通風機變頻調速系統設計

    本文首先對我國通風機發展的現狀和運行的特點作了一個整體的介紹，接著針對我國煤礦開采過程中存在的效率低，耗能高的問題，為使礦井生產更加安全、提高其經濟效益，提出了煤礦朱通風變頻調速系統的優化設計方案。最后對煤礦局部通風機模糊控制器變頻調速系統設計作了一個介紹。

　　礦井下的勞動條件需要借助通風機來改善，通風機同時也是保證礦井安全的一個重要設備，它在礦井開掘中應用地方比較多，且時間比較長，因而其耗能大小、安全可靠程度直接影響著礦井效益。有鑒于此，對通風機變頻調速系統進行設計技術改造，具有積極而長遠的意義，是礦山節能降耗的重要研究課題。

　　一 我國煤礦通風機發展現狀和運行的特點

　　通風機是礦井生產的關鍵設備之一，在使用中首先要考慮到可靠性，再才是經濟性，煤礦通風機負荷比較平穩，起動不算頻繁，借助母線供電和交流鼠籠電動機拖動的不調速電控系統，能夠使調節風門、風量最簡化，這種方式一個缺點是能耗大，但有諸多優點，比如設備簡單、安全性較強、投資少等等，基本上能適應礦井生產的需要。在煤礦通風機發展過程中，交流電動機不調速拖動系統逐漸取代了，各種交流調速拖動系統和復雜且昂貴的滯留調速拖動系統，不管是在技術還是在經濟上都取得了進步，現今，伴隨著半導體技術的發展，交流變頻調速系統日漸成熟，可靠性、靈活性、節能效果都得到大大提高，發展為煤礦通風機控制系統的首要選擇。

　　礦井工作人員在礦井設計階段就會選定通風機，礦井的通風量有多種因素決定，包括瓦斯涌出量，作業人數，巷道阻力等等，通風機的工況點由通風機全速特性曲線及阻力特性曲線的交點所決定，但在實際操作中，自然工況點和這個交點確定的工況點是有偏離的，分析原因有：實際礦井瓦斯涌出量與預測不總完全一致，網絡阻力特性曲線也是如此，它隨著采掘工作面的變動而發生變化，另外，像產量的增加或者減少，采煤方法的不同選擇，作業人員生產率變更都會影響到通風需求量，像節假日或者其它特殊的日子，井下作業人員和瓦斯涌出量都會變少，這時通風量也不需要那么多，會相應減少。

　　煤礦通風機的工作年限多為十幾年，更長也有十幾年的，一般考慮到安全，不管是通風機還是電動機的規格在設計時都會留一個余量，從而使之更加靈活地適應礦井通風網絡阻力的變化等等，因而，在實際運行中，通風機風量是必須根據具體的運行狀況實施調節。

　　二 設計要考慮的因素

　　煤礦開采中，通風機是必不可少的，它主要用于為井下提供新鮮的風流，稀釋并排除井下有害的氣體，同時幫助降溫。通風機變頻調速系統一直以來是人們研究的一個方向，它既能使礦井風量實現無級供給，又能實現自動化控制。

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　　1.就通風機啟動而言，加速曲線必須依據電氣參數來確定，這樣才能使起動效果最佳，與此同時，還要照顧到變頻器偶爾可能出現的故障，設置旁路工頻啟動方式。

　　2.就其運行過程而言，為了保證通風機設備正常運轉，應根據礦井下面所需要的風量和風壓大小去調整通風機葉片，使之處于最佳的位置角度，另外，還要按照主通風機慢速運行時的特性曲線和礦井通風網絡阻力特性曲線的交點來確定的最佳工況點和轉速，這些處理好后，最后一步就是調整好變頻器運行的頻率。

