HIVERT高压变频器在矿井主通风机上的应用

一、概述
矿井主通风机用于向井下提供新鲜风流、排除污浊空气和有害气体，对煤矿的安全生产影响重大。矿井主通风机全年不停地运行，其电耗量较大，平均电耗约占矿井电耗的15％。近年来，我国矿井多采用对旋式通风机，该类型风机采用交流隔爆异步电机双电机拖动。该类型风机传统的调节系统是根据风量所需的多少，靠调节叶片角度来实现的，这种调节必须在风机停机时才能进行，只适合较长阶段的风量调节，调节起来也不方便，可调范围也不大（一般一度为一单位），电机全速运行，节电不明显。另一种调节系统是调节风机电机转速，通过比较变频调速的方法是异步电机最有发展前途的调速方法。
淮北矿业集团公司海孜矿中央风井配置两台BD-II-8-№26型对旋风机，一用一备，每台风机配置两台450kW、6kV防爆型鼠笼电机。因矿井通风系统变化，目前虽然风机叶片角度已调到最小，并使用风门调节风量。这样造成风机系统运行效率低下，电能浪费惊人，运行状况差，增加了维修工作量。
如果采用高压交流变频调速技术，由于两个电机的参数一样，可以由一台1000kW容量的高压变频器控制两台电机，开环定速运行，风量风压控制在满足矿井的需要，能大大降低能耗，减少维修工作量。2006年9月，淮北矿业集团公司与北京合康亿盛公司合作研制的主通风机高压变频调速装置在海孜矿中央风井投入运行，效果良好。

二、利用高压变频器的优势
用高压变频调速装置对风机的拖动电机供电，通过改变频率，调整风机的转速，用降速的办法来降低风量，直至满足矿井需要。用一套高压变频调速装置，通过切换开关，可以分别拖动两台风机，具有一拖二功能。如高压变频调速装置出现故障，发出报警，可切换到工频运行，保证风机不停风，不影响矿井通风。高压变频器采用单元串联多电平方式，谐波成分小，功率因数高。
通过高压变频调速装置，风机可以根据矿井通风需要随时调速运行，使风机始终运行在高效区。采用计算机进行过程控制，安全可靠，维护量小。国产高压变频调速技术在矿井大功率通风机上的首次应用，具有其应用的特殊性，通风机停机10分钟即为重大事故，因此对变频器的可靠性及系统的安全性设计要求很高。海孜矿中央风井是对旋式轴流风机，起动力矩大，采用低速补偿方式，使变频器在低速时具有良好的转矩输出特性。通风机为一用一备，为了节省投资，采用切换柜使变频器能在两台风机之间切换，实现一拖二功能。变频器与计算机之间的通讯，采用RS485隔离端口MODBUS RTU 通讯规约，实现计算机对变频器的监视和控制。图一是风机供电系统图。

三、高压变频调速系统原理
1、系统结构
HIVERT系列高压变频器采用交-直-交直接高压（高-高）方式，主电路开关元件为IGBT。由于IGBT耐压所限，无法直接逆变输出6kV，而因开关频率高、均压难度大等技术难题无法完成直接串联。HIVERT变频器采用功率单元串联，叠波升压，充分利用常压变频器的成熟技术，因而具有很高的可靠性。它对电网谐波污染小，输入功率因数高，不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置；输出波形质量好，不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题，不必加输出滤波器，就可以使用普通的异步电机。

2、功率单元
功率单元原理见图3，输入电源端R、S、T接变压器二次线圈的三相低压输出，三相二极管全波整流为直流环节电容充电，电容上的电压提供给由IGBT组成的单相H形桥式逆变电路。

四、变频改造实现的效果：
1、节电效果显著。改造前海孜矿中央风井风机运行效率低，在45％以下，采用高压变频调速装置后，风机效率提高到78％以上，年节电92万KWh。
2、变频器根据设定频率调节电动机的转速，实现风机的转速自动控制，投入变频器后风机进风闸门全部打开，还可以实现风机的远程联网控制，实现无人操作。
3、减少了对电网的冲击。采用变频调节后，系统实现软启动，电机启动电流不超过额定电流，启动时间相应延长，对电网无冲击，延长了电机及风机的使用寿命。
4、维护量减少。采用变频调速后，由于启动平稳，低速运行，风机的振动、噪音和温度明显降低，相应地延长了许多零部件，特别是密封、轴承的寿命。有效延长了检修周期，减少了检修维护量，节约大量维护费用。

五、结论
本项目研究成果适用于矿井轴流式（含对旋式）、离心式主扇风机。目前，我国煤矿大量主扇风机能力富裕、长期低效运行。为调整风量，采用减小进风闸门开启高度、改变叶片角度等方法，造成大量电能的浪费。通过主扇风机的变频调速运行，既能方便改变风机运行工况点，又能提高主扇风机运行效率、运行稳定性和自动化程度，节约大量电能。将单元装置的IGBT等功率元件增大后，最大可满足4000KW功率要求。