摘要：近年来煤矿矿井安全事故不断增加，为防止矿井主通风机突然启动带来的对国家电网和生产使用设备造成的损坏，解决在生产场所调节矿井通风量急剧下降等生产问题，文章提出了对大功率变频器的技术改进方案。通过实验验证和多次调试，系统采用此方案后极大地提高了煤矿的生产区的通风技术，提高了矿井的安全性、可控制性和节能减排环保效率，取得了让人满意的效果。
关键词：高压大功率变频器；煤矿主通风机；变频技术；DTC
中图分类号：TM921 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）10-0159-02
一、高压大功率变频器控制研究的意义
现代所有煤矿矿井的安全生产都不可离开主通风机装备，它负责全矿井的通风防爆的重大任务。以前各大煤矿矿井的通风主要设计基本上是选用国产品牌的通风机，通风机的供电控制主要是采用直接电开关启动或者采用相关串联电路启动。这种启动的优点是设备装置简单易行，产品代价也不高，缺点是这种方式非常危险，容易对生产电器造成损坏，也对工人的安全构成威胁，而矿井通风量多少的调节是采取简单的手动调节风机叶片旋转角度以到达调节通风量的目的。如果以照往常的通风装备的设计及安装，将会对电网造成巨大电流冲击，严重危害矿井供电安全，而且煤矿的主通风机运行工作情况近运行特性曲线的是在驼峰区，并没有线性特性，风机特性曲线特性图早已经与原来设计的电路特性图不匹配，所以整个煤矿的通风系统不能安全运行，低压电路保护经会常常受遭到霆雷和国家电网电压高低波动的影响，尤其是同步电机的抗干扰的性能差，通风电控制系统的可控性能难以满足生产设备要求，通风系统控制没有实现闭环自动控制，同是也会对生产设备本身产生机械磨损，减少设备的使用寿命，尤其是在煤矿矿井开始建设时期和煤矿投入使用的开始时期，就算将主要的通风机的叶片角度旋转到最小，它通风量也会不好控制，严重影响矿井的风量调节，从而降低矿井通风的稳定性能，与此同时还会造成巨大电能浪费。为了提高电能的使用效率、设备使用的稳定性，延长生产设备的使用寿命，故提出对大功率变频器的技术改进方案，重新设计主通风机的搭接方案，在此改进的过程中主要增加变频器对主通风机的电路控制。具体方案在下面介绍。
二、压大功率变频器控制技术的主要内容
如今随着电子技术的发展迅速，采用交流变频传动与控制技术是该系统改进的主要内容。由于电子元器件的制造技术改进、多相变频技术的出现、自动控制以及MCU和大规模集成电路理论的飞速发展。交流变频技术得以发展，如今的高压变频装置是从二战时期德国采用关断晶闸管发展到如今的高压绝缘栅双晶闸管、IGBT的快速控制开关，而IECT电子器件的变频器件主要有采用具有多个功率多电平电路的串联，以达到降压、减少功率单元以降低电流等方式对直流电机实现速度的调节功能。这跟直流控制传动调速的装置相比有：设备维护简单易行、控制传动效率高、生产故障率低，节能环保效果好、功率小的优点。同时，现行这种技术比较成熟。可以用于工业生产当中来，目前我煤矿规划的设计生产能力是300万吨，经过最近这几年的技术改进和管理的调整，现在的生产能力可以达到450万吨，建议我矿采用电控制系统采用西门子的ZZFQ-6/400高压启动方式，这样可以减少电能的消耗，而坐落在城郊的煤矿不用考虑通风量少的问题，但即使主通风机运行在-10角度的条件下，煤矿矿井井下还是会存在通风量较大而难以控制的情况。为了达到减少矿井通风风量过大，主通风机耗能较低的结果，要不断改进交流变频传动的技术指标，实现主通风机的通风量可以随时可控，根据矿井的通风量以及安全因数对通风量实现自动控制，以实现设备启动对电网无冲击，减少设备机械冲击，达到节约电能的目的。
三、关键技术的实现步骤
在我村的煤矿矿井采用改造高压大功率变频器技术，具体拟定了两套改进解决方案：
（一）方案一
根据本次变频技术的改进经过通风部门的测试，随着挖掘矿井的深入的需要，电动机的额定功率最终选在3800kW以上，额定工作电压为6kV左右，大功率同步电动机比同步电动机更能适应国家电压波动的影响，改进过程中也可以选用4300kW的同步电机。
出于高压变频器系统在风机、电冰箱、水泵等设备上表现出非常好的的节能优点，可靠的自动控制性能，系统改进的重点是选用ABB公司ACS5000系列的DTC（直接转矩控制）变频器，额定容量大概为5000kVA。
高压变频器通过PLC微控制器和计算机协调控制，实现联动控制，整个变频控制系统的监控内容可以分为：高低压配电电源、鼓风机的风门开关控制、系统变频器的输出频率、还有就是调节电动机电路的各种电路保护、控制通风机的通风量、压力、抗震动性能等方面，并且系统还要具有完全实现闭环自动控制的功能。
（二）方案二
从市场上购买1套电源变频器，采用1套电源变频器拖动2台通风机的功能，也就是实现一拖二的功能，保留当前电机工作的主频控制系统作为后备留用，这样做的优点就是技术改造的投资相对小一些，变频器工作的利用效率高，可以减少一些投入费用，而原来的工作频率的控制柜台还可以作为应急备用。但是缺点就是无论运行哪台通风机，这套变频器始终工作在运行状态，这对电机的检修、维护非常不方便。所以，为了保险起见，我们经多次讨论，最后决定在煤矿风井安装一套变频器，实现一套变频器通过切换柜可以控制2台通风，同时当变频器发生故障时，还可以通过切换柜切换到主频状态下运行。
四、高压变频器使用的效果
煤矿通过风井主通风机变频技术手段改进以及风井主通风机变频器技术的采用，可以运用主通风机的微机控制软启动的功能，回避了大型煤矿机电设备启动时产生的瞬间电流而对国家电网的冲击危害以及稳定的解决了设备的机械冲击，减少煤矿生产的危害。
煤矿中的高压变频器应用主通风机上，提高了电网的功率因数（0.95），极大地降低了整个线路和电机内部材料的磨损，基本上不存在做无用功的情况，这样就极大地节约了电能，提高了经济效益。根据不同季节、不同时期调节矿井通风量，不再使用人工调节，完全实现了闭环调节自动控制，尤其是矿井前期通风量需求较小的时候，优势显得非常明显，节约电能可以说是做的非常合理，例如：现在煤矿里的每台主通风机装备的4×450kW的电机，其耗电量只相当于60kW的电机耗电量。
还要补充的就是，高压变频器因为采用了接口串联功率单元闭环控制的模式，两旁还增设了旁路电路的功能，系统还具备自动旁路开路/连接的功能，不会影响主通风机的正常行，而且还会在故障出现时，自动报警，防止设备进一步损坏。
五、结语
总体来说，高压变频器在煤矿矿井里的主通风机变频技术的改进和应用，已经达到了设计初期的预期目的，使用效果良好，这在煤矿井的应用中具有非常广泛的经济价值。
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