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1 引言

主通風(fēng)機(jī)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(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)門擋板或主通風(fēng)機(jī)葉片角度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)煤礦反風(fēng)及開(kāi)采后期運(yùn)行工況的要求，設(shè)計(jì)的主通風(fēng)機(jī)及拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率通常遠(yuǎn)大于煤礦正常生產(chǎn)所需要的運(yùn)行功率。由于主通風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)余量特別大，在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)一直處在較輕負(fù)載下運(yùn)行，而且主通風(fēng)機(jī)是晝夜24h不間斷運(yùn)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(fèi)非常突出。近幾年來(lái)，位于山東省濟(jì)寧市范圍內(nèi)的一些煤礦單位針對(duì)礦井主通風(fēng)機(jī)應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)的問(wèn)題開(kāi)展科技攻關(guān)，取得的實(shí)用成果對(duì)國(guó)內(nèi)同行具有一定的參考價(jià)值。

2 煤礦主通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速的實(shí)際運(yùn)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(jī)風(fēng)葉角度和空氣網(wǎng)絡(luò)阻力的模式來(lái)實(shí)現(xiàn)，其缺陷在于主通風(fēng)機(jī)風(fēng)機(jī)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(lái)不方便。積極使用主通風(fēng)機(jī)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(jì)寧市鄒城市的兗州礦業(yè)（集團(tuán)）公司北宿煤礦作為我國(guó)薄煤層開(kāi)采的典范，重點(diǎn)對(duì)礦井主通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行特性以及風(fēng)量的變頻調(diào)速開(kāi)展研究。變頻調(diào)速技術(shù)的使用，改善主通風(fēng)機(jī)的整體性能，提升設(shè)備的工作實(shí)效，滿足不斷提高的安全生產(chǎn)要求，同時(shí)降低電能消耗，綜合效益不錯(cuò)。

⑴ 煤礦主通風(fēng)機(jī)風(fēng)量的調(diào)節(jié)方法

煤礦主通風(fēng)機(jī)在礦井巷道設(shè)計(jì)時(shí)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(jī)滿速狀態(tài)下特性曲線與網(wǎng)絡(luò)阻力特性曲線的交點(diǎn)確定主通風(fēng)機(jī)在自然運(yùn)行狀態(tài)下的工況點(diǎn)。這個(gè)工況點(diǎn)一般不是煤礦投入使用主通風(fēng)機(jī)要求的工況點(diǎn)，因?yàn)轭A(yù)測(cè)瓦斯涌出量一般均高于實(shí)際涌出量，而且通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的阻力特性曲線與實(shí)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(shí)現(xiàn)煤礦主通風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)可以通過(guò)改變自身特性曲線也可以通過(guò)改變外部管網(wǎng)特性來(lái)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(jī)利用擴(kuò)大主通風(fēng)機(jī)葉片安裝角度或改變工作葉輪片數(shù)量和級(jí)數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)量，必須在主通風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行時(shí)才能實(shí)施，適于較長(zhǎng)階段的風(fēng)量調(diào)節(jié)，不能隨著實(shí)際通風(fēng)量要求隨機(jī)調(diào)節(jié)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)節(jié)。離心式通風(fēng)機(jī)常用的調(diào)節(jié)方式是改變主通風(fēng)機(jī)口和風(fēng)道及送風(fēng)道閘門的打開(kāi)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(jī)轉(zhuǎn)速的改變使主通風(fēng)機(jī)特性曲線隨之變動(dòng)，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(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的可靠方式。

③調(diào)節(jié)主通風(fēng)機(jī)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(jī)的有效調(diào)節(jié)領(lǐng)域，使用調(diào)節(jié)主通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)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(jī)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(tái)和主通風(fēng)機(jī)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(shí)施操作，其可靠行、安全性、實(shí)用性有了極大的提升。在正常運(yùn)行前，他們?cè)O(shè)定定子繞組的溫度為95℃、出口的報(bào)警溫度為40℃，利用配置的溫度傳感器將實(shí)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(duì)比，同時(shí)通過(guò)風(fēng)壓傳感器及風(fēng)量傳感器將即時(shí)測(cè)量值也傳送到PLC中，經(jīng)過(guò)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(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。在煤礦主通風(fēng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，伴隨著檢測(cè)數(shù)據(jù)的不斷變化，電動(dòng)機(jī)各繞組的溫度及出風(fēng)口的溫度、風(fēng)量、壓力也會(huì)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(gè)閉環(huán)的調(diào)節(jié)。

