关键词：煤矿；设备；高压变频；变频调速

近几年来，地处山东省济宁市范围内的一些煤矿与有关单位合作，对高压变频技术在相关设备应用方面急需解决的问题开展科技攻关，取得了有价值的研究成果，并在高压变频器功率单元常见故障分析与维修方面得到了实践经验，对于国内其它煤矿具有一定的参考价值。

1  矿井主通风机同步电动机高压变频调速系统  

随着电力电子变频技术的发展，特别是IGBT使同步电动机的调速逐渐得到应用。济宁市邹城市的山东里能里彦矿业有限公司与辽宁荣信电力电子股份有限公司研制出了 RHVC-015-07-09高—高电压源型变频器，并在矿井主通风机同步电动机高压变频调速系统应用成功，现场使用效果良好。

⑴问题由来

里彦煤矿主通风机为G4-72-11型离心式，配250kW同步电动机。原有矿井风量4700m³/s，预计最大风量8000m³/s，主通风机的通风能力已成为生产瓶颈。他们根据风量要求需要对通风系统进行重新设计。为了改善电网功率因数，考虑到最大需风量，选用680kW同步电动机较合适，特别是相对异步电动机而言，同步电动机可以通过励磁调节功率因数，具有异步电动机无可比拟的优越性，但是由于自然工况点和最大需风量时的工况点有较大的距离，如果通过调节风门控制风量势必造成能源的巨大浪费。调节煤矿主通风机转速与调节风门方法所取得的不同节电效果可以用全速下的风压—风量特性曲线和风门打开时的管网特性曲线图来表示，两线交点为自然工况点。如果实际需风量为Q₂，调节风门得到管网特性，也可以通过改变电动机转速得到曲线。由于功率与风量和风压的乘积成正比，显然通过改变电动机转速得到的H₃OQ₂C面积是最小的，也是最节能的。因此，通过改善主通风机转速的办法改变主通风机的特性曲线，从而获得经济运行工况点尤其必要,如图1所示。

图1 风压风量特性

⑵同步变频调速系统相对于异步变频调速系统的特点

交流电动机旋转磁场的同步转速与定子电源频率有确定的关系；异步电动机的磁场仅靠定子供电产生，而同步电动机除定子磁动势外，转子侧还有独立的直流励磁或用永久磁钢励磁；异步电动机由于励磁需要，必须从电源吸收滞后的无功电流，空载时功率因数很低。同步电动机通过调节转子的直流励磁电流改变输入功率因数，可以滞后也可以超前；同步电动机转子有独立励磁，在极低的电源频率下也能运行，在同样条件下同步电动机的调速范围比异步电动机更宽；异步电动机要靠加大转差才能提高转矩，同步电动机只须加大功角就能增大转矩，同步电动机比异步电动机对转矩扰动具有更强的承受能力，能作出更快的动态响应。

RHVC-015-07-09高—高电压源型变频器特点

①主要由高压开关柜、移相隔离变压器、变频单元功率柜、控制柜、励磁柜、数据监测柜等部件组成。在15个变频功率单元中，每5个变频功率单元串联构成1相。三相采用Y形接法，直接输出6kV三相交流电给电动机供电。

②采用IGBT变频功率单元串联多重化叠加技术。各个IGBT变频功率单元由输入隔离变压器的二次隔离线圈分别供电。额定电压680V，每相5个，因此相电压为3480V，所对应的线电压为6000V。给功率单元供电的二次电压互相存在1个相位差，实现输入多重化。

③输入侧是将6kV高压经过高压开关柜加到移项隔离变压器的原边，再根据电压等级和变频功率单元的级数由移相隔离变压器的副边分为多组，并在移相后分别给每个变频功率单元独立供电。

④输出侧由每个变频功率单元的2个交流输出端子依次进行串联，分别形成U、V、W三相，再接成Y形，给高压电动机直接供电。通过对每个变频功率单元的PWM波形进行叠加，可以得到阶梯正弦PWM波形。

