張東

摘要：近年來(lái)煤礦礦井安全事故不斷增加，為防止礦井主通風(fēng)機(jī)突然啟動(dòng)帶來(lái)的對(duì)國(guó)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(chǎng)所調(diào)節(jié)礦井通風(fēng)量急劇下降等生產(chǎn)問(wèn)題，文章提出了對(duì)大功率變頻器的技術(shù)改進(jìn)方案。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(fēng)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(fēng)機(jī)；變頻技術(shù)；DTC

中圖分類(lèi)號(hào)：TM921 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(kāi)主通風(fēng)機(jī)裝備，它負(fù)責(zé)全礦井的通風(fēng)防爆的重大任務(wù)。以前各大煤礦礦井的通風(fēng)主要設(shè)計(jì)基本上是選用國(guó)產(chǎn)品牌的通風(fēng)機(jī)，通風(fēng)機(jī)的供電控制主要是采用直接電開(kāi)關(guān)啟動(dòng)或者采用相關(guān)串聯(lián)電路啟動(dòng)。這種啟動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備裝置簡(jiǎn)單易行，產(chǎn)品代價(jià)也不高，缺點(diǎn)是這種方式非常危險(xiǎn)，容易對(duì)生產(chǎn)電器造成損壞，也對(duì)工人的安全構(gòu)成威脅，而礦井通風(fēng)量多少的調(diào)節(jié)是采取簡(jiǎn)單的手動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)角度以到達(dá)調(diào)節(jié)通風(fēng)量的目的。如果以照往常的通風(fēng)裝備的設(shè)計(jì)及安裝，將會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成巨大電流沖擊，嚴(yán)重危害礦井供電安全，而且煤礦的主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行工作情況近運(yùn)行特性曲線的是在駝峰區(qū)，并沒(méi)有線性特性，風(fēng)機(jī)特性曲線特性圖早已經(jīng)與原來(lái)設(shè)計(jì)的電路特性圖不匹配，所以整個(gè)煤礦的通風(fēng)系統(tǒng)不能安全運(yùn)行，低壓電路保護(hù)經(jīng)會(huì)常常受遭到霆雷和國(guó)家電網(wǎng)電壓高低波動(dòng)的影響，尤其是同步電機(jī)的抗干擾的性能差，通風(fēng)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(fēng)系統(tǒng)控制沒(méi)有實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)控制，同是也會(huì)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備本身產(chǎn)生機(jī)械磨損，減少設(shè)備的使用壽命，尤其是在煤礦礦井開(kāi)始建設(shè)時(shí)期和煤礦投入使用的開(kāi)始時(shí)期，就算將主要的通風(fēng)機(jī)的葉片角度旋轉(zhuǎn)到最小，它通風(fēng)量也會(huì)不好控制，嚴(yán)重影響礦井的風(fēng)量調(diào)節(jié)，從而降低礦井通風(fēng)的穩(wěn)定性能，與此同時(shí)還會(huì)造成巨大電能浪費(fèi)。為了提高電能的使用效率、設(shè)備使用的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)生產(chǎn)設(shè)備的使用壽命，故提出對(duì)大功率變頻器的技術(shù)改進(jìn)方案，重新設(shè)計(jì)主通風(fēng)機(jī)的搭接方案，在此改進(jìn)的過(guò)程中主要增加變頻器對(duì)主通風(fēng)機(jī)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(dòng)與控制技術(shù)是該系統(tǒng)改進(jìn)的主要內(nèi)容。由于電子元器件的制造技術(shù)改進(jìn)、多相變頻技術(shù)的出現(xiàn)、自動(dòng)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(shí)期德國(guó)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(kāi)關(guān)，而IECT電子器件的變頻器件主要有采用具有多個(gè)功率多電平電路的串聯(lián)，以達(dá)到降壓、減少功率單元以降低電流等方式對(duì)直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)功能。這跟直流控制傳動(dòng)調(diào)速的裝置相比有：設(shè)備維護(hù)簡(jiǎn)單易行、控制傳動(dòng)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(diǎn)。同時(shí)，現(xiàn)行這種技術(shù)比較成熟?？梢杂糜诠I(yè)生產(chǎn)當(dāng)中來(lái)，目前我煤礦規(guī)劃的設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力是300萬(wàn)噸，經(jīng)過(guò)最近這幾年的技術(shù)改進(jìn)和管理的調(diào)整，現(xiàn)在的生產(chǎn)能力可以達(dá)到450萬(wàn)噸，建議我礦采用電控制系統(tǒng)采用西門(mén)子的ZZFQ-6/400高壓?jiǎn)?dòng)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(fēng)量少的問(wèn)題，但即使主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行在-10角度的條件下，煤礦礦井井下還是會(huì)存在通風(fēng)量較大而難以控制的情況。為了達(dá)到減少礦井通風(fēng)風(fēng)量過(guò)大，主通風(fēng)機(jī)耗能較低的結(jié)果，要不斷改進(jìn)交流變頻傳動(dòng)的技術(shù)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)主通風(fēng)機(jī)的通風(fēng)量可以隨時(shí)可控，根據(jù)礦井的通風(fēng)量以及安全因數(shù)對(duì)通風(fēng)量實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)無(wú)沖擊，減少設(shè)備機(jī)械沖擊，達(dá)到節(jié)約電能的目的。