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

⑶煤礦主通風(fēng)機(jī)應(yīng)用變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)北宿煤礦的井下通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)用變頻調(diào)速后，完善通風(fēng)體系、改善工作環(huán)境，簡(jiǎn)便的操作降低勞動(dòng)強(qiáng)度；運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，啟動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)級(jí)調(diào)速并且調(diào)速范圍較大，可以進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，功率因素升至0.98以上；擁有轉(zhuǎn)矩補(bǔ)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(dòng)機(jī)磁路過(guò)度飽和，勵(lì)磁電流的增加使電動(dòng)機(jī)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(guò)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(guò)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(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)直接啟動(dòng)，并且啟動(dòng)所需要的電流不超過(guò)電動(dòng)機(jī)額定電流1.7倍，明顯降低對(duì)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(jī)的應(yīng)用

位于濟(jì)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(jī)原先采用轉(zhuǎn)子串電阻啟動(dòng)方式，啟動(dòng)不穩(wěn)定、機(jī)械沖擊大，電動(dòng)機(jī)壽命大為降低；控制系統(tǒng)復(fù)雜，故障率高，繞線電動(dòng)機(jī)電刷等容易損壞，維護(hù)工作量大；啟動(dòng)時(shí)電流大，對(duì)電網(wǎng)沖擊很大，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性；主通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)余量大，一直處在較輕負(fù)載下運(yùn)行，檔板調(diào)節(jié)浪費(fèi)能源，自動(dòng)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(duì)主通風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造，變頻運(yùn)行之后風(fēng)門全部打開(kāi)，運(yùn)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(jī)變頻調(diào)速改造

主通風(fēng)機(jī)為軸流式通風(fēng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)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(jí)B級(jí)。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(yùn)行。3臺(tái)高壓隔離閘刀不能同時(shí)閉合，在機(jī)械和電氣上都實(shí)現(xiàn)互鎖。變頻故障信號(hào)和上一級(jí)的高壓開(kāi)關(guān)柜也互鎖，實(shí)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(kāi)關(guān)柜組成，采用功率單元串聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)。每個(gè)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(guò)對(duì)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(guò)移相為功率單元提供電源，對(duì)于6kV相當(dāng)于30脈沖不可控整流輸入，消除大部分由單個(gè)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(duì)諧波含量最嚴(yán)要求，無(wú)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(diǎn)

采用高速DSP(TMS320F2812)作為中央處理器，運(yùn)算速度快、控制精準(zhǔn)、系統(tǒng)升級(jí)方便；飛車啟動(dòng)功能能夠識(shí)別電動(dòng)機(jī)速度并在電動(dòng)機(jī)不停轉(zhuǎn)情況下直接啟動(dòng)；運(yùn)行過(guò)程中高壓瞬時(shí)掉電3s內(nèi)恢復(fù)，高壓變頻器不停機(jī)，高壓恢復(fù)后變頻自動(dòng)運(yùn)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(dòng)均衡技術(shù)采用中性點(diǎn)漂移技術(shù)，通過(guò)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(yùn)行過(guò)程中外部頻率給定信號(hào)出現(xiàn)短路或開(kāi)路，整機(jī)維持故障前的運(yùn)行頻率，并給出報(bào)警信號(hào)；單元串聯(lián)多重化結(jié)構(gòu)和模塊化設(shè)計(jì)，IGBT承受電壓較低，有≥1.15Ue的較寬過(guò)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(wú)需加入高壓主電就可檢測(cè)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(yùn)行時(shí)風(fēng)門開(kāi)度約2m，電流43A、功率344.08kW、耗電量8257.90kW?h/d。變頻器運(yùn)行時(shí)風(fēng)門全開(kāi)，電流24A、功率238.93kW、耗電量5734.32kW?h/d。節(jié)電率30%。工頻耗電費(fèi)4954.74元/d、變頻3440.59元/d。變頻改造后，日節(jié)約電費(fèi)1514.15元。以300d/a為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，年節(jié)約電費(fèi)454244.4元。

