高壓大功率變頻器在煤礦主通風機的應(yīng)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(wǎng)和生產(chǎn)使用設(shè)備造成的損壞，解決在生產(chǎn)場所調(diào)節(jié)礦井通風量急劇下降等生產(chǎn)問題，文章提出了對大功率變頻器的技術(shù)改進方案。通過實驗驗證和多次調(diào)試，系統(tǒng)采用此方案后極大地提高了煤礦的生產(chǎn)區(qū)的通風技術(shù)，提高了礦井的安全性、可控制性和節(jié)能減排環(huán)保效率，取得了讓人滿意的效果。

關(guān)鍵詞：高壓大功率變頻器；煤礦主通風機；變頻技術(shù)；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(xiàn)代所有煤礦礦井的安全生產(chǎn)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(wù)。以前各大煤礦礦井的通風主要設(shè)計基本上是選用國產(chǎn)品牌的通風機，通風機的供電控制主要是采用直接電開關(guān)啟動或者采用相關(guān)串聯(lián)電路啟動。這種啟動的優(yōu)點是設(shè)備裝置簡單易行，產(chǎn)品代價也不高，缺點是這種方式非常危險，容易對生產(chǎn)電器造成損壞，也對工人的安全構(gòu)成威脅，而礦井通風量多少的調(diào)節(jié)是采取簡單的手動調(diào)節(jié)風機葉片旋轉(zhuǎn)角度以到達調(diào)節(jié)通風量的目的。如果以照往常的通風裝備的設(shè)計及安裝，將會對電網(wǎng)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(qū)，并沒有線性特性，風機特性曲線特性圖早已經(jīng)與原來設(shè)計的電路特性圖不匹配，所以整個煤礦的通風系統(tǒng)不能安全運行，低壓電路保護經(jīng)會常常受遭到霆雷和國家電網(wǎng)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(tǒng)的可控性能難以滿足生產(chǎn)設(shè)備要求，通風系統(tǒng)控制沒有實現(xiàn)閉環(huán)自動控制，同是也會對生產(chǎn)設(shè)備本身產(chǎn)生機械磨損，減少設(shè)備的使用壽命，尤其是在煤礦礦井開始建設(shè)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(zhuǎn)到最小，它通風量也會不好控制，嚴重影響礦井的風量調(diào)節(jié)，從而降低礦井通風的穩(wěn)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(shè)備使用的穩(wěn)定性，延長生產(chǎn)設(shè)備的使用壽命，故提出對大功率變頻器的技術(shù)改進方案，重新設(shè)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(shù)的主要內(nèi)容

如今隨著電子技術(shù)的發(fā)展迅速，采用交流變頻傳動與控制技術(shù)是該系統(tǒng)改進的主要內(nèi)容。由于電子元器件的制造技術(shù)改進、多相變頻技術(shù)的出現(xiàn)、自動控制以及MCU和大規(guī)模集成電路理論的飛速發(fā)展。交流變頻技術(shù)得以發(fā)展，如今的高壓變頻裝置是從二戰(zhàn)時期德國采用關(guān)斷晶閘管發(fā)展到如今的高壓絕緣柵雙晶閘管、IGBT的快速控制開關(guān)，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(lián)，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(xiàn)速度的調(diào)節(jié)功能。這跟直流控制傳動調(diào)速的裝置相比有：設(shè)備維護簡單易行、控制傳動效率高、生產(chǎn)故障率低，節(jié)能環(huán)保效果好、功率小的優(yōu)點。同時，現(xiàn)行這種技術(shù)比較成熟?？梢杂糜诠I(yè)生產(chǎn)當中來，目前我煤礦規(guī)劃的設(shè)計生產(chǎn)能力是300萬噸，經(jīng)過最近這幾年的技術(shù)改進和管理的調(diào)整，現(xiàn)在的生產(chǎn)能力可以達到450萬噸，建議我礦采用電控制系統(tǒng)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(jié)果，要不斷改進交流變頻傳動的技術(shù)指標，實現(xiàn)主通風機的通風量可以隨時可控，根據(jù)礦井的通風量以及安全因數(shù)對通風量實現(xiàn)自動控制，以實現(xiàn)設(shè)備啟動對電網(wǎng)無沖擊，減少設(shè)備機械沖擊，達到節(jié)約電能的目的。

三、關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)步驟

在我村的煤礦礦井采用改造高壓大功率變頻器技術(shù)，具體擬定了兩套改進解決方案：

（一）方案一

根據(jù)本次變頻技術(shù)的改進經(jīng)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(yīng)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(tǒng)在風機、電冰箱、水泵等設(shè)備上表現(xiàn)出非常好的的節(jié)能優(yōu)點，可靠的自動控制性能，系統(tǒng)改進的重點是選用ABB公司ACS5000系列的DTC（直接轉(zhuǎn)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(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)聯(lián)動控制，整個變頻控制系統(tǒng)的監(jiān)控內(nèi)容可以分為：高低壓配電電源、鼓風機的風門開關(guān)控制、系統(tǒng)變頻器的輸出頻率、還有就是調(diào)節(jié)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(tǒng)還要具有完全實現(xiàn)閉環(huán)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(xiàn)一拖二的功能，保留當前電機工作的主頻控制系統(tǒng)作為后備留用，這樣做的優(yōu)點就是技術(shù)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(yīng)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(tài)，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(jīng)多次討論，最后決定在煤礦風井安裝一套變頻器，實現(xiàn)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(fā)生故障時，還可以通過切換柜切換到主頻狀態(tài)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(shù)手段改進以及風井主通風機變頻器技術(shù)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(shè)備啟動時產(chǎn)生的瞬間電流而對國家電網(wǎng)的沖擊危害以及穩(wěn)定的解決了設(shè)備的機械沖擊，減少煤礦生產(chǎn)的危害。

煤礦中的高壓變頻器應(yīng)用主通風機上，提高了電網(wǎng)的功率因數(shù)（0.95），極大地降低了整個線路和電機內(nèi)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(jié)約了電能，提高了經(jīng)濟效益。根據(jù)不同季節(jié)、不同時期調(diào)節(jié)礦井通風量，不再使用人工調(diào)節(jié)，完全實現(xiàn)了閉環(huán)調(diào)節(jié)自動控制，尤其是礦井前期通風量需求較小的時候，優(yōu)勢顯得非常明顯，節(jié)約電能可以說是做的非常合理，例如：現(xiàn)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(lián)功率單元閉環(huán)控制的模式，兩旁還增設(shè)了旁路電路的功能，系統(tǒng)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(xiàn)時，自動報警，防止設(shè)備進一步損壞。

五、結(jié)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(shù)的改進和應(yīng)用，已經(jīng)達到了設(shè)計初期的預(yù)期目的，使用效果良好，這在煤礦井的應(yīng)用中具有非常廣泛的經(jīng)濟價值。

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（責任編輯：文森）