三拖二模式变频驱动系统在煤矿主通风机中的探索和研究

张 健

(潞安化工集团 五阳煤矿，山西 长治 046205)

主通风机的作用是能保证向矿井井下各用风地点连续输送足够数量的新鲜空气，稀释并排出各种有害性气体及矿尘，保证井下工作人员的健康和矿井安全生产，主通风机的运行稳定性不止直接关系到矿井生产的持续，同时关系到矿井的安全以及井下作业人员的安全。作为矿井安全生产的重要保障，主通风机必须保证连续运转，不得随意停机，因此，确保主通风机正常运转，是搞好矿井通风工作的首要任务。

1 主通风机概况

五阳煤矿南丰回风井采用机械抽出式的通风方式，安装两套对旋式主通风机，每套主通风机配置两台1 850 kW防爆电机，两回路电源进线,各带一套主通风机，两套主通风机互为备用，主通风机布置示意见图1.

图1 对旋式主通风机布置示意

主通风机变频控制系统采用的ABB公司生产的ACS5000变频器作为主驱动设备，其供电方式为：主回路进线开关柜—高压开关柜—变频器—变频器高压切换柜—风机，变频驱动方式为一拖一，每台变频器带1台电机，4套变频调速装置与电机一对一配置。

在用主通风机与备用主通风机的切换通过切换柜的8个KM接触器和2个QF切换开关实现，主通风机的切换分为正常切换和故障状态下的交叉切换。具体切换方式见图2.

图2 目前主通风机变频切换示意

1) 正常切换。以1号风机系统为在用风机为例，正常情况下是接触器KM1、KM2，KM5、KM6四个接触器闭合，KM3、KM4，KM7、KM8四个接触器断开，QF1、QF2两个切换开关断开，此时1号主通风机2台电机运行。在进行1号风机切换2号风机时，需将KM1、KM2，KM5、KM6四个接触器断开，KM3、KM4，KM7、KM8四个接触器闭合，此时2号主通风机的两台电机运行，1号主通风机切换2号主通风机完成。

2) 故障状态下的交叉切换。以1号风机系统为在用风机为例，如在1号风机切换2号风机过程中因2号风机变频器故障，则可以通过闭合KM1、QF1、KM4、KM5、QF2、KM8实现1号主通风机变频器带2号主通风机电机的驱动方式。

2 目前主通风机运行过程中存在的问题

1) 南丰主通风机变频电控系统自2009年投运，电控系统运行至今已历时13 a.与通风机机械部分不同，虽然主通风机电控系统也是一备一用的应用方式，但为保证系统故障时主通风机系统能快速投入运行，系统的电控部分一直处于热备用状态。也就是说在实际使用过程中变频器全年每天24 h均处于运行状态，且运行过程中变频器内部的很多器件未进行过全面的维护和保养。近年来主通风机电控的主系统、备用系统频繁发生故障，其原因主要是由于系统老化。

2) 变频器本体的很多功率器件及辅助装置的设计寿命已超过极限，以散热风机为例，ACS5000的产品手册中要求其顶置散热风机最长的使用年限是4 a.主通风机运行达到4 a后必须对散热风机的轴承及其附属部分进行保养，但是变频器的散热风机已不间断运行了12 a.

3) 主通风机变频电控系统在2009年选用的产品是ACS5000型，在12 a时间里ABB对于该产品进行了多次升级换代，因而，在备品备件方面及后期的同类型产品中与原产品通用的较少也是一个较为棘手的问题。

因此，为提高主通风机变频控制系统运行稳定性，需要对南丰主通风机的变频控制系统进行改造。

3 解决方案

通过调研，目前各煤矿主通风机变频控制系统普遍采用的是一拖一的方式，即一套变频器带一套风机，两套变频器互为备用，可切换。

针对五阳煤矿目前变频控制系统老化、故障率高的问题，比较传统的改造方式就是直接拆除旧的变频器及附属设备，安装新的变频器及附属设备，虽然施工工艺简单，但是由于原电控系统变频器整体软硬件相对老旧，系统稳定性较差，直接更换变频器需要较长时间，主通风机单风机运行时间至少50 d左右，在系统改造过程中可能会出现系统停机等问题,风险大。

变频控制系统改造最基本的要求就是不能影响矿井的正常生产。为进一步缩小改造风险，提高主通风机变频控制系统稳定性，本矿机电科技术人员和变频器厂家、电控厂家及风机厂家进行了技术沟通和论证，提出了三拖二的变频器驱动方式，新增两套变频器控制系统，对新增的系统脱离旧系统进行独立调试，待新增变频系统调试完成后，和主系统对接，原有的两套变频控制系统保留一套，作为备用变频系统，通过切换柜的控制方式，将新变频驱动系统为三拖二模式。两种改造方式的方案对比,见表1.

