矿井通风机变频改造方案分析与比较

高宴兴

（山西黄土坡鑫运煤业有限公司，山西 长治046500）

0 引言

为了保证煤炭的安全开采，煤矿井下必须不断地进行通风，以稀释煤炭产生的危险易燃气体，并且将生产中产生的煤尘带出井外以保证良好的工作环境。当通风速度较慢时，无法有效稀释危险气体，比如甲烷、一氧化碳等，会损害煤矿工人的健康，甚至引发矿难，通风速度较快时，巷道中会产生大量的煤尘，破坏井下的工作环境。另外在煤矿开采的不同阶段，煤矿环境会发生较大的改变，需要合理地控制通风速度与通风量。调节风量与风速的传统方法为控制挡风板的位置，由于电机一直处于额定运行状态，虽然控制简单易行，但是忽略了此种调节方式的电能浪费。近年来，由于国家对节能减排以及安全生产的高度重视，矿井通风机的变频改造迫在眉睫，虽然需要大量前期投入，但是其所带来的节能效益远远大于前期投入［1］。而近年来中、高压变频器技术飞速发展，根据矿井的实际状况选取合适的改造方案显得尤为重要。

1 变频器的工作原理与优势

图1为交直交变频器的工作原理示意图，即三相交流电经过整流器转化成直流电，再经过负载端的逆变单元输出电压和频率可调的交流电，输出电压和频率是由控制电路决定的。由于风机调速无需能量回馈，整流端往往采取二极管不控整流来减少系统的成本。交流电机调速的方法有很多，比如标量控制、矢量控制、直接转矩控制［2］等。矿井内风机调速对动态特性的要求不是很高，并且其负载特性对转矩的精度要求也不是很高，为了降低控制的难度，电机调速方式往往采取恒U／f的方法。

图1 变频器的工作原理

对三相异步电动机而言，其定子的每相电动势有效值Eg的表达式为：

式中，f1为定子频率；Ns为定子绕组每相的匝数；kNs为定子基波绕组系数；m为每极的气隙磁通。

在电机调速中，为了保持m不变，需要Eg正比于f1。在输出频率较高时，Eg可以近似认为与定子输入电压Us相等；而在输出频率较低时，定子电阻压降不能忽略，因此必须进行适当的补偿，如图2所示。

图2 恒U／f调速

电机输出的功率P＝Tω／η，其中T为转矩，ω为风机的角速度。根据风速与转速n的关系可得P＝Cn3，其中C为常数，由风机的特性决定。可以看出电机输出功率与转速的立方成正比，而对于采取挡板控制风量的场合，电机始终运行于额定转速，浪费了大量的能量。图3为4种不同方式下，风量与电机输出功率之间的关系曲线，可以看出采取变频器驱动风机可以节省大量的能量。

图3 风量与电机输出功率的关系曲线

采取变频器驱动风机除了具有节能的优势以外，还具有保护电机的功能［3］，比如可以实现电机的过压、过流、缺相、反相、短路、失速等保护。在大功率场合，变频器的合理使用还可以减少电机对电网的污染，提高功率因数。

2 不同变频改造方案的分析与比较

从以上分析可以看出矿井风机进行变频改造是实现生产安全与节能的有效途径，然而在进行变频改造的过程中需要结合矿井的具体情况选取合适的变频器。下面分析不同类型的改造方案，并进行比较。

2.1 三电平二极管钳位型变频器

三电平二极管钳位型（NPC）变频器［4］为目前中压电力传动场合的主流产品，国内外的相关公司（如国外的ABB、西门子，国内的深圳汇川等）均有相应的产品。以ABB的ACS1000产品为例，其拓扑结构如图4所示，整流端采取12脉冲的不控整流，逆变端采用的器件为高压IGCT，由于采取二极管进行钳位，每个主功率开关器件的耐压为直流母线电压的1／2，但是受功率开关器件耐压等级的限制，此种变频器的电压等级局限在1.25～6.6kV，并且随着电压等级的升高，其成本会大大增加。

图4 三电平NPC主电路拓扑

尽管此种变频器为市场中的主流产品，其实用性和可靠性已经得到了长时间的证明，但是此种变频器存在着一些难以克服的缺点。（1）其最大电压等级不高，而大型矿井往往采取10kV或以上的电压等级对电机供电，这些场合中三电平NPC变频器的应用会受到限制。（2）三电平NPC存在着固有的开关器件损耗不均衡的现象。（3）此种变频器的故障容错能力较差，当一个开关器件出现故障时，必须采取停机的措施，而通风系统的瘫痪轻则造成矿井无法正常进行生产活动，重则引发矿难。而实际生产中为了避免通风系统瘫痪，往往采取备用设备在故障时进行工作，这无疑增加了成本。

2.2 四电平飞跨电容型变频器

四电平飞跨电容型（FC）变频器采取的是电容钳位型拓扑，其代表产品为美国阿尔斯通电气公司的Alspa VDM6000。主电路拓扑如图5所示，前端采取18脉冲不控整流，主功率开关器件采取高压IGBT，每个功率开关器件的耐压为直流母线电压的1／3，适用的电压等级为2.14～4.6kV。此种变频器实现四电平输出，输出谐波特性一定程度上优于三电平波形，不存在损耗不均衡的问题。另外，此种变频器冗余开关状态较多［5］，控制相对简单，故障容错能力要强于三电平NPC。