　　3.倒機。煤礦主通風機要進行定時的倒機，注重維護和保養，為了使倒機之前與之后的風量與風壓一樣，必須注意把兩臺竹通風機的各項參數調成相同的。

　　4.反風。反風演習是礦井生產工作中每年都要進行的，通過演習來保證當發生災害險情時，主通風機能夠快速反轉，以充實礦井下面的反風量，在設置變頻器的頻率時，負頻率設定的范圍大小需要被考慮進去，以往變動風門、風道是反風的主要方式，如今，用斷路器來切換序列是主要的反風方式，通過這種方式達成電動機反轉，方便工作人員通過人機交換界面調頻，先使主通風機減速直至零，接著到負頻率，這樣就可以保證反風的安全可靠性了，同時也減少了認為操作失誤的機會。

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　1.盡可能使用性價比比較高的變頻傳動系統。在使用異步電動機時，其中會有高次諧波成分，它能夠加大電動機的消耗，這樣就使其功率及效率降低，所以應注意選擇高次諧波風量很小變頻器，像東芝、三菱等品牌的，與此之外，系統漏風也要相應減小

　　2. 采用效能高消耗低的電動機。這個主要通過減小繞組銅損、鐵芯損耗來實現。

　　3. 不設置變壓環節。如果采用直供式的變頻調速系統就可以取消中間變壓環節，如此，盡可能多的就降低了電網污染量，高次諧波同時得到了抑制，而且無變壓環節后，電磁兼容性就變強了，不會干擾別的電子設備，最終使功率得到了提高。

　　4. 增強適應力。煤礦通風過程中很多因素都是不定的，變頻裝置要可以承受更高值和更低值，保證正常運轉，不管是電網失壓還是高壓電網出問題，變頻器都始終保持運行的狀態，從而使通風機連續工作。

三 煤礦通風機變頻調速系統設計原則

　?。ㄒ唬┳冾l和工頻能夠切換

　　通風機工作過程中，變頻調速系統會因所需風量而自動調到合適速度，以滿足礦井生產需求，然而不可避免的變頻器會出現一些故障，當出現問題的時候，只有切換到工頻的模式，才能使系統穩定可靠運行。

　?。ǘ┍ＷC供電穩定性

　　礦井通風機變頻調速系統供電的電源主要由兩大部分構成，一是動力供電，一是控制系統供電，前者主要從動力開關柜獲得，二者是從不一樣的母線段引來的，以次確保供電穩定性。

　?。ㄈ┻h程也可以監測控制

　　在人機操作界面，基本上可以實現整個礦區通風機變頻調速系統的運行控制，比如對參數進行修改，變速器工作的狀態，產生的故障等等，如果把變頻調速系統的Internet接口與遠程的工控機連接起來，也可以實現監測控制的功能。 　　四 主通風機變頻調速系統設計

　　把主通風按照所配置的電機來分類，可以分為兩種，一種是單電動機通風機，另一種是雙電動機通風機。

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　　礦井生產過程中多配置兩臺主通風機，一臺使用，一臺備用。單電動機通風機實際上只有一臺風葉，另外電動機也是單個的。

　　1. 無旁路系統。單電動機通風機變頻系統由三部分構成：電源柜、變頻器、電動機。如圖一所示，變頻器（F1，F2）的電量由電源柜（K1，K2）源源輸入，電源斷開，變頻器即停止運轉，變頻器是最關鍵部分，能夠使設備變速運行。它的工作原理簡單說來就是電源柜給變頻器提供電流，變頻器開始運行，從而帶動電動機（M1，M2）運轉。

　　2. 有旁路系統。與沒有旁路系統的通風機變頻調速系統對比而言，它主要多了兩個部件：變頻輸出柜、旁路柜，如圖二所示，同上理，變頻器（F1，F2）的電量由電源柜（K1，K4）源源不斷輸入，電源斷開，變頻器即停止運轉，變頻器仍是關鍵核心部件，由它拖動電動機運轉實現變頻調速，不同的是，變頻輸出柜（K3，K6）起著隔離變頻器輸出側的工頻電源的作用，不管是什么情況，它都能保證隔離工頻電源，非如此，就會致使變頻器損害毀壞，而旁路柜（K2，K5）呢，它主要是在變頻器有問題的時候，依靠工頻旁路來實現起動運轉，或者當出現變頻器在使用中突然出現故障的時候，自動切換到工頻模式，使系統穩定可靠運行，不中斷為礦井供風，工頻旁路實際上就是變頻調速的后備系統。它的工作原理是：當變頻器處于運行狀態，就要斷開旁路開關，電源柜給變頻器提供電流，變頻器開始運行，從而帶動電動機運轉。反之，變頻器斷開，變頻輸出柜也相應斷開，工頻旁路就開始運行，旁路柜可以通過實現切換變頻到工頻來繼續運行。這種設計一個鮮明的有點就是最大可能的保證了變頻調速系統的安全可靠。

