1 引言
矿井通风机是地下矿山生产的主要用电设备之一，其节能运行在矿山节电中占有重要的地位。矿井通风机一般采用异步电机或同步电机拖动，恒速运转，一般容量大，电机供电电压高(6kv或10kv)。
矿山建设的特点是:巷道逐年加深，产量逐年增加，所需的通风量逐年上升。但矿井通风机在设计选型时，往往是按最大开采量时所需的风量为依据的，一般都留有余量，因此矿井在投产后几年甚至十几年内，矿井通风机都是处在低负载下运行。此外，矿山作业不均衡，一般夜班工作人员少，所需风量也小，在节假日时，可能只有排水泵房等固定的井下场所的值班人员工作。尽管井下人员少，但也得照常向井下送去新鲜空气。
矿井通风机一般不采取调节风量，若要调节风量时，传统的方法是调节档板。这种办法虽然简单，但从节能的观点看，是很不经济的。图1所示为几种调节风量方法的节电比较。

图1中: 1—挡板法;
2—前导器法;
3—液力耦合器;
4—绕线电动机切换转子电阻调速法;
5—变频调速法。
我院于1995年和凡口铅锌矿等单位合作，以老南风井的6kv，800kw同步电机传动的矿井通风机为对象，开始研制同步电机直接高压变频器。1997年8月投入运行，并于1998年4月28日通过了中国有色金属工业总公司的技术鉴定，获得了部级科技进步二等奖。这是国内第一台同步电机直接高压变频器，节电效果十分显著。
由于该矿深部开采的需要，新南风井的矿井通风机全套进口，采用高压异步电机传动。高压变频器采用siemens公司的simovert mv型三电平高压变频器。于2002年9月投入运行，节电效果也是十分显著的。我院作为合作方，参与了立项论证、设备引进、安装调试等工作。现仅就新南风井高压变频器的调试的有关问题介绍如下。

2 新南风井的高压变频器简介
新南风井高压变频器采用siemens公司生产的三电平高压变频器。新南风井矿井通风采用woods air movement公司的woods轴流式风机，电机为morley电气工程有限公司的d500/1000im82型感应电机，电机额定功率:880kw，额定电压;6kv 50hz，变频器采用siemens公司的simovert mv系列的三电平高压变频器。siemens公司提供的这种三电平高压变频器的系统框图如图2所示。

由图2可见，6kv高压电源经三绕组降压变压器降压，2组二次侧接法为△、y绕组的电压各为1.2kv，经各自的6脉冲整流桥整流成直流，直流电压为3240v(正负电压各为1620v)经三电平逆变器变频变压，可输出频率可变的0~2300v的三相交流电压;经滤波器滤波后，再经升压变压器升压至6kv，供给6kv高压电动机调速。
新南风井高压变频器原订为直接高压变频器，但由图2可见，这实质上是一台高－低－高式高压变频器，因为它不仅有降压变压器，而且也有升压变压器。我们对三电平直接高压变频器及新南风井的这种高－低－高式高压变频器进行了计算机仿真，其结果表明，尽管它是高－低－高式高压变频器，但并不影响它在生产中的应用，实际运行也证明了这个结论是正确的。

3 三电平高压变频器原理简介
三电平高压变频器又称为“中性点箝位式”高压变频器，这是近几年才开发出的一种高压变频器，它除具有spwm变频器的各项优点外，还具有下列特点:
(1) 能有效地解决电力电子器件耐压不高的问题，它的每个主管承受的关断电压仅为直流环节电压的一半;
(2) 变频器输出的多级电压阶梯波减少了dv/dt对电机绝缘的冲击，对普通三相电机来说，做一些绝缘的加固处理即可;
(3) dv/dt的减少对变压器绕组、电力电缆和其他电力设备的影响都有好处;
(4) 三电平变频器的拓朴结构的单桥能输出三电平(+1/2vd，0，-1/2vd)的线(相)电压，有更多的阶梯使之接近于正弦波，使输出波形的失真度减小，谐波减少;
(5) 由于三电平拓朴结构能产生33=27种空间电压矢量，较普通的二电平空间电压矢量(23=8)大大增加，矢量的增加带来了谐波消除的自由度，这就有可能获得很好的输出波形;
(6) 功率元件的导通和关断是由箝位二极管来保证的，这使得系统结构相对复杂，而且扩展能力有限。
三电平高压变频器的原理如图3所示。

