1.15Ue的較寬過壓范圍，設(shè)備可靠性高；具有雙路AC控制電源，1路為干式變壓器變壓后的AC電源，1路為外部控制電源，調(diào)試中無需加入高壓主電就可檢測輸出波形，便于安裝調(diào)試及培訓(xùn)。

⑶使用效果

①節(jié)能效益。工頻運行時風(fēng)門開度約2m，電流43A、功率344.08kW、耗電量8257.90kW?h/d。變頻器運行時風(fēng)門全開，電流24A、功率238.93kW、耗電量5734.32kW?h/d。節(jié)電率30%。工頻耗電費4954.74元/d、變頻3440.59元/d。變頻改造后，日節(jié)約電費1514.15元。以300d/a為標(biāo)準(zhǔn)計算，年節(jié)約電費454244.4元。

②其它效益。實現(xiàn)電動機軟啟動、減小啟動沖擊、延長使用壽命；變頻故障轉(zhuǎn)工頻功能確保主通風(fēng)機連續(xù)運行；輸入諧波含量小，不對電網(wǎng)造成污染；輸出諧波含量低，適合普通異步電動機改造；除過壓、過熱、過載、短路等自身保護(hù)功能外，還設(shè)有外圍連鎖保護(hù)系統(tǒng)，安全保護(hù)功能齊全，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 煤礦主通風(fēng)機直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速技術(shù)

隨著位于濟寧市任城區(qū)的山東里能魯西礦業(yè)有限公司井下通風(fēng)線路增長，供風(fēng)能力明顯不足。該礦主通風(fēng)機為軸流式通風(fēng)機，只能在風(fēng)門全開或半開狀態(tài)下帶負(fù)載啟動。主通風(fēng)機啟動方式采用電動機定子串電抗啟動，啟動中電動機電流跳動大、啟動時間長、電抗器長期發(fā)熱，不利于主通風(fēng)機連續(xù)啟動。他們使用直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速系統(tǒng)解決礦井供風(fēng)能力不足的問題，改善主通風(fēng)機調(diào)節(jié)方式和啟動性能，減少對電動機、主通風(fēng)機、低壓開關(guān)等設(shè)備的啟動沖擊、延長設(shè)備使用壽命、降低維護(hù)費用、提高電能利用率，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

⑴通風(fēng)變頻調(diào)速系統(tǒng)

①礦井主通風(fēng)機調(diào)速技術(shù)現(xiàn)狀。異步電動機常用的調(diào)速方法有3種：轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速是手動不連續(xù)的分級調(diào)節(jié)，響應(yīng)時間慢、速度變化不均勻；串級調(diào)速將電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差損耗經(jīng)整流反饋給電網(wǎng)或轉(zhuǎn)換成其它形式的能量，設(shè)備復(fù)雜，成本高；變頻調(diào)速是通過改變供電電源頻率來改變電動機旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)速度，使電動機轉(zhuǎn)速得到改變。通風(fēng)機無論采用那種調(diào)速驅(qū)動方式都會取得明顯的節(jié)能效果，但風(fēng)量相同時采用變頻調(diào)速驅(qū)動的節(jié)能效果最佳。