②其它效益。實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)、減小啟動(dòng)沖擊、延長(zhǎng)使用壽命；變頻故障轉(zhuǎn)工頻功能確保主通風(fēng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行；輸入諧波含量小，不對(duì)電網(wǎng)造成污染；輸出諧波含量低，適合普通異步電動(dòng)機(jī)改造；除過(guò)壓、過(guò)熱、過(guò)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(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速技術(shù)

隨著位于濟(jì)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(zhǎng)，供風(fēng)能力明顯不足。該礦主通風(fēng)機(jī)為軸流式通風(fēng)機(jī)，只能在風(fēng)門全開(kāi)或半開(kāi)狀態(tài)下帶負(fù)載啟動(dòng)。主通風(fēng)機(jī)啟動(dòng)方式采用電動(dòng)機(jī)定子串電抗啟動(dòng)，啟動(dòng)中電動(dòng)機(jī)電流跳動(dòng)大、啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、電抗器長(zhǎng)期發(fā)熱，不利于主通風(fēng)機(jī)連續(xù)啟動(dòng)。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(wèn)題，改善主通風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)方式和啟動(dòng)性能，減少對(duì)電動(dòng)機(jī)、主通風(fēng)機(jī)、低壓開(kāi)關(guān)等設(shè)備的啟動(dòng)沖擊、延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命、降低維護(hù)費(fèi)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(jī)調(diào)速技術(shù)現(xiàn)狀。異步電動(dòng)機(jī)常用的調(diào)速方法有3種：轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速是手動(dòng)不連續(xù)的分級(jí)調(diào)節(jié)，響應(yīng)時(shí)間慢、速度變化不均勻；串級(jí)調(diào)速將電動(dòng)機(jī)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(guò)改變供電電源頻率來(lái)改變電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速得到改變。通風(fēng)機(jī)無(wú)論采用那種調(diào)速驅(qū)動(dòng)方式都會(huì)取得明顯的節(jié)能效果，但風(fēng)量相同時(shí)采用變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)模型，直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器能夠在沒(méi)有光碼盤(pán)或測(cè)速電動(dòng)機(jī)反饋的條件下精確控制標(biāo)準(zhǔn)鼠籠電動(dòng)機(jī)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(dòng)單元（逆變器）、主通風(fēng)機(jī)等組成。直接轉(zhuǎn)矩控制是交流傳動(dòng)1種先進(jìn)的電動(dòng)機(jī)控制方式，逆變器的通斷直接控制電動(dòng)機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩。直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器將測(cè)量的電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)模型的輸人，這個(gè)模型每隔25μs產(chǎn)生1組精確的轉(zhuǎn)矩和磁通實(shí)際值。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩比較器將轉(zhuǎn)矩實(shí)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(shí)際值與磁通給定調(diào)節(jié)器給定值比較。依靠來(lái)自2個(gè)比較器的輸出，優(yōu)化脈沖選擇器決定逆變器的最佳開(kāi)關(guān)位置。逆變器每次開(kāi)關(guān)脈沖都單獨(dú)由磁通和轉(zhuǎn)矩的值決定，而不是象傳統(tǒng)磁通矢量傳動(dòng)中預(yù)先確定的矩陣來(lái)開(kāi)關(guān)的。由于建立自適應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型，直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器能夠在沒(méi)有光碼盤(pán)或測(cè)速電動(dòng)機(jī)反饋的條件下，精確控制標(biāo)準(zhǔn)鼠籠電動(dòng)機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩。

③負(fù)載容量曲線。電動(dòng)機(jī)額定頻率和弱磁點(diǎn)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(dòng)機(jī)冷卻容量減少的結(jié)果。電動(dòng)機(jī)頻率30Hz以上時(shí)，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(diǎn)范圍內(nèi)，因輸出電壓不能增加，負(fù)載容量減少。

⑵效果對(duì)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(duì)比如下：應(yīng)用前后風(fēng)機(jī)型號(hào)分別為BDK62-8B23和BD-II-8-№23；電動(dòng)機(jī)單機(jī)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(jí)21.4°、二級(jí)17.8°；運(yùn)行方式分別為單機(jī)和雙機(jī)；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(fèi)23.491萬(wàn)元。