三、關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)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(jìn)解決方案：

（一）方案一

根據(jù)本次變頻技術(shù)的改進(jìn)經(jīng)過(guò)通風(fēng)部門(mén)的測(cè)試，隨著挖掘礦井的深入的需要，電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)比同步電動(dòng)機(jī)更能適應(yīng)國(guó)家電壓波動(dòng)的影響，改進(jìn)過(guò)程中也可以選用4300kW的同步電機(jī)。

出于高壓變頻器系統(tǒng)在風(fēng)機(jī)、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(diǎn)，可靠的自動(dòng)控制性能，系統(tǒng)改進(jìn)的重點(diǎn)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(guò)PLC微控制器和計(jì)算機(jī)協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制，整個(gè)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(fēng)機(jī)的風(fēng)門(mén)開(kāi)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(dòng)機(jī)電路的各種電路保護(hù)、控制通風(fēng)機(jī)的通風(fēng)量、壓力、抗震動(dòng)性能等方面，并且系統(tǒng)還要具有完全實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)控制的功能。

（二）方案二

從市場(chǎng)上購(gòu)買(mǎi)1套電源變頻器，采用1套電源變頻器拖動(dòng)2臺(tái)通風(fēng)機(jī)的功能，也就是實(shí)現(xiàn)一拖二的功能，保留當(dāng)前電機(jī)工作的主頻控制系統(tǒng)作為后備留用，這樣做的優(yōu)點(diǎn)就是技術(shù)改造的投資相對(duì)小一些，變頻器工作的利用效率高，可以減少一些投入費(fèi)用，而原來(lái)的工作頻率的控制柜臺(tái)還可以作為應(yīng)急備用。但是缺點(diǎn)就是無(wú)論運(yùn)行哪臺(tái)通風(fēng)機(jī)，這套變頻器始終工作在運(yùn)行狀態(tài)，這對(duì)電機(jī)的檢修、維護(hù)非常不方便。所以，為了保險(xiǎn)起見(jiàn)，我們經(jīng)多次討論，最后決定在煤礦風(fēng)井安裝一套變頻器，實(shí)現(xiàn)一套變頻器通過(guò)切換柜可以控制2臺(tái)通風(fēng)，同時(shí)當(dāng)變頻器發(fā)生故障時(shí)，還可以通過(guò)切換柜切換到主頻狀態(tài)下運(yùn)行。

四、高壓變頻器使用的效果

煤礦通過(guò)風(fēng)井主通風(fēng)機(jī)變頻技術(shù)手段改進(jìn)以及風(fēng)井主通風(fēng)機(jī)變頻器技術(shù)的采用，可以運(yùn)用主通風(fēng)機(jī)的微機(jī)控制軟啟動(dòng)的功能，回避了大型煤礦機(jī)電設(shè)備啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的瞬間電流而對(duì)國(guó)家電網(wǎng)的沖擊危害以及穩(wěn)定的解決了設(shè)備的機(jī)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(fēng)機(jī)上，提高了電網(wǎng)的功率因數(shù)（0.95），極大地降低了整個(gè)線路和電機(jī)內(nèi)部材料的磨損，基本上不存在做無(wú)用功的情況，這樣就極大地節(jié)約了電能，提高了經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)不同季節(jié)、不同時(shí)期調(diào)節(jié)礦井通風(fēng)量，不再使用人工調(diào)節(jié)，完全實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)調(diào)節(jié)自動(dòng)控制，尤其是礦井前期通風(fēng)量需求較小的時(shí)候，優(yōu)勢(shì)顯得非常明顯，節(jié)約電能可以說(shuō)是做的非常合理，例如：現(xiàn)在煤礦里的每臺(tái)主通風(fēng)機(jī)裝備的4×450kW的電機(jī)，其耗電量只相當(dāng)于60kW的電機(jī)耗電量。

還要補(bǔ)充的就是，高壓變頻器因?yàn)椴捎昧私涌诖?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(dòng)旁路開(kāi)路/連接的功能，不會(huì)影響主通風(fēng)機(jī)的正常行，而且還會(huì)在故障出現(xiàn)時(shí)，自動(dòng)報(bào)警，防止設(shè)備進(jìn)一步損壞。

五、結(jié)語(yǔ)

總體來(lái)說(shuō)，高壓變頻器在煤礦礦井里的主通風(fēng)機(jī)變頻技術(shù)的改進(jìn)和應(yīng)用，已經(jīng)達(dá)到了設(shè)計(jì)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(jì)價(jià)值。

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（責(zé)任編輯：文森）