②直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速系統(tǒng)。直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速技術(shù)的核心是建立自適應(yīng)電動機模型，直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器能夠在沒有光碼盤或測速電動機反饋的條件下精確控制標(biāo)準(zhǔn)鼠籠電動機的速度和轉(zhuǎn)矩。主通風(fēng)系統(tǒng)由輔助控制單元（控制線路）、進(jìn)線單元（主電源）、直流電抗器、供電單元（輸入整流橋）、傳動單元（逆變器）、主通風(fēng)機等組成。直接轉(zhuǎn)矩控制是交流傳動1種先進(jìn)的電動機控制方式，逆變器的通斷直接控制電動機的磁通和轉(zhuǎn)矩。直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器將測量的電動機電流和電壓作為自輸出電壓不能增加，負(fù)載容量減少。適應(yīng)電動機模型的輸人，這個模型每隔25μs產(chǎn)生1組精確的轉(zhuǎn)矩和磁通實際值。電動機轉(zhuǎn)矩比較器將轉(zhuǎn)矩實際值與轉(zhuǎn)矩給定調(diào)節(jié)器給定值比較，磁通比較器將磁通實際值與磁通給定調(diào)節(jié)器給定值比較。依靠來自2個比較器的輸出，優(yōu)化脈沖選擇器決定逆變器的最佳開關(guān)位置。逆變器每次開關(guān)脈沖都單獨由磁通和轉(zhuǎn)矩的值決定，而不是象傳統(tǒng)磁通矢量傳動中預(yù)先確定的矩陣來開關(guān)的。由于建立自適應(yīng)電動機模型，直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器能夠在沒有光碼盤或測速電動機反饋的條件下，精確控制標(biāo)準(zhǔn)鼠籠電動機的速度和轉(zhuǎn)矩。

③負(fù)載容量曲線。電動機額定頻率和弱磁點都是50Hz。低頻段連續(xù)負(fù)載容量曲線減弱是同軸風(fēng)冷電動機冷卻容量減少的結(jié)果。電動機頻率30Hz以上時，負(fù)載轉(zhuǎn)矩也能夠達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩95%以上。在f＞50Hz弱磁點范圍內(nèi)，因輸出電壓不能增加，負(fù)載容量減少。

⑵效果對比

魯西礦業(yè)有限公司的直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速系統(tǒng)投入使用以后，大幅度節(jié)約電能、降低生產(chǎn)成本，取得良好的效果。效果對比如下：應(yīng)用前后風(fēng)機型號分別為BDK62-8B23和BD-II-8-№23；電動機單機功率分別為132kW和250kW；供電電壓均為380V；供電頻率分別為50Hz和30Hz；風(fēng)葉角度分別為37.5°和一級21.4°、二級17.8°；運行方式分別為單機和雙機；風(fēng)量分別為3800m3/min和4500m3/min；風(fēng)壓分別為830Pa和1100Pa；年耗電量分別為1156320kW·h和722700kW·h；年節(jié)約電量433620kW·h；年節(jié)約電費23.491萬元。

5 煤礦對旋式軸流主通風(fēng)機高壓變頻調(diào)速改造

位于濟寧市曲阜市的山東省天安礦業(yè)有限公司星村煤礦對礦井主通風(fēng)機進(jìn)行變頻改造，輸出頻率、電壓和電流符合要求，完全可以滿足10min內(nèi)實現(xiàn)反風(fēng)的要求；實現(xiàn)一鍵反風(fēng)，反風(fēng)操作簡單可靠，減少工作量、縮短工作時間、提高工作效率；主通風(fēng)機不再一直處于滿負(fù)荷工作狀態(tài)，風(fēng)機效率80%，節(jié)能率30%以上，節(jié)能效果十分明顯；主通風(fēng)機2臺電動機的運行頻率盡量一致，保證電動機轉(zhuǎn)速一致，避免1臺轉(zhuǎn)速高1臺轉(zhuǎn)速低而形成風(fēng)阻，影響主通風(fēng)機的正常運行；滿載時網(wǎng)側(cè)電流諧波總?cè)萘啃∮?%，主通風(fēng)機以低于額定轉(zhuǎn)速運行，不僅節(jié)約能源，減少維護(hù)費用，還降低主通風(fēng)機的運行噪聲。