5 煤礦對(duì)旋式軸流主通風(fēng)機(jī)高壓變頻調(diào)速改造

位于濟(jì)寧市曲阜市的山東省天安礦業(yè)有限公司星村煤礦對(duì)礦井主通風(fēng)機(jī)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(shí)現(xiàn)反風(fēng)的要求；實(shí)現(xiàn)一鍵反風(fēng)，反風(fēng)操作簡(jiǎn)單可靠，減少工作量、縮短工作時(shí)間、提高工作效率；主通風(fēng)機(jī)不再一直處于滿負(fù)荷工作狀態(tài)，風(fēng)機(jī)效率80%，節(jié)能率30%以上，節(jié)能效果十分明顯；主通風(fēng)機(jī)2臺(tái)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻率盡量一致，保證電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一致，避免1臺(tái)轉(zhuǎn)速高1臺(tái)轉(zhuǎn)速低而形成風(fēng)阻，影響主通風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行；滿載時(shí)網(wǎng)側(cè)電流諧波總?cè)萘啃∮?%，主通風(fēng)機(jī)以低于額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，不僅節(jié)約能源，減少維護(hù)費(fèi)用，還降低主通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行噪聲。

⑴星村煤礦的對(duì)旋式軸流主通風(fēng)機(jī)

①對(duì)旋式軸流主通風(fēng)機(jī)配置。對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)或?qū)χ檬捷S流通風(fēng)機(jī)將一個(gè)葉輪裝在另一個(gè)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(jí)葉輪順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，第二級(jí)葉輪按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。當(dāng)空氣流入第一級(jí)葉輪獲得能量后經(jīng)第二級(jí)葉輪排出，第二級(jí)葉輪兼?zhèn)淦胀ㄝS流通風(fēng)機(jī)中靜葉的功能，在獲得正直圓周方向速度風(fēng)量的同時(shí)，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(duì)旋式軸流主通風(fēng)機(jī)采用兩級(jí)葉輪對(duì)旋式結(jié)構(gòu)，兩級(jí)葉輪分別由型號(hào)及容量相同電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。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(tái)BD-II-8-№27彎掠組合正交型隔爆對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)，1用1備，通過(guò)調(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)葉片角度和風(fēng)道擋板來(lái)完成風(fēng)量的調(diào)節(jié)。每臺(tái)通風(fēng)機(jī)配置2臺(tái)YBF630M-8型風(fēng)機(jī)用高壓防爆型鼠籠式三相異步電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)電壓10kV、功率450kW、轉(zhuǎn)速744轉(zhuǎn)/min、額定電流33.9A。

②對(duì)旋式軸流主通風(fēng)機(jī)變頻改造的必要性。根據(jù)星村煤礦主通風(fēng)機(jī)選型過(guò)程和煤炭生產(chǎn)的實(shí)際情況，對(duì)旋式軸流主通風(fēng)機(jī)在恒速運(yùn)行中存在以下問(wèn)題：主通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)余量大，一直處于較輕負(fù)載下運(yùn)行，采用檔板調(diào)節(jié)，造成電能嚴(yán)重浪費(fèi)，增加生產(chǎn)成本；主通風(fēng)機(jī)采取直接啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、啟動(dòng)電流大，啟動(dòng)困難，機(jī)械損傷嚴(yán)重，并且對(duì)電動(dòng)機(jī)絕緣有較大威脅，嚴(yán)重時(shí)甚至燒毀電動(dòng)機(jī)；高壓電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的單軸轉(zhuǎn)矩現(xiàn)象使主通風(fēng)機(jī)產(chǎn)生較大的機(jī)械振動(dòng)應(yīng)力，嚴(yán)重影響電動(dòng)機(jī)、主通風(fēng)機(jī)及其它機(jī)械的使用壽命；主通風(fēng)機(jī)依靠人工檔板調(diào)節(jié)，不具備風(fēng)量的自動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)功能，自動(dòng)化程度低，在風(fēng)流短路等故障狀態(tài)下將對(duì)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(gè)行業(yè)，不但啟動(dòng)容易、節(jié)能效果顯著，而且對(duì)電動(dòng)機(jī)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(dòng)化程度，星村煤礦對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)的變頻改造事在必行。

⑵對(duì)旋式軸流主通風(fēng)機(jī)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(tái)變頻器直接拖動(dòng)1臺(tái)主通風(fēng)機(jī)2臺(tái)電動(dòng)機(jī)。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(jī)控制，具有可靠性高、易操作、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。

