现今，节能降耗已成为我国的基本国策。煤矿企业既是产能大户,又是耗能大户,许多煤矿企业都非常重视高耗能用电设备的节能改造工作。铁煤集团大兴矿是1980年国家投资建设,于1990年11月份投产的中国东北最大的年设计、生产能力为300万吨的井工矿井。主要通风机房安设了全局排风能力最大的离心式扇风机，保证了矿井的安全生产。同时带来的问题是如何解决风量调节的问题，用风门调节风量风阻很大，存在着大量的能量浪费，能量浪费在50%以上。
　　为了在满足矿井的通风需要的同时,又能实现最大程度的节能,荣信电力电子有限公司对铁煤集团大兴矿井主通风机采用了高压变频改造,选用功率单元串联多电平高压变频器 ,实现主通风机的电能节约和风量无级调速。

一、大兴矿风机变频改造的必要性
　　铁煤集团大兴矿井主通风机采用同步电机，而交流同步电机的调速是电气驱动领域的一大难题。我国从20世纪70年代开始进行交流同步电机调速技术的研究，目前在国内煤炭业内，大功率变频装置成功应用于同步电机的实例还很少。难点在于与普通异步电机运行相比，同步电机在运行时，电枢电压矢量与转子磁极位置之间的夹角必须在某一范围之内，否则将导致系统失步，因此同步电机变频调速时必须时刻控制这一夹角在允许的范围内变动。由于同步电机与异步电机的不同，同步电机进行变频调速改造时对高压变频装置的要求也有些差别，具体要求如下：
　　（1）能够解决同步电机启动整步问题；
　　（2）能够解决同步电机调速过程中输出电压和励磁电流的协调控制；
　　（3）变频装置输出电压、电流谐波应尽可能小。
　　铁煤集团大兴矿井主通风机担负着该矿井下主通风任务，是至关重要的大型安全生产设备，需要长期、连续、可靠、安全的运行。风机现在采用的调节风量方式为调节风门开度方式，系统在正常运转情况下风门开度仅为60％左右，其风量约为额定的60％~70％。
　　现在系统存在的问题：
　　调节精度低、线性度差、实时性差；
　　采用风门调节，造成管路压力增加，造成大量电能浪费；
　　直接起动时，造成电网波动严重和机械冲击大，影响着系统的运行可靠性和寿命；
　　此通风机的电机转速无法自动调节，长期以额定转速运转，对轴承等部分造成较大磨损；
　　档板采用人工调节，实时性差，需停机进行，操作麻烦，费时费力。
　　鉴于上述问题的存在，对现有风机进行变频技术改造，采用完美无谐波大功率变频器实现主通风机同步电机无级调速技术方案。

二、高压变频调速装置设计
1、高压变频器系统原理及参数
　　该高压变频器将采用性能优良、技术成熟、安全可靠的完美无谐波功率单元串联多电平技术。由电网送来的三相6000V交流电经过隔离移相变压器变为15组690V分别供给15个功率单元，每相上的5个功率单元输出的单相SPWM波相叠加后，采用Y形连接，将形成线电压为6000V的高质量的正弦波输出供给高压同步电动机驱动风机。
　　主控柜和功率柜之间采用光纤隔离技术，防止了电磁干扰，做到了高压与低压的完全隔离，具有极高的安全性。功率单元采用交—直—交变频技术，单相输出，IGBT元件采用先进高效的热管散热技术，大大提高了的工作可靠性。

　　现场设备铭牌如下：
　　高压变频器铭牌：
　　额定容量 2000kVA
　　主变压器
　　类型 干式移相变压器
　　容量 2200KVA
　　变比 6KV/15*690V
　　输入电压 6000V+15%-30%
　　高压电网频率 45—55HZ
　　输出电压 0—6000V
　　输出频率 0—50HZ
　　调速范围 0—500r/min
　　输出电压谐波含量 < 4%
　　功率因数 96%
　　过载能力 120% （5分钟）
　　效率 96%
　　控制柜与功率单元的传输 光纤传输
　　冷却方式 超导热管强制冷却
　　工作环境温度 -20°C — +45°C
　　电机铭牌：
　　额定电压 6KV
　　额定功率 1600KW
　　额定电流 150A
　　额定转速 500r/m
　　功率因数 95%
　　励磁电流 180A
　　励磁电压 80V

2、主通风机高压变频改造系统设计
　　针对通风机目前的情况，现采用高压变频器一台，一拖一的工作方式，对主通风机同步电机实现无级调速控制方案。风机电机由高压变频器控制，原风门调节开度开到最大，风量的调整通过控制电机转速来实现，达到风量的实时精确调节。
采用高压变频无级调速技术方案后，风机电动机的转速可方便地从目前的额定转速向下调节，得到生产所需要的风量；
　　电机不用一直工作在额定转速，大大降低了系统机械的磨损，延长了设备的使用寿命；?
　　通过与控制中心通讯连接，可实现风机的自动调节；?
　　通过变频控制在风量满足条件下，还可取得可观的节能效果。电机实现真正软起动，起动电流控制在额定以下。

3、变频系统组成及各部件功能
　　整个变频系统由高压开关柜、移相变压器柜、变频柜和控制柜共4部分组成，其结构如下图所示：

三、通风机变频调速系统的经济效益
　　通风机变频控制节能分析：
　　风机属于平方转矩负载，风机的风量Q与转速n成正比，而风机的功率P与转速n的立方成正比。
　　风机风量 Q = K1n 风机风压 P = K2 n2 风机功率 P = K2 n3
　　根据现系统的状况，风门开度55％，考虑风门大小会有变动，计算分析取值风门开度60％，现实际运行电流100A,风机为连续工作制年工作时间计24小时×365天＝8760小时，上网电价0.45元／度：
　　改造前：每年耗电量为（电流为运行实际值）:
　　P = UI＝ ×6kV×146A×8700小时＝1517.2kW ×8700＝1320万度
　　年电费为：1320万度×0.45＝594万元
　　变频改造后：风机与电机轴直连，传动效率100％：
　　每年耗电量为（电流为运行实际值）:
　　P = UI＝ ×6kV×92A×8700小时＝956kW ×8700＝832万度
　　年电费为：832万度×0.45＝374万元
　　变频改造后，风机的年节电：594万元-374万元=220万元
　　使用变频控制后，还能节油、节水、节省维修费用。设备投入大约在二年左右可全部收回。
　　实践证明高压变频器的应用不仅节省了能源, 且改善了工艺，起动平稳, 可对电机及风机起到保护作用,提高生产效率，保障生产安全。

四、结论
　　同步电机的调速是电气驱动行业的一大难题，近年来应用高压变频调速一直是我国变频厂家研究的课题。而此次荣信电力电子有限公司高压变频器成功应用在大兴矿主扇风机同步电机上，其示范意义是不言而喻的。实际应用表明，高压变频器的应用于煤矿主扇风机的系统改造，必将取得良好的运行效果和经济效益。