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　　1. 無旁路系統。系統主部件是四個：電源柜、變頻器、變頻輸出柜、電動機。如圖三所示，變頻器（F1，F2）的電量由電源柜（K1，K4）源源輸入，電源斷開，變頻器即停止運轉，變頻器是最關鍵部分，一臺變頻器可以帶動一臺甚至兩臺電動機M1，M2或者M2，M4運轉，不同的部位的變頻輸出柜（K2，K3或者K5，K6），實現相對應的電動機一臺單獨運行或者兩臺同時運行控制，雙電動機通風機顧名思義就是每臺通風機都相應配置有兩臺電動機，依次類推，兩臺通風機就有四臺電動機。它的工作原理是：源柜給變頻器提供電流，變頻器開始運行，繼而帶動電動機單臺或者雙臺變速運轉，考慮到這一點，變頻器的功率設計應該是電動機功率之和，這種設計比較靈活。

　　2. 有旁路系統。與沒有旁路系統雙電動機通風機調頻變速系統相比較而言，它主要多了一個部件：旁路柜。如圖四所示，變頻器（F1，F2）的電量由電源柜（K1，K6）源源輸入，電源斷開，變頻器即停止運轉，變頻器仍是關鍵核心部件。一臺變頻器可以帶動一臺甚至兩臺電動機運轉，變頻輸出柜（K4，K5，K9，K10）起著隔離變頻器輸出側的工頻電源的作用，不管是什么情況，它都能保證隔離工頻電源，非如此，就會致使變頻器損害毀壞，旁路柜（K2，K3，K7，K8）主要是在變頻器有問題的時候，依靠工頻旁路來實現起動運轉，或者當出現變頻器在使用中突然出現故障的時候，自動切換到工頻模式，使系統穩定可靠運行，不中斷為礦井供風。它的工作原理是：當變頻器處于運行狀態，就要斷開旁路開關，電源柜給變頻器提供電流，變頻器開始運行，從而帶動電動機運轉。反之，變頻器斷開，變頻輸出柜也相應斷開，工頻旁路就開始運行，旁路柜可以通過實現切換變頻到工頻來繼續運行。此設計的優點在于在一臺使用一臺備用的變頻調速設備的基礎上添加了旁路功能，這樣既靈活又安全。

　　五 局部通風機模糊控制器變頻調速系統設計

　　煤礦掘進過程中所要求的通風量由巷道長度、風的阻力、瓦斯氣體的濃度等等因素來決定，這些因素都是不確定的，隨時會發生變化，考慮到這些，局部通風機多采用模糊控制方法來實現變頻調速，局部通風機的控制系統開始工作時，首先會比較實際檢測到的瓦斯濃度和先前的設定值，從而得到偏差及偏差變化率，繼而根據偏差計算模糊量，模糊控制器就依據這個模糊量，綜合其它規則，設定模糊量，再檢驗，最后精確輸入控制量，這就是輸入變量，輸出變量是掌控變頻器的調制比，模糊控制器變頻調速系統的工作步驟這樣的：在得到模糊值后，借助轉換器變化成模擬電壓傳遞到輸入口，由此控制變頻電源的輸出頻率，最終促使風機轉速，這樣就控制了煤礦通風量。

　　總而言之，隨著科技經濟的發展，各種機電設備的變頻調速日漸成熟，許多工業生產中都有應用，礦井下面的環境雖然要復雜、差一些，但是經過不斷的技術改造，煤礦通風機變頻調速系統設計在不斷優化，擬將為提高煤礦效益發揮更多能量。