变频-旁路工频控制技术在主通风机上的应用.pdf

doi 10. 11799/ ce202011028 收稿日期 2020-07-31 作者简介 白全林1982, 男, 陕西澄城人, 硕士研究生, 高级工程师, 国家注册电气工程师, 研究方向为机电设备 智能检测与控制, 主要从事供配电技术、 智慧矿山建设和机电管理工作, E-mail 283570258 qq. com。 引用格式 白全林. 变频-旁路工频控制技术在主通风机上的应用 [J]. 煤炭工程, 2020, 5211 144-148. 变频-旁路工频控制技术在主通风机上的应用 白全林1,2,3 1. 西安电子科技大学, 陕西 西安 710071; 2. 西安科技大学 智能检测与控制研究所, 陕西 西安 710054; 3. 陕西陕煤澄合矿业有限公司, 陕西 澄城 715200 摘 要 风量调节方式作为煤矿主通风机安全高效、 节能环保运行的关键因素之一, 在煤矿的 安全、 经济运行中起着举足轻重的作用。 文章分析对比了采用不同调节风量控制方法的节能方案, 提出了采用变频调速控制技术的节能方案, 并阐明了变频调速节能原理。 然后结合目前变频器在煤 矿应用过程中存在的潜在不安全因素, 设计了一种基于 S7-300PLC 的变频-旁路工频风机控制系统 并进行了验证, 验证结果表明, 风机控制系统运行可靠, 不误动、 不拒动, 安全性高。 通过实际应 用案例, 对该风机控制系统的应用效果进行了综合评价, 评价结果表明, 该控制系统应用效果良 好, 在调度室实现了集控, 实现对风机的在线实时监控, 达到了减人提效的目的。 关键词 矿井主通风机; 变频调速技术; 控制系统; PLC; 节能 中图分类号 TD411 文献标识码 A 文章编号 1671-0959202011-0144-05 Appliance of frequency conversion and bypass power frequency control in main fan BAI Quan-lin1,2,3 1. Xidian University, Xi’an 710071, China; 2. Institute of Intelligent Detection and Control , Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China; 3. Shanxi Shanmei Chenghe Mining Co. , Ltd. , Chengcheng 715200, China Abstract As one of the key factors of safe, efficient, energy-saving and environment-friendly operation of the main fan, air volume regulation plays an important role in the safe and economic operation of the coal mine.Firstly, the energy-saving schemes using different s of air volume regulating control are analyzed and compared, and the energy-saving scheme using the variable frequency speed-regulating control is put forward. Secondly, combining with the potential unsafe factors in the application of frequency converter in coal mine, a control system of frequency conversion and bypass power frequency fan based on S7- 300 PLC is designed and tested, the test results show that the fan control system is reliable, showing no misoperation, no rejection, and high security. Finally, application effect of the fan control system is comprehensively uated in actual application case, the result shows that, the effect is favorable, centralized control in dispatch room is realized, and the fan is monitored on-line in real-time, which help to downsize staffs and improve efficiency. Keywords mine main ventilator; variable frequency speed regulation; control system; PLC; energy saving 主通风机作为煤矿关键的大型机械设备之一, 在矿井的安全生产中起着至关重要的作用。 