通风机变频调速系统设计

    本文首先对我国通风机发展的现状和运行的特点作了一个整体的介绍，接着针对我国煤矿开采过程中存在的效率低，耗能高的问题，为使矿井生产更加安全、提高其经济效益，提出了煤矿朱通风变频调速系统的优化设计方案。最后对煤矿局部通风机模糊控制器变频调速系统设计作了一个介绍。

　　矿井下的劳动条件需要借助通风机来改善，通风机同时也是保证矿井安全的一个重要设备，它在矿井开掘中应用地方比较多，且时间比较长，因而其耗能大小、安全可靠程度直接影响着矿井效益。有鉴于此，对通风机变频调速系统进行设计技术改造，具有积极而长远的意义，是矿山节能降耗的重要研究课题。

　　一 我国煤矿通风机发展现状和运行的特点

　　通风机是矿井生产的关键设备之一，在使用中首先要考虑到可靠性，再才是经济性，煤矿通风机负荷比较平稳，起动不算频繁，借助母线供电和交流鼠笼电动机拖动的不调速电控系统，能够使调节风门、风量最简化，这种方式一个缺点是能耗大，但有诸多优点，比如设备简单、安全性较强、投资少等等，基本上能适应矿井生产的需要。在煤矿通风机发展过程中，交流电动机不调速拖动系统逐渐取代了，各种交流调速拖动系统和复杂且昂贵的滞留调速拖动系统，不管是在技术还是在经济上都取得了进步，现今，伴随着半导体技术的发展，交流变频调速系统日渐成熟，可靠性、灵活性、节能效果都得到大大提高，发展为煤矿通风机控制系统的首要选择。

　　矿井工作人员在矿井设计阶段就会选定通风机，矿井的通风量有多种因素决定，包括瓦斯涌出量，作业人数，巷道阻力等等，通风机的工况点由通风机全速特性曲线及阻力特性曲线的交点所决定，但在实际操作中，自然工况点和这个交点确定的工况点是有偏离的，分析原因有：实际矿井瓦斯涌出量与预测不总完全一致，网络阻力特性曲线也是如此，它随着采掘工作面的变动而发生变化，另外，像产量的增加或者减少，采煤方法的不同选择，作业人员生产率变更都会影响到通风需求量，像节假日或者其它特殊的日子，井下作业人员和瓦斯涌出量都会变少，这时通风量也不需要那么多，会相应减少。

　　煤矿通风机的工作年限多为十几年，更长也有十几年的，一般考虑到安全，不管是通风机还是电动机的规格在设计时都会留一个余量，从而使之更加灵活地适应矿井通风网络阻力的变化等等，因而，在实际运行中，通风机风量是必须根据具体的运行状况实施调节。

　　二 设计要考虑的因素

　　煤矿开采中，通风机是必不可少的，它主要用于为井下提供新鲜的风流，稀释并排除井下有害的气体，同时帮助降温。通风机变频调速系统一直以来是人们研究的一个方向，它既能使矿井风量实现无级供给，又能实现自动化控制。

　　（一）可靠安全

　　1.就通风机启动而言，加速曲线必须依据电气参数来确定，这样才能使起动效果最佳，与此同时，还要照顾到变频器偶尔可能出现的故障，设置旁路工频启动方式。

　　2.就其运行过程而言，为了保证通风机设备正常运转，应根据矿井下面所需要的风量和风压大小去调整通风机叶片，使之处于最佳的位置角度，另外，还要按照主通风机慢速运行时的特性曲线和矿井通风网络阻力特性曲线的交点来确定的最佳工况点和转速，这些处理好后，最后一步就是调整好变频器运行的频率。

　　3.倒机。煤矿主通风机要进行定时的倒机，注重维护和保养，为了使倒机之前与之后的风量与风压一样，必须注意把两台竹通风机的各项参数调成相同的。

　　4.反风。反风演习是矿井生产工作中每年都要进行的，通过演习来保证当发生灾害险情时，主通风机能够快速反转，以充实矿井下面的反风量，在设置变频器的频率时，负频率设定的范围大小需要被考虑进去，以往变动风门、风道是反风的主要方式，如今，用断路器来切换序列是主要的反风方式，通过这种方式达成电动机反转，方便工作人员通过人机交换界面调频，先使主通风机减速直至零，接着到负频率，这样就可以保证反风的安全可靠性了，同时也减少了认为操作失误的机会。

　　（二）节能

　1.尽可能使用性价比比较高的变频传动系统。在使用异步电动机时，其中会有高次谐波成分，它能够加大电动机的消耗，这样就使其功率及效率降低，所以应注意选择高次谐波风量很小变频器，像东芝、三菱等品牌的，与此之外，系统漏风也要相应减小

　　2. 采用效能高消耗低的电动机。这个主要通过减小绕组铜损、铁芯损耗来实现。

　　3. 不设置变压环节。如果采用直供式的变频调速系统就可以取消中间变压环节，如此，尽可能多的就降低了电网污染量，高次谐波同时得到了抑制，而且无变压环节后，电磁兼容性就变强了，不会干扰别的电子设备，最终使功率得到了提高。

　　4. 增强适应力。煤矿通风过程中很多因素都是不定的，变频装置要可以承受更高值和更低值，保证正常运转，不管是电网失压还是高压电网出问题，变频器都始终保持运行的状态，从而使通风机连续工作。

三 煤矿通风机变频调速系统设计原则

　　（一）变频和工频能够切换

　　通风机工作过程中，变频调速系统会因所需风量而自动调到合适速度，以满足矿井生产需求，然而不可避免的变频器会出现一些故障，当出现问题的时候，只有切换到工频的模式，才能使系统稳定可靠运行。

