交直交高壓變頻器在煤礦主通風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用

礦風(fēng)井主通風(fēng)機(jī)通過采用交直交高壓變頻器，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行的變頻調(diào)速，取得顯著的節(jié)能效果，降低通風(fēng)機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度和電氣沖擊，延長(zhǎng)使用壽命，提高負(fù)載功率因素，杜絕工作人員的誤操作現(xiàn)象，提高通風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行系數(shù)和運(yùn)行周期。闡述變頻器調(diào)速的原理，介紹交直交高壓變頻器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理。

0引言

煤礦主通風(fēng)機(jī)用于向井下提供新鮮風(fēng)流、排除污濁空氣和有害氣體，是煤礦安全生產(chǎn)的主要用電設(shè)備之一，平均電耗約占煤礦電耗的15%，其節(jié)能運(yùn)行在煤礦節(jié)電中占有重要的地位。煤礦主通風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)選型時(shí)，往往以最大開采量時(shí)所需的風(fēng)量為依據(jù)，一般都留有余量，無法進(jìn)行調(diào)速運(yùn)行，只能通過調(diào)整風(fēng)機(jī)葉片角度和風(fēng)道擋板來控制風(fēng)量和風(fēng)壓。這種辦法雖然簡(jiǎn)單，但很不經(jīng)濟(jì)，運(yùn)行中通風(fēng)阻力增大造成電能的大量浪費(fèi)，且通風(fēng)能力余量越大浪費(fèi)越大。全國(guó)各大中小型煤礦企業(yè)中，普遍存在主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率低，浪費(fèi)嚴(yán)重的問題。在風(fēng)機(jī)的實(shí)際使用中，運(yùn)行效率只有少數(shù)達(dá)到70%，通常為50%，少數(shù)僅為30%左右。利用變頻調(diào)速技術(shù)實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量調(diào)節(jié)將是最理想、最有效、最節(jié)能的調(diào)節(jié)方法。

1通風(fēng)機(jī)及變頻器技術(shù)參數(shù)

我礦主通風(fēng)機(jī)采用南陽防爆集團(tuán)有限公司的FBCDZNo.25/2×250型軸流式通風(fēng)機(jī)，電機(jī)額定功率：2×250kW。變頻器采用HIVERT-Y06/077交直交高壓變頻器，額定輸入電壓：6kV，額定輸出電壓：6kV，額定輸出容量：800kVA，輸出頻率范圍：-50Hz～50Hz，頻率步進(jìn)：0.01Hz，調(diào)制技術(shù)：空間矢量控制的正弦波PWM技術(shù)，冷卻方式：強(qiáng)迫風(fēng)冷。

2變頻器原理概述

交直交高壓變頻器由移向隔離變壓器、功率單元和控制系統(tǒng)組成。

2.1移相隔離變壓器

移相隔離變壓器為干式變壓器，采用強(qiáng)迫風(fēng)冷；原邊為Y接法，與進(jìn)線高壓直接相連；副邊繞組為延邊三角形接法，副邊繞組間有一定的相位差。

副邊繞組為功率單元提供電源，繞組間相位差由功率單元數(shù)量及變頻器電壓等級(jí)而定。我礦采用的HIVERT-Y06/077交直交高壓變頻器每相串聯(lián)5個(gè)功率單元，單元額定電壓690V，輸出相電壓3450V，輸出線電壓6000V，移相角度12°，每相電壓有11個(gè)電壓等級(jí)。功率單元的輸出電壓經(jīng)過功率單元串聯(lián)疊波升壓后，三相輸出采用Y接線，中性點(diǎn)懸浮，得到線電壓為6000V的可變頻三相高壓電源。串聯(lián)的功率單元在增加電壓等級(jí)數(shù)的同時(shí)，相鄰電壓等級(jí)之間的電壓變化值大為減低，減少了dv/dt對(duì)主通風(fēng)機(jī)電機(jī)絕緣的破壞，并明顯降低了變頻器輸出電壓的諧波含量。

2.2功率單元

輸入電源端R、S、T接變壓器二次線圈的三相低壓輸出，三相二極管全波整流為直流環(huán)節(jié)電容充電，電容上的電壓提供給由IGBT組成的單相H形橋式逆變電路。

功率單元通過光纖接收信號(hào)，采用空間矢量正弦波脈寬調(diào)制（PWM）方式，控制IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，輸出單相脈寬調(diào)制波形。

功率單元具有單元旁路功能，當(dāng)某個(gè)單元發(fā)生熔斷器故障、過熱和IGBT故障而不能繼續(xù)工作時(shí)，該單元及其另外兩相相應(yīng)位置上的單元將自動(dòng)旁路，此時(shí)IGBT封鎖輸出，可控硅導(dǎo)通，以保證變頻器連續(xù)工作，并發(fā)出旁路告警。

每個(gè)功能單元內(nèi)有獨(dú)立的一塊控制板和一塊驅(qū)動(dòng)板�？刂瓢逋ㄟ^光纖接收來自控制器的信號(hào)，經(jīng)接收解碼器解碼后用于對(duì)IGBT及旁路開關(guān)（可選）的控制。同時(shí)，控制板上還有各種單元故障檢測(cè)電路，如過熱檢測(cè)、缺相檢測(cè)、直流母線過壓檢測(cè)、電源故障監(jiān)測(cè)、光纖故障監(jiān)測(cè)、驅(qū)動(dòng)故障檢測(cè)等，這些故障信號(hào)經(jīng)過故障編碼邏輯電路編碼后，由光纖發(fā)送回控制器，實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)（接口板輸出故障保護(hù)跳閘及故障報(bào)警指示）和故障記憶（人機(jī)界面記錄并顯示故障原因、時(shí)間、位置）。

2.3控制系統(tǒng)

變頻器的控制系統(tǒng)由I/O接口板、控制器和人機(jī)界面三個(gè)部分組成�？刂破饔梢粔K電源板、三塊光纖板、一塊主控板和一塊信號(hào)板組成。

電源板可以提供±15V、＋5V的電源，分別對(duì)信號(hào)板與控制板供電。

光纖板與功率單元之間采用光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸，每一相串聯(lián)的所有功率單元由一塊光纖板控制。光纖板周期性發(fā)出工作模式或脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)至功率單元。功率單元接收光纖板發(fā)出的狀態(tài)型號(hào)和觸發(fā)指令，并且在發(fā)生故障及時(shí)反饋故障信號(hào)至光纖板。

主控板與人機(jī)界面主控板通過RS232通訊端口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，接受來自人機(jī)界面主控板的參數(shù)設(shè)置，并將變頻器運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)提供給人機(jī)界面主控板。主控板通過數(shù)字信號(hào)處理器（DSP），采用正弦空間矢量方式產(chǎn)生脈寬調(diào)制的三相電壓指令，實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)的功能。

信號(hào)板將變頻器的輸出電流、電壓等模擬信號(hào)隔離、濾波和轉(zhuǎn)換量程，并將處理后的信號(hào)用于變頻器的保護(hù)、控制和主控板的數(shù)據(jù)采集。