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(guò)對(duì)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(gè)功率單元結(jié)構(gòu)一致，可以任意互換；當(dāng)某個(gè)功率單元出現(xiàn)故障時(shí)，封鎖此功率單元IGBT的觸發(fā)信號(hào)，讓旁路SCR導(dǎo)通，將這個(gè)功率單元隔離出去，而不影響其它功率單元的運(yùn)行。

②輸入側(cè)結(jié)構(gòu)。由移相變壓器給每個(gè)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(jí)和功率模塊串聯(lián)級(jí)數(shù)，為48脈沖構(gòu)成多級(jí)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(wú)需任何功率因數(shù)補(bǔ)償、諧波抑制裝置。

③輸出側(cè)結(jié)構(gòu)。由每個(gè)功率模塊的U、V輸出端子相互串接成星型接法給電動(dòng)機(jī)供電，通過(guò)對(duì)每個(gè)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(duì)電纜和電動(dòng)機(jī)的絕緣無(wú)損壞，無(wú)須輸出濾波器就能夠延長(zhǎng)輸出電纜長(zhǎng)度，可直接用于普通電動(dòng)機(jī)。同時(shí)，電動(dòng)機(jī)的諧波損耗極大減少，消除負(fù)載機(jī)械軸承和葉片的振動(dòng)。

④控制器。由DSP芯片、嵌入式人機(jī)界面和PLC共同構(gòu)成。DSP芯片實(shí)現(xiàn)PWM控制。嵌入式人機(jī)界面提供友好的全中文WINDOWS監(jiān)控和操作界面，同時(shí)可以實(shí)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(kāi)關(guān)信號(hào)的邏輯處理，可以和用戶現(xiàn)場(chǎng)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(shí)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(jī)變頻改造投入運(yùn)行以來(lái)一直運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)變頻軟啟動(dòng)，體現(xiàn)高壓變頻器作為啟動(dòng)器的作用，還可以隨時(shí)啟動(dòng)或停止；按需調(diào)節(jié)風(fēng)量，避免浪費(fèi)；主通風(fēng)機(jī)的送風(fēng)量不由風(fēng)門調(diào)節(jié)，而是通過(guò)變頻調(diào)節(jié)主通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)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(yùn)行中，如果需要機(jī)組切換，直接點(diǎn)擊人機(jī)界面“啟動(dòng)1#”或者“啟動(dòng)2#”進(jìn)行切換；變頻器顯示采用中文圖形人機(jī)界面，觸摸屏操作，生動(dòng)直觀，并且配備有上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)，變頻器的運(yùn)行狀態(tài)一目了然，各種運(yùn)行數(shù)據(jù)和報(bào)警信息可在觸摸屏和上位機(jī)上查詢，便于操作人員及時(shí)了解變頻器的運(yùn)行情況。變頻器操作簡(jiǎn)單，兩級(jí)風(fēng)機(jī)可以同時(shí)啟動(dòng)，短時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)至高速，達(dá)到所需風(fēng)量?？s短啟動(dòng)時(shí)間，確保生產(chǎn)安全。