⑤变频器每个变频功率单元采用模块化设计。在结构和电气性能上完全一致，可以通用互换。变频功率单元的基本拓扑为交—直—交三相整流/单相逆变电路，主要由控制电路、驱动电路、故障检测电路、通讯电路、显示电路、整流电路及逆变等电路组成。

⑥控制柜由高速单片机、工控PC机和PLC共同构成。单片机用于实现开环或者闭环控制、PWM波生成控制、工控PC提供操作界面，同时可以实现远程监控和网络化控制。内置PLC则用于开关量信号的逻辑处理，控制柜与变频功率单元之间采用光纤传导技术。

⑦系统采用WKLF-11型微机全控励磁装置。励磁系统受控制柜内的PLC控制，输出的励磁电流随着变频器的频率改变而改变。

⑧矿井出现问题或者变频故障保护时，为了保障井下的正常通风，需要倒到工频运行。当变频发生故障时，能够对故障代码单元号进行记录。

这种高压变频器可以实现对高压电动机的无级调速，满足生产工艺过程对电动机调速控制的要求。应用多年来，频率稳定率在37.5Hz左右，设备运行正常，没有出现故障。按照节能1/3计算，年减少耗电198.56万kW·h，年节约费用100万左右，同时还提高了通风机的装备水平，使通风机控制更加可靠、故障率大为降低，在同等类型的煤矿具有推广意义。

2  矿井高压变频提升机电控安全回路研制

山东鲁泰煤业有限公司鹿洼煤矿对高压变频提升机电控的安全回路进行研究，运用计算机总线技术，使提升机电控系统中主控机和监控机相互通讯，实现安全回路双线制，增加提升机电控的安全性和可靠性。

⑴TKD提升机电控系统中的安全回路

在这个回路中，将主令零位保护、工作闸零位保护、监视继电器、转子加速返回点、等速段过速保护、减速段过速保护、高压油保护断电器、高压油断路器、闸瓦磨损、松绳保护、错向保护、机械减速点、解除二级制动、电制动失压保护和正反向过卷保护等保护输出接点串联在一起，同时驱动安全输出线圈。任何1个保护节点动作都将引起安全继电器失电，进而引起高压换向器掉电保护、外部机械闸抱闸和信号指示动作，实现紧急制动或二级制动。此安全回路是由大量继电器节点和2个线圈组成，故障率比较高，加之TKD电控系统自身已经使用较多的继电器和接触器，使处理故障难度加大，因此设计1种新型安全回路迫在眉睫。

⑵BTDK提升机电控系统中的安全回路

新的BTDK提升机电控系统安全回路是在原有TKD提升机电控系统安全回路的基础上进行了改进，并将计算机技术和先进的控制设备应用到电控系统中。BTDK提升机电气控制系统安全回路由2个PLC和外部高压开关柜返回节点组成，即主控机安全回路、监控机安全回路和外部GYD高压开关；同时，应用计算机总线技术使主控机和监控机能够相互通讯，实现资源共享，节省硬件设备。主控机使用1个三菱FX2N-64MT可编程控制器，将主令控制器零位、工作闸零位、监视继电器、转子返回点、减速段过速、等速段过速、2M/S 限速、正反向过卷、松绳、闸瓦磨损、脚踏急停开关、深度指示器失效和后备保护串联接入到主控机的安全回路中去，用其1个输出接点Y20作为安全回路的1个主机部分；监控机则用1个FX2N-32MR可编程控制器，同时也将提升机的所有速度保护、行程保护及外围保护接入可编程控制器，用1个输出接点Y17作为安全回路的监控机部分；GYD则是外部开关柜的节点。该电路工作过程为：正常开车前，如果主令和工作闸在零位及各种保护均正常，则主控机Y20和监控机Y17均有输出。主控机Y20控制1个中间继器，GYD高压开关在高压开关柜闭合后由常开变为常闭，同时主控台控制面板上的安全条件具备指示灯亮，此时按动1个安全继电器工作/制动泵启动按钮，安全继电器AC1、AC2得电，安全继电器亮并开始工作。如果安全保护任何一项动作都将导至主控机Y20或监控机Y17输出不正常，就会使安全继电器掉电，通过内部程序控制高压正、反向接触器掉电和工作闸抱闸，使提升机安全、可靠地停车。

