国产高压变频器在煤矿主扇风机中的应用

王振同

[摘 要]矿井主通风机是向井下输送新鲜空气的重要设备，是矿井生命线，而变频调速技术在主通风机中的应用，可以完美实现矿井主通风机安全、可靠、高效的运行，本文阐述了变频调速技术应用在主通风机中的优点，简单的介绍了变频调速运行的原理及目前生产过程中常用的几种调速方式。

[关键词]主通风机变频调速安全可靠高效

中图分类号：D4；T41 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）48-0333-01

1、前言

矿井主通风机担负着全矿井的通风任务，同样是矿井安全生产重要设备之一，由于主通风机的特殊性，需要主通风机24小时不间断运行。在矿井建设的不同时期，随着开采深度的增加、通风系统的变化等各类因素，矿井用风量是不同的，需根据实际情况来调节矿井的通风量。矿井主通风机的选型，一般根据矿井最大用风量来选择。矿井通风容易时期，主通风机工频运行会造成大量的浪费，变频的出现能很好的规避该问题，同时变频启动还能解决电机直接启动存在的启动电流大、机械冲击大和电机运行中保护特性差等问题。

2、理论分析

根据流体力学的比例定律，矿井主通风机属于二次方律负载，其中风量与转速、电机功率与转速的关系如下：

Q1/Q=n1/n （式1）

P1/P=（n1/n）3 （式2）

式1中：Q1/Q----风机实际风量与额定风量的比值；

n1/n----电机实际转速与额定转速的比值。

式2中：P1/P----电机实际功率与额定功率的比值。

交流异步电动机转速与频率关系如下：

n=60f（1-s）/p （式3）

式3中：n----电机转速，r/min；

f----电机运行频率，Hz；

s----转差率；

p----极对数。

通过以上公式可以看出，风机的风量和电机转速成正比，电机的功率与转速的三次方成正比，故改变电机运行频率的同时，电机转速会随之改变，相应的风量、功率都会发生变化。故在矿井建设初期（矿井通风容易时期），使用变频器驱动主通风机，能很好的降低电能的浪费，从而达到节能的效果。

3、常见变频器分类

3.1 根据变频器按储能元器件分类，可分为电压型变频器和电流型变频器，这两种变频器主要区别是中间直流环节储能元器件不同：电压型变频器储能元件采用大电容，直流电压比较平稳，直流内阻较小，常选用于负载电压变化较大的系统；电流型变频器储能元件为大电感，缓冲无功功率，使电压接近正弦波，直流内阻较大，常选用于负载电流变化较大的系统。

3.2 根据变频器按变换的环节分类，可分为交-直-交变频器和交-交变频器，交-直-交变频器先将工频交流电整流变成直流电，再通过中间逆变环节，将直流电逆变为频率、电压可调的交流电；交-交变频器没有中间逆变环节，直接将工频电变换为频率。电压可调的交流电，故交-交变频器也称直接变频器。目前主通风机主要采用的是交-直-交变频器。

3.3 根据变频器调速控制原理，可分为VVVF控制变频器、矢量控制变频器、直接转矩控制变频器等。

3.4 根据变频器电压等级，可分为低压变频器（220V、380V）、中压变频器（660V、1140V）及高压变频器（3kV、6kV、10kV）。

4、变频器的几种常用控制方式

4.1 V/F控制方式，结构简单，但这种变频器采用开环控制方式，不能达到较高的控制性能。由于该控制方式在低频时带负载能力下降，所以只能通过适当的功能预置（电压补偿），增大电动机的启动力矩。但是，这种补偿在负载发生变化时易产生磁饱和，造成励磁电流增大，故变频器内部为用户提供了可以任意调整补偿量的U/f线：直线型、低频补偿型、低频少补型、自动补偿型，用户根据自己实际情况可以选择适合自己的U/f线。

4.2 转差频率控制，这种控制方式需要检出电动机转速，构成速度闭环。速度调节器的输出为转差频率，然后以电动机速度与转差频率之和作为变频器的给定频率。由于通过控制转差频率来控制转矩和电流，与V/F控制相比其加减速特性和限制过电流能力得到提高。另外，它有速度调节器，利用速度反馈闭环控制，速度静态误差小，适用于自动控制系统。由于在转差频率控制中需要速度检出器，故这种控制通常用于单机控制。

