基于变频调速控制的矿井主通风机在线监测系统应用.pdf

基于变频调速控制的 矿井主通风机在线监测系 统应用 魏立国 t 1 ． 太原理工大学 采矿工程学院， 山西 太原 0 3 0 0 0 0； 2 ． 大同煤矿集团 大同地方煤炭有限责任公司， 山西 大同 0 3 7 0 0 0 摘要 在煤矿开采作业系统中 ， 矿井主通风机是四大固定设备之一 ， 是调整井下工作现场条件的重要环节。矿井主 通风机的安全、 稳定运行是矿井通风、 排粉尘、 排污浊气流、 输送新鲜空气的重要保障。因此 ， 矿井主通风机的运行状况至 关重要。 本文基于 P L C技术对变频调速控制的主通风机运行的在线监控系统进行研究设计 ， 进而提高矿井通风的安全性及节 能减排效果。 关键词 矿井主通风机 ； 变频调速控制 ； P L C ； 在线监测 中图分类号 F 4 0 6 ． 3 ； T D 7 2 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 8 0 1 5 5 2 0 1 6 l 2 0 1 3 2 0 2 1 通风机性能参数计算 在矿井通风系统中， 按照服务范围的不同可 将通风机分为局部通风机、 辅助通风机与主通风 机三种 ， 其中主通风机是通风系统的“ 肺脏”， 是保 障矿井安全生产的基本保障。 在煤矿日常生产作业中， 主通风机通常需要 昼夜运转， 一旦运转中断将会对煤矿生产作业带 来极大的影 响。因此 ， 必须对 矿井主通风机 的运 转进行在线监控。 此外， 出于节能减排 以及 日常生产作业 的实 际需要 ， 主通风机 的运转 工作量也需要随采掘 作 业的进行而进行相应的调整。因此， 有必要引入 变频调速控制系统。 矿井主通风机的在线监控是通过其主要参数 变化曲线来实现 的， 所 涉及的参数主要 包括风 机 转速 n 、 叶轮直径 D、 风机风量 、 全压和功率等 。以 主通风机主要参数构建函数曲线， 并进行无量纲 化转换 ， 构建风量与功率 的函数 ， 通过函数 曲线变 化来完成参数在线监控。 2变频技术在矿井主通风机上的应用 2 ． 1变频器及变频调速的基本原理 矿井通风系统中主通风机变频器是把工频电 源变换成各种频率的交流电， 以实现电机的变速 运行 ， 使用最多的模式是“ 交 一直 一交” 变频器 ， 由 控制电路与主 电路 构成 ， 其 中主 电路又 包括整流 器、 中间直流环节、 逆变器。在矿井主通风机变频 器的选择中， 应注意变频器选择的目的、 负载类型 等， 以及结合通风电机运行情况确定变频器容量、 变速比等。 在工业生产中， 交流异步电机的应用最为广 泛 ， 在矿井主通风机中广泛应用， 但其自身调速并 不方便。因此， 引入了变频调速技术， 其原理是根 据电机转速 与工作 电源输 入频率成正比关 系， 通 过改变电机工作 电源频率来调整 电机转速 ， 函数 表达式为 6 0 J】 6 0 W1 l 一 式中 ／Z 表示异步电机的同步转速； 表示定子电源频率； W 表示角频率； P表示异步电机的磁极对数。 由公式可知， 电源频率 变动就会带来转速 n的变动 ， 二者之 间成正比例 函数关系 ， 因此通过 改变电源频率即可实现主通风机的变频调速和智 能监测。 2 ． 2变频调速基本控制方式 对矿井主通风机实现变频调速和参数监测的 方式通常有以下三种 一是恒磁通调压调频调速， 二是恒功率调速， 三是转差频率调速。恒磁通调 压调频调速利用了异步电机的磁通 与 T 电磁 TI 转 矩 成 正 比 的 函 数 关 系 ， 即 1 ， ．g T KI 1 C I c o s b 。由函数可知， 磁通与电磁转矩之间成 正比函数关系 ， 且电源频率降低会引发电压降低 ， 磁通保持不变 ； 在恒功率调速中 ， 电机功率 PT W W表示电机转动角速度 ， 当电源达到电机额定 电压后继续增加电源频率， 则会导致定子磁通与 电磁转矩变小， 进而加大了电机实际转速， 实现了 功率不变下的变频调速； 如果将转差角频率 W 进 行调节来实现电机转速调整， 这种方式被称为转 差频率调速 。 收稿日期 2 0 1 6 0 51 8 作者简介 魏立国 1 9 7 2一 ， 男， 山西怀仁人， 本科学历， 现为同煤集团地煤公司物资分公司负责人。 1 3 2 2 ． 3变频调 速 节能原 理 在煤矿生产作业中， 矿井主通风机系统引入 变频器的最主要目的是实现节能减排， 其原理是 通过精确变频调速来控制电机转速及工作状态， 最终使电机在符合实际工作需求的情况下以最节 n I J 能的方式运行。