　　（二）保证供电稳定性

　　矿井通风机变频调速系统供电的电源主要由两大部分构成，一是动力供电，一是控制系统供电，前者主要从动力开关柜获得，二者是从不一样的母线段引来的，以次确保供电稳定性。

　　（三）远程也可以监测控制

　　在人机操作界面，基本上可以实现整个矿区通风机变频调速系统的运行控制，比如对参数进行修改，变速器工作的状态，产生的故障等等，如果把变频调速系统的Internet接口与远程的工控机连接起来，也可以实现监测控制的功能。 　　四 主通风机变频调速系统设计

　　把主通风按照所配置的电机来分类，可以分为两种，一种是单电动机通风机，另一种是双电动机通风机。

　　（一）单电动机通风机

　　矿井生产过程中多配置两台主通风机，一台使用，一台备用。单电动机通风机实际上只有一台风叶，另外电动机也是单个的。

　　1. 无旁路系统。单电动机通风机变频系统由三部分构成：电源柜、变频器、电动机。如图一所示，变频器（F1，F2）的电量由电源柜（K1，K2）源源输入，电源断开，变频器即停止运转，变频器是最关键部分，能够使设备变速运行。它的工作原理简单说来就是电源柜给变频器提供电流，变频器开始运行，从而带动电动机（M1，M2）运转。

　　2. 有旁路系统。与没有旁路系统的通风机变频调速系统对比而言，它主要多了两个部件：变频输出柜、旁路柜，如图二所示，同上理，变频器（F1，F2）的电量由电源柜（K1，K4）源源不断输入，电源断开，变频器即停止运转，变频器仍是关键核心部件，由它拖动电动机运转实现变频调速，不同的是，变频输出柜（K3，K6）起着隔离变频器输出侧的工频电源的作用，不管是什么情况，它都能保证隔离工频电源，非如此，就会致使变频器损害毁坏，而旁路柜（K2，K5）呢，它主要是在变频器有问题的时候，依靠工频旁路来实现起动运转，或者当出现变频器在使用中突然出现故障的时候，自动切换到工频模式，使系统稳定可靠运行，不中断为矿井供风，工频旁路实际上就是变频调速的后备系统。它的工作原理是：当变频器处于运行状态，就要断开旁路开关，电源柜给变频器提供电流，变频器开始运行，从而带动电动机运转。反之，变频器断开，变频输出柜也相应断开，工频旁路就开始运行，旁路柜可以通过实现切换变频到工频来继续运行。这种设计一个鲜明的有点就是最大可能的保证了变频调速系统的安全可靠。

　　（二）双电动机通风机

　　1. 无旁路系统。系统主部件是四个：电源柜、变频器、变频输出柜、电动机。如图三所示，变频器（F1，F2）的电量由电源柜（K1，K4）源源输入，电源断开，变频器即停止运转，变频器是最关键部分，一台变频器可以带动一台甚至两台电动机M1，M2或者M2，M4运转，不同的部位的变频输出柜（K2，K3或者K5，K6），实现相对应的电动机一台单独运行或者两台同时运行控制，双电动机通风机顾名思义就是每台通风机都相应配置有两台电动机，依次类推，两台通风机就有四台电动机。它的工作原理是：源柜给变频器提供电流，变频器开始运行，继而带动电动机单台或者双台变速运转，考虑到这一点，变频器的功率设计应该是电动机功率之和，这种设计比较灵活。

　　2. 有旁路系统。与没有旁路系统双电动机通风机调频变速系统相比较而言，它主要多了一个部件：旁路柜。如图四所示，变频器（F1，F2）的电量由电源柜（K1，K6）源源输入，电源断开，变频器即停止运转，变频器仍是关键核心部件。一台变频器可以带动一台甚至两台电动机运转，变频输出柜（K4，K5，K9，K10）起着隔离变频器输出侧的工频电源的作用，不管是什么情况，它都能保证隔离工频电源，非如此，就会致使变频器损害毁坏，旁路柜（K2，K3，K7，K8）主要是在变频器有问题的时候，依靠工频旁路来实现起动运转，或者当出现变频器在使用中突然出现故障的时候，自动切换到工频模式，使系统稳定可靠运行，不中断为矿井供风。它的工作原理是：当变频器处于运行状态，就要断开旁路开关，电源柜给变频器提供电流，变频器开始运行，从而带动电动机运转。反之，变频器断开，变频输出柜也相应断开，工频旁路就开始运行，旁路柜可以通过实现切换变频到工频来继续运行。此设计的优点在于在一台使用一台备用的变频调速设备的基础上添加了旁路功能，这样既灵活又安全。

　　五 局部通风机模糊控制器变频调速系统设计

　　煤矿掘进过程中所要求的通风量由巷道长度、风的阻力、瓦斯气体的浓度等等因素来决定，这些因素都是不确定的，随时会发生变化，考虑到这些，局部通风机多采用模糊控制方法来实现变频调速，局部通风机的控制系统开始工作时，首先会比较实际检测到的瓦斯浓度和先前的设定值，从而得到偏差及偏差变化率，继而根据偏差计算模糊量，模糊控制器就依据这个模糊量，综合其它规则，设定模糊量，再检验，最后精确输入控制量，这就是输入变量，输出变量是掌控变频器的调制比，模糊控制器变频调速系统的工作步骤这样的：在得到模糊值后，借助转换器变化成模拟电压传递到输入口，由此控制变频电源的输出频率，最终促使风机转速，这样就控制了煤矿通风量。

　　总而言之，随着科技经济的发展，各种机电设备的变频调速日渐成熟，许多工业生产中都有应用，矿井下面的环境虽然要复杂、差一些，但是经过不断的技术改造，煤矿通风机变频调速系统设计在不断优化，拟将为提高煤矿效益发挥更多能量。