4.3 矢量控制，这种控制方式是通过电动机的等效电路得出一些磁链方程，包括定子磁链、气隙磁链、转子磁链，首先通过3/2变换，变成静止的d-q坐标，然后通过前面磁链方程产生的单位矢量来得到旋转坐标下的类似于直流电动机的转矩电流分量和磁场电流分量，实现了解耦，最后再经过2/3变换，产生三相交流电。实施矢量控制的关键是进行磁场之间的等效变换，而进行等效变换的前提是必须了解电动机的所有参数。因此，在应用矢量控制方式时，应首先把电动机的所有参数输入变频器。对于电动机绕组的各项参数，用户一般是得不到的，为此，矢量变频器都配置了“自测定功能”。

4.4 直接转矩控制，这种控制基本思想是根据定子磁链幅值偏差的正负符号和电磁转矩偏差的正负符号，再依据当前定子磁链矢量所在的位置，直接选取合适的电压空间矢量，减小定子磁链幅值的偏差和电磁转矩的偏差，实现电磁转矩与定子磁链的控制。直接转矩控制系统的特点：（1）转矩和磁链的控制采用双位式控制器，并在PWM逆变器中直接用这两个控制信号产生输出电压，省去了旋转变换和电流控制，简化了控制器的结构；（2）选择定子磁链作为被控量，计算磁链的模型可以不受转子参数变化的影响，提高了控制系统的鲁棒性；（3）由于采用了直接转矩控制，在加减速或負载变化的动态过程中，可以获得快速的转矩响应，但必须注意限制过大的冲击电流，以免损坏功率开关器件，因此实际的转矩响应也是有限的。

5、主通风机变频调速要点

矿井主通风机多使用异步电动机拖动，现场一般采用交-直-交变频器。矿井主通风机变频调速的目的是调节矿井风量，优化风机工况点，故大部分主通风机都采用开环控制。为了保证矿井主通风机安全、高效运行，一般还需对变频器的主要功能进行预置：

5.1 最高频率由于风机属于二次方律负载，当工作频率上升10%时，在损耗转矩忽略不计的情况下，负载转矩将增大21%，这时电动机处于严重过载的状态，故最高频率不允许超过电动机的额定频率。

5.2 下限频率国标规定风机效率不得低于70%，主通风机运行频率太低时，效率将远低于这个标准，这时需设置风机运行下限频率。若实际运行频率太低时，则考虑减小风机叶片角度来实现提高风机效率的目的。

5.3 升、降速时间由于主通风机惯性大，且主通风机都是联系运行的，启动和停机的次数较少，启动时间严格限制在10min内，为达到启動和停机过程中不跳闸的目的，可以将升、降速时间预置的长一点（根据实际情况，主通风机启动时间不超过10min）。

5.4 启动功能对于对旋式风机来讲，前级电机启动后会带动后级叶片转动，这时，可以在后级变频器内置启动前的直流制动功能，以保证后级电动机零速启动。

5.5 升、降速方式离心式风机在低速段阻转矩很小，升速过程快一些，但当转速接近额定转速时，阻转矩增加很大，加速过程适当放缓，故升速方式以选半S方式为宜。减速过程中，转速高时动能较大，若减速过快，易造成因过电压而跳闸，故这时减速过程应缓慢些；待转速下降到一定程度后，转速可以快一些。

5.6 转矩提升因离心式风机是低速时阻转矩最小的一种负载，故可选最低档的U/f线。

6、结论

随着科技的高速发展，半导体等大功率器件的出现，变频技术的日益成熟，变频器已成为当今工业生产过程中不可或缺的重要一部分。目前煤矿主通风机采用交-直-交变频器，结合主通风机在线监测系统，主通风机运行数据实时上传，减少运行人员工作量，而且便于维护，能更好的服务于煤矿生产。

总之，变频调速技术应用与矿井主通风机上，不仅能满足矿井各个阶段（通风容易时期、通风困难时间）生产需求供风量的调节，而且能有效的节约电能，达到节能降耗的目的。

参考文献

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