由流体力学可知 ， 轴功率 P ， Il 其中 Q表示流量 ， H表示风 压力 ， n表示转速 ， 当 转速 n发生变化时， 轴功率 P发生变化， 二者之间 成正比， 即其他条件不变的情况下， 转速直接影响 轴功率， 转速越低轴功率越小， 相应的变频调速后 的电机功率消耗大大减少 ， 进而减少了电能消耗 ， 节约了成本。 此外 ， 变频调速 后的风压力减小还会对 管 网 和设备的危害进一步降低。在实际的生产作业 中， 经过变频调速的主通风机运行功率和能耗显 著降低 ， 取得了明显的节能减排效果。 3主通风机在线监测系统方案确定 3 ． 1选 用 变频 调速 的 目的 在煤矿开采作业中， 为了满足不同采区与工 作面的实际情况， 需要考虑矿井主通风机的运行 状况， 并配备 P L C变频调速和在线检测系统， 这样 既能保障矿井生产作业的正常进行， 又能实现节 能减排的 目的。 首先， 煤矿生产环境十分复杂， 在不同的时段 及环境下对矿井通风量需求会发生针对性的变 化 ， 这就要求主通风机随时结合实 际生产需求对 风量进行调整。在调整通风量的方式方法中， 传 统节流调节并不适用， 而转速调节才是最适合煤 矿生产要求的方式。转速调节往往是通过变频调 速来实现的， 而且变频调速能够使通风机达到无 级调节， 因此变频调速最合适。 其次， 变频调速能够改善风机启动性能， 这是 因为矿用通风设备 多采 用轴 流式通风机 ， 这种通 风机的启动是高负载启动 ， 需要耗费较大的能量 ， 而选用变频调速能够使其从零开始实现软启动， 大大降低了能耗， 而且也提升了风机启动性能。 再次， 选用变频调速可以提高风机运行的可 靠性 ， 能够改用普通交流异步电动机， 进而提升风 机可靠性， 减少维护工作量。 3 ． 2选用在线监测 系统的 目的 煤矿生产作业 的环境十分复 杂 ， 矿井主通风 机的运转无法实现全时段人工检 测 ， 人工监 测难 度较大 ， 而且不够精确 ， 这就需要引入 智能在线监 测系统来实现对主通风机的全时段监测， 以确保 风机时刻保持稳定、 可靠的运行状态。 在本矿 日常生产中 ， 由于矿井存在瓦斯风险 ， 这就需要主通风机稳定可靠的运转而采取实时在 线监测系统， 进而随时能够掌握通风机各种运行 参数的情况和矿井通风网络的工况。 3 ． 3系统 改造 内容 矿井主通风机在线监控系统的改造需要结合 矿井实际工况条件进行， 变频器及在线监控设备 的选型需要经过矿井主要通风参数的计算， 之后 再进行安装、 调试、 试运行和风机性能技术测定。 结合本矿实际情况之后， 基于变频调速的矿井主 通风机在线监控 系统主要实现风机 启动／ 停止控 制， 以及实验风门打开／ 关闭控制， 本 远程控 制， 加热器的启动／ 停止控制， 风机的喘振及故障 报警等。 在线监测系统的采集模块主要采集风机静 压、 风机全压、 风机 x轴震动、 风机 Y轴震动、 风机 风简温度、 电流、 风量、 风速等参数。在线监测系 统在采集和监测主通风机主要运行参数之后， 结 合参数变化情况对主通风机实现 P L C控制， 其主 程序流程如下 主程序开始一调用初始化程序 读写数据一调用主通风机控制程序一调用模拟量 采集处理程序_ 调用故障报警程序 调用跳闸程 序_ 主程序结束。 在线监测系统的上位机采用 M C G S监控系 统， 包括主控窗口、 设备窗口、 用户窗口、 实时数据 库、 运行策略等几个模块组成。主控窗口包括系 统菜单、 系统参数、 启动参数， 用户窗口包括图元、 图符、 动画构件、 实时数据库包括数据对象、 报警 处理、 存盘处理， 运行策略模块包括启动策略、 循 环策略、 推出策略、 自定义策略。 4方案改造后的经济及社会效益 矿井主通风机在线监测项 目改造完成之后， 通过实际运行和技术性能测试， 与原通风系统相 比， 在多产出2 0 0 m ／ m i n的风量下， 风机输入功率 降低2 6 k W， 大大降低了能耗， 为煤矿企业降低了 生产成本。 采用变频技术之后大大降低了耗电量， 节约 了电费。此外， 在线监控系统投入使用还大大降 低生产安排隐患， 改善了生产作业环境， 避免了因 风量原因导致的瓦斯事故， 具有较高的社会效益。 参 考文献 [ 1 ] 姚景峰． 基于 P L C与变频器的矿井通风机集控系 统设计[ D] ． 太原理工大学， 2 0 1 3 ． [ 2 ] 李文碧． 矿井主通风机变频调速控制及在线检测 系统的应用[ J ] ． 河北煤炭 ， 2 0 0 8 ， 1 2 ． [ 3 ] 李祁琪． 矿井主通风用电动机绝缘在线监测系统 的研究[ D] ． 太原理工大学， 2 0 1 5 ． 责任编辑 焦蓬华 J 1 3 3