⑴星村煤礦的對旋式軸流主通風(fēng)機

①對旋式軸流主通風(fēng)機配置。對旋式軸流通風(fēng)機或?qū)χ檬捷S流通風(fēng)機將一個葉輪裝在另一個葉輪的后面，葉輪的轉(zhuǎn)向彼此相反。從進(jìn)風(fēng)口看，第一級葉輪順時針方向旋轉(zhuǎn)，第二級葉輪按逆時針方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)空氣流入第一級葉輪獲得能量后經(jīng)第二級葉輪排出，第二級葉輪兼?zhèn)淦胀ㄝS流通風(fēng)機中靜葉的功能，在獲得正直圓周方向速度風(fēng)量的同時，增加氣流的能量，從而達(dá)到了高效率、高風(fēng)壓。星村煤礦的對旋式軸流主通風(fēng)機采用兩級葉輪對旋式結(jié)構(gòu)，兩級葉輪分別由型號及容量相同電動機驅(qū)動。星村煤礦采用中央并列式通風(fēng)，副井進(jìn)風(fēng)、主井回風(fēng)。2臺BD-II-8-№27彎掠組合正交型隔爆對旋式軸流通風(fēng)機，1用1備，通過調(diào)節(jié)通風(fēng)機葉片角度和風(fēng)道擋板來完成風(fēng)量的調(diào)節(jié)。每臺通風(fēng)機配置2臺YBF630M-8型風(fēng)機用高壓防爆型鼠籠式三相異步電動機。電動機電壓10kV、功率450kW、轉(zhuǎn)速744轉(zhuǎn)/min、額定電流33.9A。

②對旋式軸流主通風(fēng)機變頻改造的必要性。根據(jù)星村煤礦主通風(fēng)機選型過程和煤炭生產(chǎn)的實際情況，對旋式軸流主通風(fēng)機在恒速運行中存在以下問題：主通風(fēng)機設(shè)計余量大，一直處于較輕負(fù)載下運行，采用檔板調(diào)節(jié)，造成電能嚴(yán)重浪費，增加生產(chǎn)成本；主通風(fēng)機采取直接啟動，啟動時間長、啟動電流大，啟動困難，機械損傷嚴(yán)重，并且對電動機絕緣有較大威脅，嚴(yán)重時甚至燒毀電動機；高壓電動機在啟動過程中所產(chǎn)生的單軸轉(zhuǎn)矩現(xiàn)象使主通風(fēng)機產(chǎn)生較大的機械振動應(yīng)力，嚴(yán)重影響電動機、主通風(fēng)機及其它機械的使用壽命；主通風(fēng)機依靠人工檔板調(diào)節(jié)，不具備風(fēng)量的自動實時調(diào)節(jié)功能，自動化程度低，在風(fēng)流短路等故障狀態(tài)下將對礦井正常生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響。高壓變頻器已經(jīng)成熟地應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)的各個行業(yè)，不但啟動容易、節(jié)能效果顯著，而且對電動機的保護(hù)功能齊全。為保證礦井生產(chǎn)的安全、降低生產(chǎn)成本、提高自動化程度，星村煤礦對旋式軸流通風(fēng)機的變頻改造事在必行。

⑵對旋式軸流主通風(fēng)機的高壓變頻的技術(shù)改造

他們采用HARSVERT-A10/070功率單元串聯(lián)多電平高壓變頻器，利用1臺變頻器直接拖動1臺主通風(fēng)機2臺電動機。HARSVERT-A系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用單元串聯(lián)多電平技術(shù)，屬高—高電壓源型變頻器，直接10kV輸入、10kV高壓輸出。變頻器主要由移相變壓器、功率模塊和控制器組成，采用新型IGBT功率器件、全數(shù)字化微機控制，具有可靠性高、易操作、性能穩(wěn)定等特點。

①功率模塊結(jié)構(gòu)。由不可控二極管整流的三相全控橋、低壓絕緣柵雙極型晶閘管（IGBT）逆變橋、電容器組等元件組成的控制回路，為基本的交—直—交單相逆變電路，通過對IGBT逆變橋進(jìn)行正弦脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制，得到功率單元輸出的PWM波形。每個功率單元結(jié)構(gòu)一致，可以任意互換；當(dāng)某個功率單元出現(xiàn)故障時，封鎖此功率單元IGBT的觸發(fā)信號，讓旁路SCR導(dǎo)通，將這個功率單元隔離出去，而不影響其它功率單元的運行。

