基于矢量控制的高壓變頻器在礦井通風(fēng)機(jī)改造中的應(yīng)用

周雨松，孫曉娟

（1.西安利雅得電氣自動(dòng)化有限公司，陜西西安710075；2.寶雞文理學(xué)院電子電氣工程系，陜西寶雞721013）

1 引言

礦井通風(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，對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)影響重大，是礦山的關(guān)鍵設(shè)備之一。礦井主通風(fēng)機(jī)全年不停地運(yùn)行，其耗電量較大，平均電耗約占礦井電耗的15%。傳統(tǒng)礦井主通風(fēng)電機(jī)的控制大都采用直接起動(dòng)方式，電機(jī)恒速運(yùn)行，通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)葉片角度和風(fēng)道擋板來完成風(fēng)量的調(diào)節(jié)。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。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。

2 通風(fēng)機(jī)現(xiàn)狀

某煤礦是1989年移交投產(chǎn)的年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力150萬噸的大型現(xiàn)代化礦井，屬重瓦斯礦井。其主通風(fēng)系統(tǒng)由兩臺(tái)主扇通風(fēng)機(jī)組成，一臺(tái)工作，一臺(tái)備用，每套主扇由一臺(tái)同步電機(jī)組成。電機(jī)定子回路直接接通6kV電源，勵(lì)磁柜異步起動(dòng)。由于該通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)于上世紀(jì)80年代末，技術(shù)相對(duì)比較落后，運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，在具體的實(shí)踐中存在以下問題。

（1）電能的嚴(yán)重浪費(fèi)

主扇風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)上余量大，主扇風(fēng)機(jī)一直處在較輕負(fù)載下運(yùn)行。由于采用檔板調(diào)節(jié)，因此造成能源浪費(fèi)，增加了生產(chǎn)成本。

（2）起動(dòng)困難，機(jī)械損傷嚴(yán)重

主扇風(fēng)機(jī)采用直接起動(dòng)，起動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，起動(dòng)電流大，引起電網(wǎng)電壓嚴(yán)重波動(dòng)，對(duì)電動(dòng)機(jī)的絕緣有著較大的威脅，嚴(yán)重時(shí)甚至燒毀電動(dòng)機(jī)。而高壓電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過程中所產(chǎn)生的單軸轉(zhuǎn)矩現(xiàn)象使風(fēng)機(jī)產(chǎn)生較大的機(jī)械振動(dòng)應(yīng)力，嚴(yán)重影響到電動(dòng)機(jī)、風(fēng)機(jī)及其它機(jī)械的使用壽命。

（3）自動(dòng)化程度低

主扇風(fēng)機(jī)依靠人工調(diào)節(jié)檔板，更不具備風(fēng)量的自動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)功能，自動(dòng)化程度低。在故障狀態(tài)下，如風(fēng)機(jī)短路，將對(duì)礦井正常生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響。

3 通風(fēng)機(jī)改造的難點(diǎn)

該通風(fēng)機(jī)采用高壓同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，因此改造時(shí)，必須注意到同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的一些特殊問題。

（1）起動(dòng)問題

同步電動(dòng)機(jī)只有在定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場(chǎng)相對(duì)靜止時(shí)，才能得到平均電磁轉(zhuǎn)矩。如將靜止的同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁后直接投入電網(wǎng)，這時(shí)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)間以同步轉(zhuǎn)速作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子受到交變的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，其平均值為零，電機(jī)不能起動(dòng)。常用的同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)方法有異步起動(dòng)方式和變頻起動(dòng)方式。

（2）失步問題

同步電動(dòng)機(jī)失步，包括失勵(lì)失步、帶勵(lì)失步、斷電失步等。同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中失步往往造成起動(dòng)繞組過熱，轉(zhuǎn)子回路產(chǎn)生過電壓，滅磁電阻發(fā)熱，損壞電動(dòng)機(jī)和勵(lì)磁裝置。

（3）滅磁問題

滅磁是當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，在轉(zhuǎn)子絕緣允許的條件下，盡快將轉(zhuǎn)子中儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能量減小到安全值以下的過程。因此對(duì)滅磁過程有兩點(diǎn)要求：一是滅磁時(shí)間盡量短，二是滿足轉(zhuǎn)子的絕緣條件。滅磁的主要目的是加快正常的停機(jī)速度，降低系統(tǒng)故障時(shí)可能導(dǎo)致的損壞，把故障造成的損失減小到最小程度。

4 矢量控制高壓變頻器在通風(fēng)機(jī)改造中的應(yīng)用

高壓變頻器作為一種新型的電力電子變換裝置，已經(jīng)成熟地應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)行業(yè)，不但起動(dòng)容易，節(jié)能效果顯著，而且對(duì)電機(jī)的保護(hù)功能齊全。風(fēng)機(jī)采用變頻器實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)，不但起動(dòng)平穩(wěn)，沖擊小，功率因數(shù)高，效率高，而且節(jié)能。本系統(tǒng)采用完美無諧波系列高壓變頻器，該變頻器具有矢量控制功能，可以很好地滿足系統(tǒng)各種運(yùn)行工況對(duì)速度調(diào)節(jié)的需要，同時(shí)可以解決電機(jī)直接起動(dòng)對(duì)電網(wǎng)、電機(jī)的巨大沖擊，節(jié)能效果顯著。

