礦井通風機變頻改造方案分析與比較

高宴興

（山西黃土坡鑫運煤業有限公司，山西 長治046500）

0 引言

為了保證煤炭的安全開采，煤礦井下必須不斷地進行通風，以稀釋煤炭產生的危險易燃氣體，并且將生產中產生的煤塵帶出井外以保證良好的工作環境。當通風速度較慢時，無法有效稀釋危險氣體，比如甲烷、一氧化碳等，會損害煤礦工人的健康，甚至引發礦難，通風速度較快時，巷道中會產生大量的煤塵，破壞井下的工作環境。另外在煤礦開采的不同階段，煤礦環境會發生較大的改變，需要合理地控制通風速度與通風量。調節風量與風速的傳統方法為控制擋風板的位置，由于電機一直處于額定運行狀態，雖然控制簡單易行，但是忽略了此種調節方式的電能浪費。近年來，由于國家對節能減排以及安全生產的高度重視，礦井通風機的變頻改造迫在眉睫，雖然需要大量前期投入，但是其所帶來的節能效益遠遠大于前期投入［1］。而近年來中、高壓變頻器技術飛速發展，根據礦井的實際狀況選取合適的改造方案顯得尤為重要。

1 變頻器的工作原理與優勢

圖1為交直交變頻器的工作原理示意圖，即三相交流電經過整流器轉化成直流電，再經過負載端的逆變單元輸出電壓和頻率可調的交流電，輸出電壓和頻率是由控制電路決定的。由于風機調速無需能量回饋，整流端往往采取二極管不控整流來減少系統的成本。交流電機調速的方法有很多，比如標量控制、矢量控制、直接轉矩控制［2］等。礦井內風機調速對動態特性的要求不是很高，并且其負載特性對轉矩的精度要求也不是很高，為了降低控制的難度，電機調速方式往往采取恒U／f的方法。

圖1 變頻器的工作原理

對三相異步電動機而言，其定子的每相電動勢有效值Eg的表達式為：

式中，f1為定子頻率；Ns為定子繞組每相的匝數；kNs為定子基波繞組系數；m為每極的氣隙磁通。

在電機調速中，為了保持m不變，需要Eg正比于f1。在輸出頻率較高時，Eg可以近似認為與定子輸入電壓Us相等；而在輸出頻率較低時，定子電阻壓降不能忽略，因此必須進行適當的補償，如圖2所示。

圖2 恒U／f調速

電機輸出的功率P＝Tω／η，其中T為轉矩，ω為風機的角速度。根據風速與轉速n的關系可得P＝Cn3，其中C為常數，由風機的特性決定。可以看出電機輸出功率與轉速的立方成正比，而對于采取擋板控制風量的場合，電機始終運行于額定轉速，浪費了大量的能量。圖3為4種不同方式下，風量與電機輸出功率之間的關系曲線，可以看出采取變頻器驅動風機可以節省大量的能量。

圖3 風量與電機輸出功率的關系曲線

采取變頻器驅動風機除了具有節能的優勢以外，還具有保護電機的功能［3］，比如可以實現電機的過壓、過流、缺相、反相、短路、失速等保護。在大功率場合，變頻器的合理使用還可以減少電機對電網的污染，提高功率因數。

2 不同變頻改造方案的分析與比較

從以上分析可以看出礦井風機進行變頻改造是實現生產安全與節能的有效途徑，然而在進行變頻改造的過程中需要結合礦井的具體情況選取合適的變頻器。下面分析不同類型的改造方案，并進行比較。

2.1 三電平二極管鉗位型變頻器

三電平二極管鉗位型（NPC）變頻器［4］為目前中壓電力傳動場合的主流產品，國內外的相關公司（如國外的ABB、西門子，國內的深圳匯川等）均有相應的產品。以ABB的ACS1000產品為例，其拓撲結構如圖4所示，整流端采取12脈沖的不控整流，逆變端采用的器件為高壓IGCT，由于采取二極管進行鉗位，每個主功率開關器件的耐壓為直流母線電壓的1／2，但是受功率開關器件耐壓等級的限制，此種變頻器的電壓等級局限在1.25～6.6kV，并且隨著電壓等級的升高，其成本會大大增加。

圖4 三電平NPC主電路拓撲

盡管此種變頻器為市場中的主流產品，其實用性和可靠性已經得到了長時間的證明，但是此種變頻器存在著一些難以克服的缺點。（1）其最大電壓等級不高，而大型礦井往往采取10kV或以上的電壓等級對電機供電，這些場合中三電平NPC變頻器的應用會受到限制。（2）三電平NPC存在著固有的開關器件損耗不均衡的現象。（3）此種變頻器的故障容錯能力較差，當一個開關器件出現故障時，必須采取停機的措施，而通風系統的癱瘓輕則造成礦井無法正常進行生產活動，重則引發礦難。而實際生產中為了避免通風系統癱瘓，往往采取備用設備在故障時進行工作，這無疑增加了成本。

2.2 四電平飛跨電容型變頻器

四電平飛跨電容型（FC）變頻器采取的是電容鉗位型拓撲，其代表產品為美國阿爾斯通電氣公司的Alspa VDM6000。主電路拓撲如圖5所示，前端采取18脈沖不控整流，主功率開關器件采取高壓IGBT，每個功率開關器件的耐壓為直流母線電壓的1／3，適用的電壓等級為2.14～4.6kV。此種變頻器實現四電平輸出，輸出諧波特性一定程度上優于三電平波形，不存在損耗不均衡的問題。另外，此種變頻器冗余開關狀態較多［5］，控制相對簡單，故障容錯能力要強于三電平NPC。