⑶BTDK提升机电控系统安全回路在现场的应用

鹿洼煤矿在副井提升机采用了BTDK高压变频提升机电控系统。在主控机安全回路中，M109为主控机内的深度指示器失效、轴编码器失效及反转保护的合成。M124为主控机内的2m/s限速、松绳保护、通讯错误、正反向过卷及过卷切换和调绳切换开关闭锁的合成。监控机安全回路中的各项保护与主控机的保护作用基本相同，主控机安全回路和监控机安全回路组成2套相互独立的安全回路，共同实现对提升机运行时的保护。

⑷BTDK提升机电控系统安全回路的优点

①结构简单。与TKD提升机电控系统相比，故障率明显下降。在主控机安全回路及监控机安全回路主控机安全回路中，只使用2个可编程控制器的2个输出点和外部GYD节点，没有过多中间继电器。

②维护方便。由于不需要过多的继电器和接触器节点，维护时只要看懂程序图即可，如需增加必要的外部保护和修改安全回路中开关量的闭合状态，手持编程器或者笔记本简单更改监控机安全回路保护与主控机保护作用即可。

③故障率低。全部参数及逻辑控制全部都在2台PLC内部，通过程序自行处理，共同现安全回路双线制，因此性能更加安全、可靠。

3  应用高压变频器对电厂厂用电动机节能改造

厂用电率大小是反映电厂经济性的重要指标，降低厂用电是电厂节能降耗的关键。兖州矿业（集团）公司南屯煤矿煤矸石热电厂有2台50MW汽轮发电机组，年设计厂用电率10.18%，年平均厂用电率11%左右；主要生产用辅机基本上都是6kV高压电动机，其中引风机、进风机和一次风机等全部是通过调节挡板进行运行调节的。调节挡板的开度一般只有30%～60%，节流损失巨大；给水泵容量1600kW，配置该厂容量最大的高压电动机，其压力损失高达5MPa。以上电动机的总功率为11850kW，约占全厂用电功率70%左右，每年因此浪费的电能非常巨大。为此，他们对送风机、引风机和给水泵3种设备进行变频控制技术改造，厂用电将控制在一个比较合理的水平上，对电厂实现经济运行、节能降耗、提高经济效益能够起到重要作用。

⑴变频调速改造思路

风机、水泵是发电厂的重要辅助设备，且容量大，耗电多，加上这些设备都是长期连续运行和常常处于低负荷及变负荷运行状态。送风机是用来给锅炉燃烧提供空气的辅机设备，引风机则是将锅炉燃烧产生的高温烟气经除尘装置后排向烟道的辅机设备。由于机组的负荷经常变化，为了保证锅炉的燃烧和负压的稳定，需要及时调整送、引风量，一般机组采用调整入口导向叶片的角度（风门开度）的方式来调节风量，这种风门调节的截流损耗一般为额定容量30%，如果采用变频调速改造，将完全消除风门和叶片的截流损耗，大大提高节能效果。电厂必须配备的水泵主要有锅炉给水泵、循环水泵和凝结水泵，是电厂中耗电量最大的一类辅机，提高水泵的运行效率、降低水泵的电耗对降低厂用电率具有举足轻重的意义。随着机组负荷和季节的变化，为了保证机组在合理的经济真空值运行，需要的冷却水量是变化的。通常冬季单台泵运行流量偏大，夏季单台泵流量不足，需要2台泵运行，而2台泵的流量又过大。因此，发电机组采用调节阀实现冷却水流量调节，这种调节方式控制的汽轮机真空度不稳定，不能保证汽轮机的经济运行，尤其在低负荷运行时阀门的节流损耗大，泵的运行效率也很低。若进行变频调速改造，既可节能降耗，又能根据机组负荷和季节的变化调节冷却水的流量，达到汽轮机最有利真空的控制目的，实现汽轮机真空度的高精度控制和经济运行的目的。理论分析表明：风机、水泵是电厂的主要耗电设备，在运行中有着很大的节能潜力，具有明显的节能效果。因此在电厂中对风机、水泵进行变频调速非常有必要。

