變頻系統(tǒng)帶來安全綠色新體驗

通過對煤礦FBCDZ系列大型對旋風(fēng)機配套電動機、電器在發(fā)展過程中暴露出來的問題進行分析，找到了一種解決問題的技術(shù)方案。變頻技術(shù)與專用電動機技術(shù)的研究與應(yīng)用，使大型對旋風(fēng)機的發(fā)展有了重大突破，新方案的實施對于煤礦的安全生產(chǎn)、改善環(huán)境，以及節(jié)能降耗起到了積極的推動作用。

FBCDZ系列風(fēng)機是防爆抽出式對旋軸流通風(fēng)機，主要用于煤礦井下主通風(fēng)。其將兩臺相同功率的電動機安裝在風(fēng)機流道中央，并在面對面布置的電動機軸伸上直聯(lián)兩個大風(fēng)扇，稱為Ⅰ級風(fēng)機和Ⅱ級風(fēng)機，兩風(fēng)機旋向相反。風(fēng)機在運行中，將來自井下的含瓦斯空氣抽出，風(fēng)經(jīng)電動機外隔流罩四周通道流出。電動機的冷卻由大氣環(huán)境中的空氣從口1、2進入電動機內(nèi)部，從口3、4流出。由于這種結(jié)構(gòu)的風(fēng)機能獲得高的風(fēng)壓和效率，而且占地面積小，無需建風(fēng)機房，建設(shè)周期短、基建投資少，因此，近年來在煤礦主通風(fēng)中應(yīng)用較多，特別是在中、小型風(fēng)機中發(fā)展較快。

隨著煤炭行業(yè)的發(fā)展，風(fēng)機使用量越來越多，而且其功率也在向更大的方向發(fā)展，然而這也帶來一系列的問題，例如普遍存在的電動機不易保養(yǎng)、軸承容易損壞、調(diào)節(jié)風(fēng)量不能節(jié)能，以及大功率風(fēng)機起動等問題。

上述問題的存在限制了此類風(fēng)機的發(fā)展，尤其是向大功率方向發(fā)展。因此風(fēng)機的發(fā)展關(guān)鍵在于電動機技術(shù)與電氣控制技術(shù)的改進與提升。近幾年，業(yè)內(nèi)同仁也在這方面投入了大量研究，但效果都不理想，特別是對大風(fēng)機配套專用電動機及電氣的研究。

探索與研究解決方案

如何提高電動機的技術(shù)水平和電氣控制技術(shù)水平，是此類風(fēng)機是否可靠且節(jié)能的關(guān)鍵。按照研究課題的需要，根據(jù)市場調(diào)研，選擇了一個國有煤礦風(fēng)機擴能改造項目作為研究對象，進行了卓有成效的研究并取得了重要成果。

該礦原風(fēng)機為對旋風(fēng)機，總功率為2×630kW，根據(jù)該礦發(fā)展規(guī)化，五年內(nèi)將使風(fēng)量使用量最大化，供風(fēng)總功率為2×1850kW，是目前最大功率的對旋風(fēng)機。如果這個項目獲得成功，將能滿足國內(nèi)目前對對旋風(fēng)機的需求。

本項目總技術(shù)方案選擇適合風(fēng)機工況的世界最先進的變頻器，研制大型對旋風(fēng)機專用電動機。具體技術(shù)方案簡要分析如下：

1.變頻器的選擇

考慮到大功率電動機起動時對舊礦老電網(wǎng)可能產(chǎn)生的影響，以及風(fēng)機在不同風(fēng)量時的工況，選擇了變頻器控制技術(shù)。一是減輕電動機起動時對老電網(wǎng)的影響；二是可在不同的工況下實現(xiàn)節(jié)能。經(jīng)過反復(fù)論證，本項目選擇了具有國際先進技術(shù)的ACS5000變頻器，連續(xù)輸出功率為400～2500kW；每相輸出電壓為4kV；冷卻方式為風(fēng)冷。變頻器采用直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）技術(shù)，對電動機進行轉(zhuǎn)矩與速度控制。半導(dǎo)體開關(guān)器件采用IGCT，該技術(shù)具有控制模式，功率模塊簡化、結(jié)構(gòu)更加緊湊合理，使所控制電動機獲得卓越的轉(zhuǎn)矩特性和速度特性。

2.變頻器直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)