圖5 四電平FC變頻器主電路拓撲

雖然此種變換器主功率開關器件承受的電壓占直流母線的比例要小于三電平NPC，但是并不意味著此種變換器的電壓等級會提高，主要原因有2個方面：（1）此種變換器采取的功率開關器件為IGBT，其最高電壓等級要小于IGCT。（2）懸浮電容需要承受較大的電壓，儲存的能量也較大，一定程度上限制了其電壓等級的提高。

2.3 五電平混合二極管鉗位型變頻器

五電平混合二極管鉗位型（HNPC）變頻器是采取三電平NPC拓撲并聯的方式，其中一個橋臂的輸出點與另外兩相對應的輸出點相連，被稱為人工中點，而另一個橋臂的輸出點與電機的一相連接［6］。其主電路拓撲如圖6所示，前端采取36脈沖的不控整流，需要3個獨立的直流電源，實際生產中往往采取移相變壓器實現。此種變頻器相對于三電平NPC的優勢在于輸出電平數增多，輸出諧波含量大大減少，并且每相的直流電壓利用率增高，一定程度上提高了此種拓撲的最大電壓等級。其代表產品為ABB公司的ACS5000系列，采用高壓IGCT作為主功率開關器件，電壓等級范圍在6～7.2kV。

圖6 五電平HNPC主電路拓撲

然而五電平HNPC存在三電平NPC同樣的缺點，即功率開關器件損耗不均衡。需要的功率開關器件數量較多，且前端需要專門設計的移相變壓器，增加了系統的體積與成本。

2.4 級聯H橋多電平變頻器

上述3種變頻器的電壓等級均有一定的限制，在電壓等級非常高的場合，這些變頻器的應用將受到限制。級聯H橋多電平（CHB）變頻器采取多個H橋子模塊級聯的方式構成，n個相同的子模塊可以實現2n＋1電平的輸出［7］，子模塊的增多也意味著電壓等級的升高。此種變頻器的代表產品為西門子公司的羅賓康系列的完美無諧波型變頻器。圖7為三相星形連接的七電平級聯H橋變頻器，由于每個子模塊都需要一個獨立直流電源，所以三相七電平級聯H橋變頻器需要9個獨立直流電源。獨立直流電源的獲得往往是在不控整流前端增加特殊設計的移相變壓器。由于每個子模塊的直流電壓并不是很高，所以每個子模塊的功率開關器件采取低電壓等級的IGBT。目前此種變頻器的電壓等級為2.3～13.8kV，當然，通過增加子模塊的方式可以進一步提高電壓等級。

圖7 七電平級聯H橋變頻器主電路拓撲

級聯型多電平變頻器具有模塊化的特性，其向更高電壓等級擴展很容易，由于不涉及懸浮電容與中點電位的平衡控制，其控制方法相對于上述3種拓撲來說相對簡單。

另外，級聯H橋多電平變頻器相對于其他變頻器的最大優勢在于具有極強的故障容錯能力［8］，即在系統的局部功率開關器件發生短路或開路故障時，系統無需停機，可繼續降額運行。圖8給出了具有容錯能力的子模塊的拓撲結構，當這個子模塊發生故障時，可以通過將開關T從n的位置切換到f位置，實現將故障子模塊切出。圖9所示為九電平級聯H橋的容錯運行原理圖，圖9（a）為系統未出現故障時，系統工作在全額狀態。圖9（b）為c相的2個子模塊與b相的1個子模塊發生故障切出時的運行原理圖，此時只需調整變頻器的控制策略即可以實現降額運行。

圖8 具有容錯能力的子模塊拓撲

圖9 九電平級聯H橋的容錯運行

級聯H橋多電平變頻器的故障容錯能力使得其極其適合于不容許停機的重要場合，但是由于前端需要復雜的移相變壓器，既增加了系統的體積也增加了成本。

2.54種變頻方案的比較

在實際的改造過程中應該具體結合礦井的環境來確定變頻器的電壓等級、功率容量、體積等情況。另外，一些高瓦斯礦井或煤礦的重要區域往往還需要考慮變頻器的穩定性、容錯運行能力等。

表1給出了4種不同拓撲變頻器的性能對比，從中可以看出級聯H橋型變頻器的輸出電壓等級與功率容量的范圍均較廣，三電平NPC和級聯H橋變頻器的可靠性比較強，三電平NPC與四電平FC變頻器的成本較低，級聯型變頻器的容錯運行能力最強。總之，在礦井風機變頻改造的過程中必須結合多方面的因素選擇改造方案。

表1 不同拓撲變頻器的性能對比

3 總結與展望

礦井通風機的變頻改造具有多方面的優勢，符合我國節能減排與安全生產的政策。近幾十年來，電力電子技術與數字化技術的飛速發展，使得大功率中、高壓變頻器技術飛速發展，但是目前多電平變頻器并沒有統一的拓撲結構，在改造過程中必須選取合適的方案以滿足特定的要求。多電平技術作為一項新技術，目前發展還不是很成熟，由于使用的功率開關器件與無源器件較多，其可靠性還亟待改進。相信隨著多電平技術的進一步發展，礦井通風機的變頻改造定能獲得更大的效益。

［1］李惠平.礦井主通風機變頻調速節能技術的應用［J］.煤炭工程，2012（7）

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［6］張艷莉，居榮，費萬民，等.混合二極管箝位多電平變換器的拓撲結構研究［J］.電力自動化設備，2006（12）

［7］Malinowski M，Gopakumar K，Rodriguez J，et al.A Survey on Cascaded Multilevel Inverters［J］.IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS，2010（7）

［8］Lezana P，Pou J，Meynard T A，et al.Survey on Fault Operation on Multilevel Inverters［J］.IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS，2010（7）