⑵变频调速改造实践

①变频装置与电动机的连接方式。一次回路由进线柜、手动切换柜、变频器、电动机组成，其中进线柜和电动机由用户自备。旁路柜的作用是在变频器维护过程中或变频器出现故障时将电动机投入到工频电网运行，保证生产不受影响。进线柜为工频运行时的电动机同时也为变频运行时的变频器提供电气保护，保护的整定值以保护电动机为准。变频运行时，变频器为电动机提供全面保护，但变频器本身的保护（主要是过电压保护、速断保护）由进线柜负责，其整定值保持为电动机的保护整定值不变。旁路柜必须与上级高压断路器连锁，旁路柜隔离开关未合到位时不允许高压断路器合闸，高压断路器合闸时绝对不允许操作隔离开关，以防止出现拉弧现象，确保操作人员和设备的安全。

②变频调速的工作原理。采用变频调速时可以按需要升降电动机转速，改变风机的性能曲线，使风机的额定参数满足工艺要求。根据风机的相似定律和变速前后风量、风压、功率与转速之间的关系，转速降低50%则功率只需1/8。降低转速能极大降低轴功率，达到节能的目的。转速下降时风机的额定工作参数风量、风压、功率都降低，但从效率曲线看，降速前后的效率值基本是一样的。也就是说，转速降低时额定工作参数相应降低，但是效率不会降低有时甚至会提高，因此在满足操作要求的前提下，风机仍能在同样甚至更高的效率下工作。

⑶体会

这个厂的应用实践表明：采用高压变频调速控制技术对风机和水泵的电动机进行变频控制，实现了进风风量和给水流量变负荷调节的最佳效果，可以根据流量或者压力的变化来调节电动机的转速，降低电能的损耗、节约生产成本、延长设备使用寿命、减少维护量，短期即可收回全部投资，为降低热电厂厂用电率提供了良好的途径。

4  高压变频技术在热电厂给水泵的应用

热电厂的电力、热力负荷波动较大，给水泵采用工频运行，供水需求量与供给量的不平衡造成锅炉给水不稳定，长期运行轻则损坏设备，重则导致安全事故。兖州矿业（集团）公司济宁二号煤矿煤矸石热电厂采用高压变频技术有效地解决了此问题。

⑴原先存在的问题

该厂总装机容量4.5MW，3台1.5MW机组，3台75t/h燃中煤、煤泥为主的循环流化床锅炉，配备3台电动高压给水泵、1台汽动给水泵。给水泵入口侧的取水均取自除氧器出口的公用母管，给水泵出口侧均汇入同一母管。锅炉的给水量靠水位调节门进行控制。系统根据机组负荷高低，控制主给水调整门开度调节主给水流量，从而达到稳定汽包水位的目的。给水量偏差大时需要开给水再循环门，部分水量再回到除氧器，形成自循环。在这种调节方式下，系统主要存在以下问题：采用给水泵定速运行，阀门调整节流损失大、出口压力高、管损严重、系统效率低，造成能源浪费；流量降低阀位开度减小时调整阀前后压差增加，工作特性变坏，压力损失严重，造成能耗增加；长期的40%～70%阀门开度加速阀体自身磨损，导致阀门控制特性变差；管网压力过高威胁系统设备的密封性能，严重时导致阀门泄漏，不能关严等情况发生；设备使用寿命短、日常维护量大，维修成本高，造成各种资源的极大浪费。解决上述问题的重要手段之一是采用变频调速控制技术。