表1 两种主通风机变频改造方案对比

4 三拖二变频控制系统原理和可行性分析

三拖二变频控制系统有3套变频系统，其中2套新变频系统，1套旧变频系统，正常状态下2套新变频控制系统驱动1号和2号两个系统的电机，3号变频控制系统作为1号和2号系统的备用系统——既可通过切换柜驱动1号系统电机也可以驱动2号系统电机，且在3号系统没有投入运行的状态下，1号、2号系统之间可以正常自动切换，当3号系统投入运行时，可作为1号、2号系统的备用系统，为保障切换的可靠性，3号系统只能在手动状态下切入系统，这样不光确保了系统高可靠性还能保证操作的安全性。其切换方式见图3.

图3 三拖二变频控制系统切换示意

三拖二变频控制系统改造实施内容如下：

第1阶段：高压系统改造，安装新变频控制系统的高压开关，并在原高压配电系统中。

第2阶段:为确保系统改造过程中旧设备的运行可靠性，对旧系统两套变频电控设备进行维护，确保系统改造过程中运行可靠性，维护时间不影响设备运行。

第3阶段：新1号、2号变频控制系统设备安装及独立调试，设备包括：操作台、PLC柜、低压柜、1号系统变频器及切换柜。

第4阶段：拆除旧1号变频控制系统设备，将新1号变频控制系统与主系统对接；然后拆除旧2号变频控制系统设备，将新2号变频控制系统与主系统对接，施工期间为单风机运转，单风机运转时间预计6d.

第5阶段：原变频控制系统保留一套，接入切换系统，通过切换柜控制方式的改造，新变频驱动系统为三拖二模式。

在改造过程中不影响原有系统的运行，基本思路是独立于原来系统，重新安装两套新变频控制系统，老系统保留一套变频器接入切换系统作为备用系统。安装就位后新旧系统的转接时间完全可控制在一个标准检修时间段内，另外，切换柜中间的联络开关采用手车式开关，可以完全抽出，因此，新系统的接入完全不受旧系统的影响。

5 三拖二变频控制系统稳定性讨论分析

采用三拖二变频控制系统，为确保改造后的新变频控制的稳定性和可靠性，选用的新变频器应于旧变频器规格型号一致，原因如下：

1) 目前主通风机所用变频器为ABB ACS5000型变频器，自投入使用以来(在出现元器件老化前)，运行稳定，故障率低，使用效果良好。

2) 主通风机属于矿山重要负荷，为了确保安全运行，经与现有的ABB变频器厂家进行技术沟通，考虑到不同类型的变频器在接口、程序、保护等方面存在不一致性，如果使用其他类型的变频器，可能出现系统不兼容等问题，影响变频控制系统的稳定性。

3) 由于不同类型的变频器在结构、尺寸上不一样，如使用其他类型变频器，则会影响变频器的安装与接线。

6 结 语

主通风机作为煤矿关键环节，其安全性直接影响到矿井井下瓦斯的正常排放，继而影响到矿井安全生产和人身安全，因此，主通风机的运行稳定性至关重要，因而在进行主通风机改造时，首先要对改造后主通风机稳定性进行充分论证和分析。

本文在主通风机电控系统改造的基础上，在确保主通风机电控系统稳定的前提下，创新的探索了主通风机变频控制系统的运行工艺，选用同型号、同规格的变频器和附属设备，采用三拖二的驱动方式，能进一步高主通风机的应急处置能力，最大限度的提高改造后系统的稳定性和可靠性，保障主通风机安全可靠运转，从而保障矿井安全高效生产，具备一定的可行性。