②輸入側(cè)結(jié)構(gòu)。由移相變壓器給每個功率模塊供電。移相變壓器的副邊繞組分為3組，根據(jù)電壓等級和功率模塊串聯(lián)級數(shù)，為48脈沖構(gòu)成多級相疊加的整流方式，可以較大改善網(wǎng)側(cè)的電流波形（網(wǎng)側(cè)電壓電流諧波指標(biāo)滿足IEEE519-1992和GB/T14549-93的要求），使其負(fù)載下的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1，無需任何功率因數(shù)補償、諧波抑制裝置。

③輸出側(cè)結(jié)構(gòu)。由每個功率模塊的U、V輸出端子相互串接成星型接法給電動機供電，通過對每個單元的PWM波形重組，可得到階梯正弦PWM波形。其波形正弦度好，dv/dt小，對電纜和電動機的絕緣無損壞，無須輸出濾波器就能夠延長輸出電纜長度，可直接用于普通電動機。同時，電動機的諧波損耗極大減少，消除負(fù)載機械軸承和葉片的振動。

④控制器。由DSP芯片、嵌入式人機界面和PLC共同構(gòu)成。DSP芯片實現(xiàn)PWM控制。嵌入式人機界面提供友好的全中文WINDOWS監(jiān)控和操作界面，同時可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制，輸入輸出波形采集。內(nèi)置PLC用于柜體內(nèi)開關(guān)信號的邏輯處理，可以和用戶現(xiàn)場靈活接口，滿足用戶的特殊需要?？刂破髋c功率單元之間采用光纖通訊，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統(tǒng)具有極高的安全性，同時具有很好的抗電磁干擾性能，可靠性大為提高。

⑶ 改造后的應(yīng)用效果

星村煤礦主通風(fēng)機變頻改造投入運行以來一直運行穩(wěn)定，實現(xiàn)變頻軟啟動，體現(xiàn)高壓變頻器作為啟動器的作用，還可以隨時啟動或停止；按需調(diào)節(jié)風(fēng)量，避免浪費；主通風(fēng)機的送風(fēng)量不由風(fēng)門調(diào)節(jié)，而是通過變頻調(diào)節(jié)主通風(fēng)機的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)，調(diào)節(jié)范圍0～100%，可以根據(jù)生產(chǎn)需要隨意調(diào)節(jié)風(fēng)量；變頻器運行中，如果需要機組切換，直接點擊人機界面“啟動1#”或者“啟動2#”進(jìn)行切換；變頻器顯示采用中文圖形人機界面，觸摸屏操作，生動直觀，并且配備有上位監(jiān)控計算機，變頻器的運行狀態(tài)一目了然，各種運行數(shù)據(jù)和報警信息可在觸摸屏和上位機上查詢，便于操作人員及時了解變頻器的運行情況。變頻器操作簡單，兩級風(fēng)機可以同時啟動，短時間內(nèi)啟動至高速，達(dá)到所需風(fēng)量?？s短啟動時間，確保生產(chǎn)安全。

6 煤礦主通風(fēng)機同步電動機高壓變頻調(diào)速改造

位于濟寧市鄒城市的山東里能里彥礦業(yè)有限公司的主通風(fēng)機有2臺680kW/6kV交流同步電動機，1臺運行、1臺備用，運行中靠調(diào)節(jié)主通風(fēng)機前導(dǎo)器的擋板來控制風(fēng)量。同步電動機的調(diào)速在我國應(yīng)用還不是很廣泛。這個煤礦與遼寧榮信電力電子股份有限公司研制出RHVC-015-07-09高—高電壓源型變頻器，對主通風(fēng)機同步電動機控制系統(tǒng)進(jìn)行高壓變頻改造，實現(xiàn)對高壓電動機的無級調(diào)速，達(dá)到減少能源消耗、改善設(shè)備的運行可靠性的目的。