本變頻器采用直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）技術(shù)，DTC技術(shù)是繼矢量控制（VC）技術(shù)之后的一種新型交流變頻調(diào)速技術(shù)。逆變器的開關(guān)狀態(tài)由電動機的核心變量磁通和轉(zhuǎn)矩直接控制。測量的電動機電流和直流電壓作為自適應(yīng)電動機模型的輸入，該模型每25μm產(chǎn)生一組精確轉(zhuǎn)矩和磁通的實際值。電動機轉(zhuǎn)矩比較器將轉(zhuǎn)矩實際值與轉(zhuǎn)矩給定調(diào)節(jié)器的給定值做比較，磁通比較器將磁通實際值與磁通給定調(diào)節(jié)器的給定值做比較。依靠來自這兩個比較器的輸出，優(yōu)化脈沖選擇器決定逆變器的最佳開關(guān)狀態(tài)，省掉了復(fù)雜的矢量變換與電動機數(shù)學(xué)模型的簡化處理。

3.ACS5000高壓變頻器功率模塊

變頻器采用36脈沖多重化整流方式。要求配套移項變壓器，副邊繞組采用6套次級繞組，采用沿邊三角形得到曲折接法，以滿足36脈沖輸入整流橋的要求，諧波完全滿足IEEE-519和GB/T14549諧波標(biāo)準(zhǔn)。

逆變器為電壓型九電平無熔斷器（VSI-MF）設(shè)計?？刂品绞交贒TC控制技術(shù)的ACS5000變頻器無需在電動機側(cè)加裝碼盤，就可提供精確的速度和轉(zhuǎn)矩控制。

4.特殊功能
基于電動機銘牌上的數(shù)據(jù)，ACS5000內(nèi)部DTC電動機模型的所有參數(shù)將自動計算。此程序通常在調(diào)試時只需運行一次（空載辨識時間為5min）。如果需要（例如ACS5000變頻器驅(qū)動其他電動機）可以隨時進行電動機辨識運行。

ACS5000變頻器可設(shè)置多組危險頻率段，在變頻器控制電動機加速過程中，可快速跨越風(fēng)機所有危險頻率段。

當(dāng)電動機負載未飽和時，ACS5000自動優(yōu)化電動機磁通，降低總體能耗和電動機噪聲。依據(jù)負載轉(zhuǎn)矩和速度，總體效率（變頻器和電動機）可以提高1%～10%。

實施與結(jié)果

經(jīng)過近一年的產(chǎn)品研制，設(shè)備于2009年7月份開始試運行，經(jīng)測定所有性能指標(biāo)均達到了設(shè)計的技術(shù)要求。

變頻器電網(wǎng)側(cè)與電動機側(cè)的諧波符合GB/T14549要求；

在起動過程中電流僅為額定電流的1.1倍，沒有強電流沖擊，礦區(qū)內(nèi)電網(wǎng)正常使用，未受影響；

系統(tǒng)能夠按照要求進行調(diào)速，并能避開風(fēng)機諧振點，順利跨越危險轉(zhuǎn)速；

風(fēng)機的切換順利，起停之間時間減少，風(fēng)機靠能耗制動停轉(zhuǎn)，比原來機械制動更可靠且操作簡單；

有效滿足了井下不同工況對風(fēng)量的要求，電動機在60%負荷時，不需要開關(guān)風(fēng)門大小調(diào)節(jié)，可減少輸入功率135kW；

電動機的軸承運行溫度低且平穩(wěn)，潤滑良好。在當(dāng)?shù)刈罡攮h(huán)境溫度37℃時，溫度也未超60℃。免去了過去電動機定期注、排油脂的工作，不用擔(dān)心油脂過多或過少而引起軸承潤滑不良的事故；

電動機繞組溫度一直保持在65℃以下；

整個系統(tǒng)的噪聲比原來風(fēng)機噪聲降低15dB，使工作環(huán)境得到改善。

變頻技術(shù)成為最佳選擇

FBCDZ系列對旋風(fēng)機向更高功率的方向發(fā)展，電氣控制技術(shù)與專用電動機技術(shù)是關(guān)鍵。變頻技術(shù)容易實現(xiàn)平穩(wěn)起動、方便調(diào)速，煤礦主井通風(fēng)為了滿足不同工況對風(fēng)量的要求，往往選擇較大電動機功率，變頻技術(shù)使其節(jié)能成為最佳選擇。其次，風(fēng)機專用電動機的研究是提高風(fēng)機運行可靠的關(guān)鍵，特別是軸承結(jié)構(gòu)的設(shè)計、潤滑方式、密封方式的選擇，以及電動機的冷卻系統(tǒng)的設(shè)計，都必須考慮電動機使用的特殊環(huán)境，不能用一般電動機來替代。經(jīng)過不斷地改進和提高，大型對旋風(fēng)機技術(shù)將會日趨成熟，一種性能更加良好、更加安全可靠的煤礦通風(fēng)設(shè)備將會成為煤礦安全生產(chǎn)、節(jié)能降耗的有力支持。