⑵高压变频调速控制技术的目标与方案

①高压变频调速控制技术的目标。向变频系统提供锅炉独立汽包水位的反馈信号，实现自动控制；应用高压变频调速控制技术改造以后的控制系统独立于现有的DCS（Distributed Control System）分散控制系统，有独立的检测、控制、显示、数据处理系统，在中央控制室能监视供水系统状态、实时监视系统运行状态，记录系统运行数据；实现远程控制性能，在中控室进行远程命令控制及系统控制目标参数修改；实现与其它水泵的切换互补运行，并实现完善的故障处理功能，故障停机后自动启动其它水泵，保障供水系统安全运行。

②高压变频调速控制技术的方案。仅对电动给水泵进行改造。变频控制为一拖一方案，配备1台变频器。变频调速系统接于6kV主动力电源系统。变频系统增设旁路以增加安全性。这是手动旁路的典型方案。为实现变频器故障保护，变频器对现场高压断路器进行连锁。一旦变频器故障，变频器跳开高压断路器。电动机工频运行时，变频器撤消对高压断路器的跳闸信号而允许高压断路器合闸，使电动机能正常通过高压断路器合闸工频启动，同时实现与其它水泵切换互补运行；故障停机后自动启动其它水泵，保障供水系统安全运行。

5  高压变频器功率单元常见故障分析与维修

济宁何岗煤矿2010年分别对矿井主、副提升系统进行高压变频改造，极大提高矿井主提升系统的安全性、经济性、可靠性。通过在现场对相应故障进行正确及时维修处理，极大减少因设备故障影响生产的时间，有利于保障矿井安全生产。通过对高压变频器功率单元的维修，每年节省十余万元的返厂维修费用，取得了较好的经济效益。他们对单元串联式高压变频器使用中常见的故障及对应的现场处理方法进行了总结分析。

⑴功率单元常见轻故障分析与维修

高压变频器美中不足的是由于受大功率开关元件IGBT耐压这一主要技术参数的影响，还无法实现直接逆变，所以现用高压变频器采用单元串联脉宽调制叠波升压输出原理。何岗煤矿主、副井提升机高压变频器就是基于此种原理。功率单元是单元串联式高压变频器的核心部件,也是承受高电压大电流冲击的部件,是该类型变频器的主要易损件之一。在日常使用中,高压变频器熔断器故障、光纤故障、过电压故障在现场出现频率较高。

①熔断器故障与维修。当变频器人机界面上显示熔断器故障时，根据对应单元编号查找，用万用表检查对应单元的2只熔断器，出现熔断情况时应更换同规格熔断器，更换完成后送电进行故障复位，一般情况下可以恢复正常运行。如不能恢复正常运行则更换功率单元解决。

②光纤故障与维修。出现光纤故障时，应分不同情况进行维修。常见光纤故障有以下3种情况：光纤本身故障，处理方式为更换光纤；因功率单元熔断器故障，出现光纤故障报警，则更换相应功率单元的熔断器；光纤板故障，更换对应的光纤板。

③过电压故障与维修。变频器在运行中，特别是在能量回馈过程中容易出现过电压故障，一般情况下采取故障复位的方式能够解决。

⑵功率单元常见重故障分析与维修

功率单元常见重故障有IGBT故障、驱动板故障、过电压不能复位等。这些故障表现在日常维护上具有突发性、现场维修时间长或不易维修等特点，很难通过维护保养等常规方式解决，只能更换备用功率单元恢复设备正常运行。对于功率单元重故障维修，需要在结合功率单元工作原理的基础上进行分析，然后进行维修。