由图3可见:高压电源经三绕组变压器供电给两组6脉冲整流桥;三绕组变压器二次侧绕组的按法为△和y形，两者互差30°电角度。其目的，一是为了整流桥供电的需要，二是为了减少谐波对电网的干扰，它可以消除5次7次等对电网影响最大的谐波。两组整流桥为串联联接，中间抽头，以获得0电位。直流滤波环节由两组电容量完全相等的电容器组c1和c2构成，它们分别接于p(正)和c(0)以及c(0)和n(负)之间，逆变桥由三个相单元组成，每个相单元有4个功率连接点:其中三个连接到直流环节的p(正电位)c(0电位)和n(负电位)点上，另一个连接点为逆变器的交流输出点。
图3中，v1~v4代表一相中的4个功率开关元件(igbt)，vw1~vw4为反并联续流二极管，这些二极管的耐压等级与igbt相同，通过控制v1~v4的导通和关断，在该桥臂上的交流输出点＋1/2ud，0，-1/2ud三种不同的电压。
4 高压变频调速系统调试前的检查与试验
4.1 对电机的试验
(1) 调试前对电机的检查和应采取的措施
l 为电机启动做准备所需采取的措施
在启动前需要测量绕组的绝缘电阻，如果偏低，则必须按照安装说明中的叙述通过烘干绕组来校正它。在电机第一次启动时，需让它们运行一段时间以便把多余的润滑油挤出。然后往轴承中加入更多的润滑油，它将再次被挤出，然后再一次的重复上述操作，直到确定大部分的老的润滑油被挤出。
在试车后，需有规律的对它进行维护和添加电机铭牌上标示的润滑油。试车前测量绝缘电阻。
l 干燥
在电机就位后，需尽可能的保持电机绕组的干净和干燥。如果装有抗凝露加热器，需把它的电源接通，并且即使在电机因调试而未操作期间或检查期间，都必须把它接通。也可安装一个临时的加热器。
(2) 测量绝缘电阻
在试车前或维护后，应用高阻表测量绕组的绝缘电阻。绕组表面必须清洁、干燥和未被潮气、油、炭化沉积物、灰尘或其它的外部物质污染。
在测量绕组绝缘电阻时，需断开同外部的联系。通常要确保电机外壳已充分接地。需测量每个匝间和相地间的绝缘电阻，一个相地间的绝缘电阻大约是整个绕组(3相绕组)的两倍，因此把得到的每相的绝缘电阻值除以2所得出的值，把它经过温差校正后与安装维护说明书上提供的绝缘电阻的最小值进行比较。每次测量需持续1min，选择该分钟最后的读数为有效读数。
若绝缘电阻值低于建议最小值，则附加的绝缘电阻读数可参照应用测试10min所得到的极化系数值，如果需要极化系数值,则测试设备需能够提供10min的稳定电压。
(3) 安全防范措施
绕组和部件在加载测试电压前后都必须立即接地。把所有残留电荷耗散掉。测量一个清洁干燥的绕组的绝缘电阻期间，测量电压达到一个稳定的值，阻值一般会加大。在测试10min的绝缘电阻与1min缘阻值的比值r10mins/r1min叫做‘级化系数’。绕组越清洁干燥，极化系数越大。
温度对极化系数的影响可以忽略不计。一个新的、清洁的、干燥的绕组的极化系数必须大于1.5，如果小于这个数，则建议烘干绕组。
(4) 排除绕组绝缘层的湿气
在烘干绕组时，温升需控制在大约10℃/h，以免损坏绕组的绝缘层。在烘干过程中必须保持绕组周围空气流通。通风口必须允许低速持续的空气交流。在烘干的过程中，每隔1h检测一次绕组的1min和10min的绝缘电阻。
在烘干过程中绝缘电阻的读数的变化趋势对照同类项机械的典型特性。在用加热器时，开始绝缘阻值会减小，但过了一段时间后又会再加大。在绝缘电阻值开始增加时需继续进行烘干，一直到绝缘电阻值大于建议值或直到极化系数大于1.5。
(5) 烘干绕组的方法
空间加热器:热量可分布整个电机绕组端和回路。应避免加热器与绕组的任何一部分接触。
固定转子，直流加热:所有绕组串联，用任何适合的电源供给直流电通过定子导线，例如:发电机组或整流设备。电流必须限定在满载额定电流的一定的比例内，且适用于烘干操作。morley电气工程有限公司选择合适的电流可提供指导。
4.2 对高压变频器的检查与实验
(1) 检查内容
l 检查厂方提供的资料是否齐全(包括图纸，出厂测试及产品合格证书、设备安装说明书等);
l 根据厂方提供的资料仔细检查设备零件、组件是否齐全和完整;
l 工频交流耐压试验。
实验方法:按我国高压设备试验规程规定，对6kv的高压设备应做耐压试验，试验电压为交流15kv,时间为1min，不击穿。此实验在矿水电车间进行。在进行变频器耐压实验时，必须将控制电路断开，主电路部件(igbt组件等)用1~2.5mm2的铜导线短路;
绝缘电阻及吸收比测量:绝缘电阻应大于出厂值的70%，吸收比应小于1.2。
测量工具:2500v兆欧表。
4.3 对高压开关柜的检查
(1) 检查高压柜内元件及设备是否正常;
(2) 检查各高压柜操作机构是否灵活可靠;
(3) 检查高压柜内部接线是否正确可靠，端子板上的接线是否与原理图相符合;
(4) 检查与高压变频调速系统的连线是否正确。

