变频与电动机技术在煤矿安全生产上的应用

前言：通过对煤矿FBCDZ系列大型对旋风机配套电动机、电器在发展过程中暴露出来的问题进行分析，找到了一种解决问题的技术方案。变频技术与电动机技术的研究与应用，使大型对旋风机的发展有了重大突破，新方案的实施对于煤矿的安全生产、改善环境，以及节能降耗起到了积极的推动作用。

　　FBCDZ系列风机是防爆抽出式对旋轴流通风机，主要用于煤矿井下主通风。结构原理如图所示，其将两台相同功率的电动机安装在风机流道*，并在面对面布置的电动机轴伸上直联两个大风扇，称为Ⅰ级风机和Ⅱ级风机，两风机旋向相反。风机在运行中，将来自井下的含瓦斯空气抽出，风经电动机外隔流罩四周通道流出。电动机的冷却由大气环境中的空气从口1、2进入电动机内部，从口3、4流出。由于这种结构的风机能获得高的风压和效率，而且占地面积小，无需建风机房，建设周期短、基建投资少，因此，近年来在煤矿主通风中应用较多，特别是在中、小型风机中发展较快。

　　随着煤炭行业的发展，风机使用量越来越多，而且其功率也在向更大的方向发展，然而这也带来一系列的问题，例如普遍存在的电动机不易保养、轴承容易损坏、调节风量不能节能，以及大功率风机起动等问题。

　　上述问题的存在限制了此类风机的发展，尤其是向大功率方向发展。因此风机的发展关键在于电动机技术与电气控制技术的改进与提升。近几年，业内同仁也在这方面投入了大量研究，但效果都不理想，特别是对大风机配套电动机及电气的研究。

　　探索与研究解决方案

　　如何提高电动机的技术水平和电气控制技术水平，是此类风机是否可靠且节能的关键。按照研究课题的需要，根据市场调研，选择了一个国有煤矿风机扩能改造项目作为研究对象，进行了卓有成效的研究并取得了重要成果。

　　该矿原风机为对旋风机，总功率为2×630kW，根据该矿发展规化，五年内将使风量使用量zui大化，供风总功率为2×1850kW，是目前zui大功率的对旋风机。如果这个项目获得成功，将能满足国内目前对对旋风机的需求。

　　本项目总技术方案选择适合风机工况的世界的变频器，研制大型对旋风机电动机。具体技术方案简要分析如下：

　　1. 变频器的选择

　　考虑到大功率电动机起动时对旧矿老电网可能产生的影响，以及风机在不同风量时的工况，选择了变频器控制技术。一是减轻电动机起动时对老电网的影响；二是可在不同的工况下实现节能。经过反复论证，本项目选择了具有*技术的ACS5000变频器，连续输出功率为400～2500kW；每相输出电压为4kV；冷却方式为风冷。变频器采用直接转矩控制（DTC）技术，对电动机进行转矩与速度控制。半导体开关器件采用IGCT，该技术具有控制模式，功率模块简化、结构更加紧凑合理，使所控制电动机获得的转矩特性和速度特性。

　　2. 变频器直接转矩控制技术

　　本变频器采用直接转矩控制（DTC）技术，DTC技术是继矢量控制（VC）技术之后的一种新型交流变频调速技术。逆变器的开关状态由电动机的核心变量磁通和转矩直接控制。测量的电动机电流和直流电压作为自适应电动机模型的输入，该模型每25μm产生一组转矩和磁通的实际值。电动机转矩比较器将转矩实际值与转矩给定调节器的给定值做比较，磁通比较器将磁通实际值与磁通给定调节器的给定值做比较。依靠来自这两个比较器的输出，优化脉冲选择器决定逆变器的*开关状态，省掉了复杂的矢量变换与电动机数学模型的简化处理。

　　3. ACS5000高压变频器功率模块

　　变频器采用36脉冲多重化整流方式。要求配套移项变压器，副边绕组采用6套次级绕组，采用沿边三角形得到曲折接法，以满足36脉冲输入整流桥的要求，谐波*IEEE-519和GB/T14549谐波标准。

　　逆变器为电压型九电平无熔断器（VSI-MF）设计。控制方式基于DTC控制技术的ACS5000变频器无需在电动机侧加装码盘，就可提供的速度和转矩控制。

　　4. 特殊功能

　　基于电动机铭牌上的数据，ACS5000内部DTC电动机模型的所有参数将自动计算。此程序通常在调试时只需运行一次（空载辨识时间为5min）。如果需要（例如ACS5000变频器驱动其他电动机）可以随时进行电动机辨识运行。

　　ACS5000变频器可设置多组危险频率段，在变频器控制电动机加速过程中，可快速跨越风机所有危险频率段。

　　当电动机负载未饱和时，ACS5000自动优化电动机磁通，降低总体能耗和电动机噪声。依据负载转矩和速度，总体效率（变频器和电动机）可以提高1%～10%。

　　实施与结果

　　经过近一年的产品研制，设备于2009年7月份开始试运行，经测定所有性能指标均达到了设计的技术要求。

　　变频器电网侧与电动机侧的谐波符合GB/T14549要求；

　　在起动过程中电流仅为额定电流的1.1倍，没有强电流冲击，矿区内电网正常使用，未受影响；

　　系统能够按照要求进行调速，并能避开风机谐振点，顺利跨越危险转速；

　　风机的切换顺利，起停之间时间减少，风机靠能耗制动停转，比原来机械制动更可靠且操作简单；

　　有效满足了井下不同工况对风量的要求，电动机在60%负荷时，不需要开关风门大小调节，可减少输入功率135kW；

　　电动机的轴承运行温度低且平稳，润滑良好。在当地zui高环境温度37℃时，温度也未超60℃。免去了过去电动机定期注、排油脂的工作，不用担心油脂过多或过少而引起轴承润滑不良的事故；

　　电动机绕组温度一直保持在65℃以下；

　　整个系统的噪声比原来风机噪声降低15dB，使工作环境得到改善。

　　变频技术成为*选择

　　FBCDZ系列对旋风机向更高功率的方向发展，电气控制技术与电动机技术是关键。变频技术容易实现平稳起动、方便调速，煤矿主井通风为了满足不同工况对风量的要求，往往选择较大电动机功率，变频技术使其节能成为*选择。其次，风机电动机的研究是提高风机运行可靠的关键，特别是轴承结构的设计、润滑方式、密封方式的选择，以及电动机的冷却系统的设计，都必须考虑电动机使用的特殊环境，不能用一般电动机来替代。经过不断地改进和提高，大型对旋风机技术将会日趋成熟，一种性能更加良好、更加安全可靠的煤矿通风设备将会成为煤矿安全生产、节能降耗的有力支持。