①IGBT重故障。主要表现为出现熔断器故障，更换熔断器后仍然熔断，多为IGBT非可逆性损坏或炸管，分析其原因多为IGBT击穿或高压变频器运行中频繁停送电引起。对炸管故障能够比较直观判断出故障点，但在多数情况下，IGBT损坏后很难从外观上判断出故障点。在不具备试验条件的情况下，常规判断IGBT模块是否正常的方法如下：a.判断极性。首先将万用表拨在R×1K档。用万用表测量时，若某一极与其它两极阻值为无穷大，调换表笔后该极与其它两极的阻值仍为无穷大，则判断此极为栅极（G）。其余两极再用万用表测量，若测得阻值为无穷大，调换表笔后测量阻值较小。在测量阻值较小的一次中则可判断红表笔接的为集电极（C），黑表笔接的为发射极（E）。b.判断好坏。将万用表拨在R×10K档。用黑表笔接IGBT的集电极（C），红表笔接IGBT的发射极（E），此时万用表的指针在零位。用手指同时触及一下栅极（G）和集电极（C），这时IGBT被触发导通，万用表的指针摆向阻值较小的方向，并能指示在某一位置；再用手指同时触及一下栅极（G）和发射极（E），这时IGBT被阻断，万用表的指针回零。此时即可判断IGBT是好的。c.注意事项。任何指针式万用表均可用于检测IGBT。注意判断IGBT好坏时一定要将万用表拨在R×10K档。因为R×11K档以下各档万用表内部电池电压太低，检测好坏时不能使IGBT导通，从而无法判断IGBT的好坏。但是，在进行逆变侧IGBT模块检测时应注意其内置二极管与整流侧IGBT模块方法上有所不同。特别需要说明的是，经过测试后，完好的，IGBT模块的栅极（G）应当进行短路放电，防止因栅极间剩余电压造成IGBT导通，导致IGBT模块在维修后上电试验时损坏。更换IGBT模块时，使用的电络铁必须进行接地，以防止感应电压损坏IGBT模块。

②驱动板常见故障分析与维修。驱动板常见故障主要表现为无输出驱动脉冲信号。分析其原因多数为驱动电路所对应IGBT栅极已被击穿。栅极损坏时驱动电路板保护栅极的稳压管也随之击穿损坏，或者在严重的情况下损坏整个驱动电路。正常情况下，检测该电路电阻RG处触发电平为9.5V，使用示波器检测波形为驱动电路正常。反之，则应进行相应的维修。

③过电压故障分析与维修。当变频器在控制面板上显示过电压故障并且通过故障复位处理不能恢复正常运行时，应当考虑是功率单元电压检测电路出现故障，需在现场更换备用功率单元，先恢复设备运行。更换下来的故障功率单元要检查其单元控制板的直流母线电压检测电路。此电路由降压电路、电压传感器、三运算放大器及外围电路组成。过电压一般由两部分引起。一部分是电压检测电路故障。通过对常见降压及电压检测传感器电路进行分析可知，降压电阻一般不会出现故障，故障率较高的为LV25-P电压传感器。故障后可以直接进行更换。另一部分是传统AD620三运算放大器及外围电路故障。根据AD620的工作原理，出现过电压故障的原因可以分为两个方面：一是AD620三运算放大器自身故障引起误报过电压；二是放大器外部增益控制电阻RG阻值变化，导致误报过电压。正常情况下，更换相应元件可以恢复正常使用。

⑶体会

高压变频器功率单元的维修是一项低成本高效益的维修工作。购置相对廉价的电子元件进行现场维修，在能够现场解决设备故障的同时，每年可以节约数万元返厂维修费用。这项工作要求维修人员具备相应的电工电子理论知识和现场维修经验。在现场维修后应当进行通电试验。为了确保试验安全，应当先进行低电压导通试验，正常后再进行上机运行试验。