5 调试
5.1 外部设备调试
(1) 高压真空接触器调试
从现场引入的三相四线电源，供给真空接触器的操作及主电路电源。对真空接触器进行合闸、分闸操作、合闸分闸的次数不少于20次。
(2) 过流继电器的整定
按变压器额定电流的1.5倍整定，即过电流动值:
is=1.5ie
其中:is—过电流继电器过电流动作值;
ie—变压器额定电流。
5.2 变频器调试
变频器调试以变频器随设备所带的说明书为基础，按下面步骤进行;
仔细检查变频器柜间接线及接线是否正确，可靠。
控制系统通电试验:
控制系统通电，测量控制供电电源是否正常(包括380v、220v、直流±24v、±10v等是否正常)。
检查变频器散热风机运行是否正确，有无反转现象。
按变频器菜单检查并调整控制参数。
变频器主回路通电调试:
接通高压电源，合上高压真空接触器，给变频器主回路供电，测量y、△变压器输入端及输出端电压。降压变压器输入电压6000v，二次绕组(y、△)输出端电压应为1200v，并检查幅值与相位是否正确。
测量直流回路电压:
由正端至零端，直流电压应为1620v。
由零端至负端，直流电压亦应为1620v。
两者误差不应大于2%。
测量逆变器输出端电压，应为2300v。
测量输出变压器输出端电压，应为6000v。
检查变频器有无异常现象。
检查相关的测量信号是否正确。
空载调试与试运行:
脱开电机与风机轴间的靠背轮。修改变频器参数，使之与本台电机相匹配。起动变频器，使之在预定时间内升速至30hz，观察电机运行是否正确，有无反转现象，系统及变频器的输入、输出电压、电流是否在规定值以内，变压器运行是否正常，有无异常的噪声、振动，如有异常，则作停机处理。然后进行下述步骤:
对电流补偿器作预调整。
对变频器运行于30hz时的系统各项指标进行测量。
改变变频器的转速给定值，分别对电机运行于35hz、40hz、45hz、50hz的系统各项参数进行测量和记录。
在上述频率下，各运行时间不少于10min。
带负载调试:
以变频器频率为10hz起动变频器，并逐步升高至35hz。
观察变压器、变频器、电机、风机运行是否正常，如不正常则停机，按变频器显示的故障信息代码(见表1～5)查找故障源，并排除之。
测量变压器、变频器输入输出电压、电流及电机电压、电流并作记录。
测量变压器、电机的温升是否在允许范围内，如不正常，则停机检查原因。
将变频器稳定运行于35hz、40hz、45hz、50hz，并记录相关数据。

6 调试中遇到问题时的解决办法
在调试过程中，有可能会遇到各种问题，在此时，应特别注意。要区别问题的性质、产生的原因及解决的办法。表1~表5列举了主要的各种可能发生的故障示值、故障性质、及解决办法，供调试中参考。

7 结束语
高压变频器的调试是高压变频器应用中技术要求高的十分重要的工作，本文所介绍的调试要点及可能发生的故障并不是调试中都会出现，这只是作为一般的调试指导意见。而在调试过程中可能还会碰到事先没有考虑到的问题，特别是调试中的干扰问题，有时是事先难以予料的。例如在凡口铅锌矿新南风井高压变频器系统调试中就出现了这样的问题，高压变频器一合闸，高压柜主断路器就跳闸，经反复查找原因，还是干扰造成的，后用一台ups直接给变频器控制电路供电，解决了这个问题。
高压变频器投入运行后，运行情况正常，节能效果显著，达到了原计划的节电目标。