（1）變頻器的優(yōu)點(diǎn)

完美無諧波變頻器系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：提供純凈的輸入電源特性；高功率因數(shù)；幾近完美的正弦波輸出。

（2）系統(tǒng)的控制模式

完美無諧波變頻器使用矢量控制方式來控制感應(yīng)電機(jī)及同步電機(jī)。矢量控制提供一種易于實(shí)現(xiàn)的控制結(jié)構(gòu)，但控制性能幾乎與直流電機(jī)一樣。

圖1 完美無諧波變頻器的矢量控制算法簡(jiǎn)圖

如圖1所示為完美無諧波變頻器的矢量控制算法簡(jiǎn)圖。

矢量控制由以下幾個(gè)基本模塊組成：①馬達(dá)模型：用于檢測(cè)電機(jī)磁通及速度；②電流調(diào)節(jié)器：這些調(diào)節(jié)器用作矢量控制的內(nèi)環(huán)；③磁通與速度調(diào)節(jié)器：這些調(diào)節(jié)器用作矢量控制的外環(huán)；④前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)（FF）：用于改善轉(zhuǎn)矩及磁通環(huán)的瞬態(tài)響應(yīng)。

（3）系統(tǒng)組成

如圖2所示，定子回路采用完美無諧波高壓變頻器，勵(lì)磁回路采用數(shù)字調(diào)速器6RA70，勵(lì)磁調(diào)速器6RA70由變頻器的磁通調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制。

圖2 定子回路與勵(lì)磁回路采用完美無諧波高壓變頻器示意圖

（4）系統(tǒng)的調(diào)節(jié)

1）系統(tǒng)的起動(dòng)過程

本系統(tǒng)采用變頻起動(dòng)方式，實(shí)質(zhì)上是改變定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速利用同步轉(zhuǎn)矩來起動(dòng)。在起動(dòng)開始時(shí)，轉(zhuǎn)子加上勵(lì)磁，定子電源的頻率調(diào)得很低，然后逐步增加到額定頻率，使轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速隨著定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速而同步上升，直到額定轉(zhuǎn)速。這樣，相對(duì)于過去的異步起動(dòng)方式，起動(dòng)過程簡(jiǎn)單平穩(wěn)，起動(dòng)過程不存在異步整步過程，消除了起動(dòng)中的脈動(dòng)等危險(xiǎn)。

2）系統(tǒng)的調(diào)速過程

高壓變頻器采用同步電機(jī)控制（SMC）模式。控制系統(tǒng)利用轉(zhuǎn)子在定子繞組上感應(yīng)出的電壓來確定電機(jī)的速度，再輸出轉(zhuǎn)矩至電機(jī)。整個(gè)過程中，勵(lì)磁和定子協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)，保證相互間始終同步，從而避免了正常運(yùn)行中失步的可能，徹底解決了同步機(jī)失步故障。

3）系統(tǒng)的滅磁過程

由于本系統(tǒng)采用變頻起動(dòng)，不存在異步整步的過程，同時(shí)勵(lì)磁裝置采用6RA70直流調(diào)速器，主回路為三相全控橋，而且勵(lì)磁由變頻器控制，所以在正常停車時(shí)，變頻器控制勵(lì)磁不斷減小，以至進(jìn)行逆變滅磁，系統(tǒng)的滅磁過程明確簡(jiǎn)單，滅磁裝置得到了很大的簡(jiǎn)化。實(shí)際上，本系統(tǒng)只在勵(lì)磁繞組兩端并接一個(gè)反向二極管和滅磁電阻，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作可靠。

5 結(jié)論

基于矢量控制的高壓變頻器在礦井通風(fēng)機(jī)改造中的應(yīng)用，從根本上改變了過去通風(fēng)機(jī)異步起動(dòng)、固定勵(lì)磁、恒速和滅磁復(fù)雜的情況，系統(tǒng)做到了基本免維護(hù)，提高了設(shè)備使用的安全可靠性，是一種值得推廣的新型控制方式。同時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況良好，節(jié)能效果明顯，取得了可喜的經(jīng)濟(jì)效率，得到了用戶的一致好評(píng)。

［1] 空冷型完美無諧波系列新一代控制NBH高壓變頻器用戶手冊(cè).西門子（上海）電氣傳動(dòng)設(shè)備有限公司.

［2] SIMOREG DC MASTER 6RA70系列全數(shù)字直流調(diào)速裝置使用說明書.西門子電氣傳動(dòng)有限公司.

［3] 劉元麗.礦井風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用［J] .煤炭加工與綜合利用,2008（3）.

［4] 李志民,張遇杰.同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)［M] .北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1996.