⑴變頻調(diào)速系統(tǒng)改造

里彥煤礦G4-72-11型離心式主通風(fēng)機配250kW同步電動機。礦井原需風(fēng)量4700m3/s，預(yù)計最大風(fēng)量8000m3/s，主通風(fēng)機通風(fēng)能力成為生產(chǎn)瓶頸。他們根據(jù)風(fēng)量要求對通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計。為了改善電網(wǎng)功率因數(shù)，考慮到最大需風(fēng)量，選用680kW同步電動機。同步電動機可以通過勵磁調(diào)節(jié)功率因數(shù)，具有異步電動機無可比擬的優(yōu)越性，但是自然工況點和最大需風(fēng)量時的工況點存在較大距離，如果通過調(diào)節(jié)風(fēng)門控制風(fēng)量勢必造成能源的巨大浪費。調(diào)節(jié)煤礦主通風(fēng)機轉(zhuǎn)速與調(diào)節(jié)風(fēng)門方法所取得的不同節(jié)電效果可以用全速下的風(fēng)壓—風(fēng)量特性曲線和風(fēng)門打開時的管網(wǎng)特性曲線來表示，兩線交點為自然工況點。如果根據(jù)實際需風(fēng)量調(diào)節(jié)風(fēng)門得到管網(wǎng)特性，也可以通過改變電動機轉(zhuǎn)速得到曲線。由于功率與風(fēng)量和風(fēng)壓的乘積成正比，通過改變電動機轉(zhuǎn)速得到的曲線包圍面積最小，也是最節(jié)能的。因此，通過改善主通風(fēng)機轉(zhuǎn)速的辦法改變主通風(fēng)機特性曲線，從而獲得經(jīng)濟運行工況點尤其必要。電控系統(tǒng)改造采用IGBT變頻功率單元串聯(lián)多重化疊加技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)、SPWM脈寬調(diào)制技術(shù)及超導(dǎo)熱管散熱技術(shù)研制的高壓電動機節(jié)能調(diào)速產(chǎn)品，具有高效節(jié)能、高功率因數(shù)及高可靠性等特點，實現(xiàn)電動機軟啟動、啟動電流小、連續(xù)調(diào)速、選擇最佳速度，還可根據(jù)用戶的速度曲線圖完成自動控制，既節(jié)約能源又提高生產(chǎn)效率。每個變頻功率單元在結(jié)構(gòu)和電氣性能上完全一致，采用模塊化設(shè)計可通用互換?？刂破饔筛咚賳纹瑱C、工控PC機和PLC共同構(gòu)成。

⑵高壓變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

①系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。高—高電壓源型變頻器主要由移相變壓器、變頻單元、控制柜和高壓開關(guān)柜組成，直接6kV高壓輸入輸出。各個IGBT變頻功率單元由輸入隔離變壓器的二次隔離線圈分別供電，額定電壓580V，每相6個，串聯(lián)疊加，相電壓3480V，對應(yīng)線電壓6000V，給功率單元供電的二次電壓互相存在1個相位差，實現(xiàn)輸入多重化，消除各單元產(chǎn)生的諧波，成為真正對電網(wǎng)無污染的“綠色高壓變頻器”。

②輸入側(cè)結(jié)構(gòu)。輸入側(cè)是將6kV高壓經(jīng)過高壓開關(guān)柜加到移相隔離變壓器的原邊，再根據(jù)電壓等級和變頻功率單元的級數(shù)由移相隔離變壓器的副邊分為多組，并通過移相后分別給每個變頻功率單元獨立的供電。由幾十到上百個脈波序列構(gòu)成多級移相疊加的整流方式，極大改善網(wǎng)側(cè)的電流波形，無需任何功率因數(shù)補償及諧波抑制裝置，功率因數(shù)提高到0.95以上。在系統(tǒng)的高開柜內(nèi)裝有充電電阻，防止大電流把功率單元內(nèi)的電容沖擊壞。高壓開關(guān)柜上配有電壓表和電流表，直接顯示輸入及輸出的線電壓、線電流等參數(shù)。