图5 四电平FC变频器主电路拓扑

虽然此种变换器主功率开关器件承受的电压占直流母线的比例要小于三电平NPC，但是并不意味着此种变换器的电压等级会提高，主要原因有2个方面：（1）此种变换器采取的功率开关器件为IGBT，其最高电压等级要小于IGCT。（2）悬浮电容需要承受较大的电压，储存的能量也较大，一定程度上限制了其电压等级的提高。

2.3 五电平混合二极管钳位型变频器

五电平混合二极管钳位型（HNPC）变频器是采取三电平NPC拓扑并联的方式，其中一个桥臂的输出点与另外两相对应的输出点相连，被称为人工中点，而另一个桥臂的输出点与电机的一相连接［6］。其主电路拓扑如图6所示，前端采取36脉冲的不控整流，需要3个独立的直流电源，实际生产中往往采取移相变压器实现。此种变频器相对于三电平NPC的优势在于输出电平数增多，输出谐波含量大大减少，并且每相的直流电压利用率增高，一定程度上提高了此种拓扑的最大电压等级。其代表产品为ABB公司的ACS5000系列，采用高压IGCT作为主功率开关器件，电压等级范围在6～7.2kV。

图6 五电平HNPC主电路拓扑

然而五电平HNPC存在三电平NPC同样的缺点，即功率开关器件损耗不均衡。需要的功率开关器件数量较多，且前端需要专门设计的移相变压器，增加了系统的体积与成本。

2.4 级联H桥多电平变频器

上述3种变频器的电压等级均有一定的限制，在电压等级非常高的场合，这些变频器的应用将受到限制。级联H桥多电平（CHB）变频器采取多个H桥子模块级联的方式构成，n个相同的子模块可以实现2n＋1电平的输出［7］，子模块的增多也意味着电压等级的升高。此种变频器的代表产品为西门子公司的罗宾康系列的完美无谐波型变频器。图7为三相星形连接的七电平级联H桥变频器，由于每个子模块都需要一个独立直流电源，所以三相七电平级联H桥变频器需要9个独立直流电源。独立直流电源的获得往往是在不控整流前端增加特殊设计的移相变压器。由于每个子模块的直流电压并不是很高，所以每个子模块的功率开关器件采取低电压等级的IGBT。目前此种变频器的电压等级为2.3～13.8kV，当然，通过增加子模块的方式可以进一步提高电压等级。

图7 七电平级联H桥变频器主电路拓扑

级联型多电平变频器具有模块化的特性，其向更高电压等级扩展很容易，由于不涉及悬浮电容与中点电位的平衡控制，其控制方法相对于上述3种拓扑来说相对简单。

另外，级联H桥多电平变频器相对于其他变频器的最大优势在于具有极强的故障容错能力［8］，即在系统的局部功率开关器件发生短路或开路故障时，系统无需停机，可继续降额运行。图8给出了具有容错能力的子模块的拓扑结构，当这个子模块发生故障时，可以通过将开关T从n的位置切换到f位置，实现将故障子模块切出。图9所示为九电平级联H桥的容错运行原理图，图9（a）为系统未出现故障时，系统工作在全额状态。图9（b）为c相的2个子模块与b相的1个子模块发生故障切出时的运行原理图，此时只需调整变频器的控制策略即可以实现降额运行。

图8 具有容错能力的子模块拓扑

图9 九电平级联H桥的容错运行

级联H桥多电平变频器的故障容错能力使得其极其适合于不容许停机的重要场合，但是由于前端需要复杂的移相变压器，既增加了系统的体积也增加了成本。

2.54种变频方案的比较

在实际的改造过程中应该具体结合矿井的环境来确定变频器的电压等级、功率容量、体积等情况。另外，一些高瓦斯矿井或煤矿的重要区域往往还需要考虑变频器的稳定性、容错运行能力等。

表1给出了4种不同拓扑变频器的性能对比，从中可以看出级联H桥型变频器的输出电压等级与功率容量的范围均较广，三电平NPC和级联H桥变频器的可靠性比较强，三电平NPC与四电平FC变频器的成本较低，级联型变频器的容错运行能力最强。总之，在矿井风机变频改造的过程中必须结合多方面的因素选择改造方案。

表1 不同拓扑变频器的性能对比

3 总结与展望

矿井通风机的变频改造具有多方面的优势，符合我国节能减排与安全生产的政策。近几十年来，电力电子技术与数字化技术的飞速发展，使得大功率中、高压变频器技术飞速发展，但是目前多电平变频器并没有统一的拓扑结构，在改造过程中必须选取合适的方案以满足特定的要求。多电平技术作为一项新技术，目前发展还不是很成熟，由于使用的功率开关器件与无源器件较多，其可靠性还亟待改进。相信随着多电平技术的进一步发展，矿井通风机的变频改造定能获得更大的效益。

［1］李惠平.矿井主通风机变频调速节能技术的应用［J］.煤炭工程，2012（7）

［2］李崇坚.交流同步电机调速系统［M］.北京：科学出版社，2006

［3］关慧，赵争鸣，孟朔，等.变频调速异步电机的优化设计［J］.中国电机工程学报，2004（7）

［4］张志，谢运祥，乐江源，等.二极管钳位型单相三电平逆变器空间矢量脉宽调制方法［J］.中国电机工程学报，2010（27）

［5］王小峰，何湘宁，邓焰.载波交叠特性PWM方法在飞跨电容多电平逆变器中的应用研究［J］.中国电机工程学报，2007（10）

［6］张艳莉，居荣，费万民，等.混合二极管箝位多电平变换器的拓扑结构研究［J］.电力自动化设备，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）