6 煤礦主通風(fēng)機(jī)同步電動(dòng)機(jī)高壓變頻調(diào)速改造

位于濟(jì)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(jī)有2臺(tái)680kW/6kV交流同步電動(dòng)機(jī)，1臺(tái)運(yùn)行、1臺(tái)備用，運(yùn)行中靠調(diào)節(jié)主通風(fēng)機(jī)前導(dǎo)器的擋板來(lái)控制風(fēng)量。同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速在我國(guó)應(yīng)用還不是很廣泛。這個(gè)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(duì)主通風(fēng)機(jī)同步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行高壓變頻改造，實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速，達(dá)到減少能源消耗、改善設(shè)備的運(yùn)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(jī)配250kW同步電動(dòng)機(jī)。礦井原需風(fēng)量4700m3/s，預(yù)計(jì)最大風(fēng)量8000m3/s，主通風(fēng)機(jī)通風(fēng)能力成為生產(chǎn)瓶頸。他們根據(jù)風(fēng)量要求對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。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(dòng)機(jī)。同步電動(dòng)機(jī)可以通過(guò)勵(lì)磁調(diào)節(jié)功率因數(shù)，具有異步電動(dòng)機(jī)無(wú)可比擬的優(yōu)越性，但是自然工況點(diǎn)和最大需風(fēng)量時(shí)的工況點(diǎn)存在較大距離，如果通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)門控制風(fēng)量勢(shì)必造成能源的巨大浪費(fèi)。調(diào)節(jié)煤礦主通風(fēng)機(jī)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(kāi)時(shí)的管網(wǎng)特性曲線來(lái)表示，兩線交點(diǎn)為自然工況點(diǎn)。如果根據(jù)實(shí)際需風(fēng)量調(diào)節(jié)風(fēng)門得到管網(wǎng)特性，也可以通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)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(guò)改變電動(dòng)機(jī)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(guò)改善主通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的辦法改變主通風(fēng)機(jī)特性曲線，從而獲得經(jīng)濟(jì)運(yùn)行工況點(diǎn)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(dòng)機(jī)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(diǎn)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)、啟動(dòng)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(dòng)控制，既節(jié)約能源又提高生產(chǎn)效率。每個(gè)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(jì)可通用互換。控制器由高速單片機(jī)、工控PC機(jī)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(kāi)關(guān)柜組成，直接6kV高壓輸入輸出。各個(gè)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(gè)，串聯(lián)疊加，相電壓3480V，對(duì)應(yīng)線電壓6000V，給功率單元供電的二次電壓互相存在1個(gè)相位差，實(shí)現(xiàn)輸入多重化，消除各單元產(chǎn)生的諧波，成為真正對(duì)電網(wǎng)無(wú)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(guò)高壓開(kāi)關(guān)柜加到移相隔離變壓器的原邊，再根據(jù)電壓等級(jí)和變頻功率單元的級(jí)數(shù)由移相隔離變壓器的副邊分為多組，并通過(guò)移相后分別給每個(gè)變頻功率單元獨(dú)立的供電。由幾十到上百個(gè)脈波序列構(gòu)成多級(jí)移相疊加的整流方式，極大改善網(wǎng)側(cè)的電流波形，無(wú)需任何功率因數(shù)補(bǔ)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(kāi)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(kāi)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(gè)變頻功率單元的2個(gè)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(dòng)機(jī)直接供電。通過(guò)對(duì)每個(gè)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(duì)電纜和電動(dòng)機(jī)的絕緣無(wú)特殊要求，主通風(fēng)機(jī)同步電動(dòng)機(jī)不需要降額使用，可以應(yīng)用在舊設(shè)備的改造。同時(shí)，電動(dòng)機(jī)的諧波損耗大為減小，避免諧波電流引起的電動(dòng)機(jī)發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)引起的電動(dòng)機(jī)振動(dòng)。

④變頻功率單元結(jié)構(gòu)。變頻器每個(gè)變頻功率單元采用模塊化設(shè)計(jì)，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(dòng)電路、故障檢測(cè)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(guò)電容把脈動(dòng)的直流濾成穩(wěn)定的直流電源。通過(guò)對(duì)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(dòng)IGBT負(fù)責(zé)把直流側(cè)過(guò)高的能量通過(guò)制動(dòng)電阻釋放掉。過(guò)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(gè)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(hào)，控制機(jī)及時(shí)處理。

⑤控制柜結(jié)構(gòu)?？刂乒裼筛咚賳纹瑱C(jī)、工控PC機(jī)和PLC共同構(gòu)成。單片機(jī)用于實(shí)現(xiàn)開(kāi)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(shí)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制。內(nèi)置PLC用于開(kāi)關(guān)量信號(hào)的邏輯處理、運(yùn)行和故障聯(lián)鎖，和用戶現(xiàn)場(chǎng)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(shí)具有很好的抗電磁干擾性能，可靠性大為提高。

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

7 結(jié)束語(yǔ)

主通風(fēng)機(jī)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(kāi)采后期運(yùn)行工況設(shè)計(jì)的主通風(fēng)機(jī)及拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率遠(yuǎn)大于正常生產(chǎn)所需的運(yùn)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(jī)風(fēng)葉角度和空氣網(wǎng)路阻力的模式來(lái)實(shí)現(xiàn)，其缺陷在于主通風(fēng)機(jī)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(lái)不方便。積極使用煤礦主通風(fēng)機(jī)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。