③輸出側(cè)結(jié)構(gòu)。輸出側(cè)由每個變頻功率單元的2個交流輸出端子三相分別形成再接成Y型，依次串聯(lián)給高壓電動機直接供電。通過對每個變頻功率單元PWM波形疊加，得到階梯正弦PWM波形。這種波形正弦度好，在低速下也能保持很好的波形，對電纜和電動機的絕緣無特殊要求，主通風(fēng)機同步電動機不需要降額使用，可以應(yīng)用在舊設(shè)備的改造。同時，電動機的諧波損耗大為減小，避免諧波電流引起的電動機發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動引起的電動機振動。

④變頻功率單元結(jié)構(gòu)。變頻器每個變頻功率單元采用模塊化設(shè)計，在結(jié)構(gòu)和電氣性能上完全一致，可以通用互換。變頻功率單元的基本拓?fù)錇榻弧薄蝗嗾?單相逆變電路，主要有控制電路、驅(qū)動電路、故障檢測電路、通訊電路、顯示電路、整流電路、逆變等電路組成。整流側(cè)為二極管，經(jīng)過電容把脈動的直流濾成穩(wěn)定的直流電源。通過對IGBT逆變橋進(jìn)行正弦調(diào)制的PWM控制，得到正弦的單相交流輸出。制動IGBT負(fù)責(zé)把直流側(cè)過高的能量通過制動電阻釋放掉。過壓抑制器起到能量吸收的作用，防止電壓的瞬間變化損壞功率器件，達(dá)到保護(hù)逆變電路的目的。IGBT等功率器件散熱采用先進(jìn)高效的熱管散熱技術(shù)，極大提高功率器件的工作安全可靠性。每個變頻功率單元都能顯示自己的中間直流電壓值、工作狀態(tài)和故障信息等。功率單元發(fā)生故障后向控制柜發(fā)出信號，控制機及時處理。

⑤控制柜結(jié)構(gòu)?？刂乒裼筛咚賳纹瑱C、工控PC機和PLC共同構(gòu)成。單片機用于實現(xiàn)開環(huán)或閉環(huán)控制、PWM波生成控制、快速保護(hù)及網(wǎng)絡(luò)控制等功能。工控PC提供友好的全中文WINDOWS監(jiān)控和操作界面，同時實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制。內(nèi)置PLC用于開關(guān)量信號的邏輯處理、運行和故障聯(lián)鎖，和用戶現(xiàn)場靈活接口，滿足用戶的特殊需要?？刂乒衽c變頻功率單元之間采用光纖傳導(dǎo)技術(shù)，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統(tǒng)具有極高的安全性，同時具有很好的抗電磁干擾性能，可靠性大為提高。

⑥勵磁柜及制動電阻柜結(jié)構(gòu)。由于負(fù)載為交流同步電動機，為了系統(tǒng)正常工作，需要穩(wěn)定的勵磁設(shè)備。此變頻調(diào)速系統(tǒng)采用WKLF-11型微機全控勵磁裝置。勵磁系統(tǒng)受控制柜的PLC控制，輸出的勵磁電流隨著變頻器頻率變化而變化。

7 結(jié)束語

主通風(fēng)機是煤礦“呼吸系統(tǒng)”的中樞。由于受復(fù)雜生產(chǎn)條件和環(huán)境影響，根據(jù)煤礦反風(fēng)及開采后期運行工況設(shè)計的主通風(fēng)機及拖動電動機功率遠(yuǎn)大于正常生產(chǎn)所需的運行功率，因此煤礦通風(fēng)系統(tǒng)中存在著極為嚴(yán)重的大馬拉小車現(xiàn)象。傳統(tǒng)的風(fēng)量調(diào)節(jié)方式是依靠調(diào)節(jié)主通風(fēng)機風(fēng)葉角度和空氣網(wǎng)路阻力的模式來實現(xiàn)，其缺陷在于主通風(fēng)機工作效率相較低；采用調(diào)整網(wǎng)路提升系統(tǒng)阻力的方式，則屬于高耗能且調(diào)節(jié)起來不方便。積極使用煤礦主通風(fēng)機變頻調(diào)速進(jìn)行風(fēng)量調(diào)整，在生產(chǎn)、節(jié)能和提高效益方面均有十分重要的作用。