由于主 通风机在设计时, 考虑到最大开采时所需通风量, 因此都预留有充分的富余量, 导致风机电机选型功 率大。 随着开采持续推进, 实际运行中的风机所需 功率与原设计功率存在显著差异, 造成电能大量浪 费[1] 。 基于此, 本文提出采用变频技术进行风机调 速, 速度调节平稳且易操作, 节能效果明显, 但考 虑到近年来变频器在煤矿风机的实践应用中, 存在 着一些 “偷停” 的不安全风险, 这些风险主要与现 场设备运行环境、 人员操作技能及维修水平不高等 综合因素有关, 为了避免变频器故障导致风机停止 441 第52卷第11期 煤 炭 工 程 COAL ENGINEERING Vol. 52, No. 11 运转带来的不安全风险, 本文设计了一种基于 S7- 300PLC 变频-旁路工频控制系统。 1 风机节能控制方法 调节风机风量的方法主要有 3 种, 第一种是调 节风门开度; 第二种是变频器变频调速; 第三种是 变极调速。 风机特性曲线 Q-H 与管网曲线如图 1 所 示[2,3], 即变频调速与风门开度节能效果分析比 较图。 风机的轴功率为 pB H BQB 1 pC H CQC H CQB 2 式中, QB为 B 点风量; QC为 C 点风量, m3/ s; HB为 B 点风压; HC为 C 点风压, Pa。 由图 1 可知, 风机在工况点 C 点运行, 即采用 变频调节, 耗能最小, 节能最佳。 图 1 风机特性曲线 Q - H 与管网曲线图N1＞ N2 HB＞ HC, 即 pB＞ PC3 式中, PB为 B 点功率; PC为 C 点功率, kW。 不同控制方式下风机功率消耗相对值见表 1[4], 即调节风机风量 3 种不同控制方法节能效果比较表。 表 1 不同控制方式下风机功率消耗相对值 风量/ 出口挡板控制 变极调速出口挡板控制 6/8 极4/6 极 入口挡板控制 变极调速入口挡板控制 6/8 极4/6 极 变频调速 6 极4 极6 极4 极 1001111111. 05 900. 980. 980. 980. 910. 910. 910. 82 800. 950. 950. 950. 820. 820. 820. 61 8 极8 极 750. 930. 520. 930. 790. 520. 790. 53 700. 910. 520. 910. 760. 470. 760. 45 6 极6 极 670. 90. 510. 410. 740. 440. 410. 41 500. 830. 450. 370. 650. 310. 260. 23 330. 70. 390. 310. 580. 210. 140. 12 从上述分析结果可以看出, 不同控制方式下, 风机的耗电量不同, 且采用变频调速风机的耗电量 最小, 节能效果最佳, 因此本文提出采用变频调速 控制技术。 2 变频调速控制节能原理 变频调速系统将 50Hz 工频交流电, 经过交- 直-交变频, 变换成频率可调节的交流电输出到交流 电动机, 通过改变电动机的转速, 来改变电动机的 轴功率, 实现节能的目的。 1 变频调速原理[5] n 60f p 1 - s4 式中, n 为转速, r/ min; f 为输入频率, Hz; s 为电机转差率; p 为电机磁极对数。 2 变频调速节能的理论公式[6] 根据风机的风压-风量特性, 风机运行具有如下 特点 Q2 Q1 N2 N1, H2 H1 N2 N1 2 , P2 P1 N2 N1 3 5 式中, Q 为风量, m3/ s; H 为风压, Pa; P 为 功率, kW; N 为转速, r/ min。 3 根据变频调速理论公式, 可推导变频风机耗 电量近似计算公式 W ∫ptdt, pt Nt Ne 3 Pe Qt Qe 3 Pe6 式中, W 为电能, kWh; Pt为风机功率, kW; Ne为风机额定转速; Nt为风机实际转速, r/ min; Qe为风机额定风量; Qt为风机实际风量, m3/ s。 从上述近似公式可以得出, 对于矿井主通风机, 当需要较小的风量时, 可以通过降低转速, 由于变 频调速风机的轴功率跟转速 3 次方成正比, 所以当 降低电机转速时, 电机的功率会急剧下降, 节能效 541 2020 年第 11 期 煤 炭 工 程 研究探讨 果显著[7]。 3 系统方案 澄合百良公司原主通风机直接启动、 全速运行, 风量调节主要采用改变风门开度或调节叶轮角度, 存在的耗电量大、 对电网冲击大且风量调节不便等 缺陷, 本文提出了一种基于 S7-300PLC 变频-旁路 工频控制系统, 实现了变频调速, 具有较高的安全 性和经济性。 3. 1 主通风机供电方案 主通风机供电系统采用变频-旁路工频的供电方 式[8]。 正常情况下, 主通风机由变频器回路供电, 当变频器故障时, 采用工频旁路供电。 此通风系统 为双风机双电源, 两套风机及两路电源均为一用一 备, 供电可靠性高, 抗风险能力强[9]。 主通风机供 电系统如图 2 所示。 图 2 主通风机供电示意图 3. 2 控制方案总体架构 控制方案总体架构如图 3 所示, 主要由 PLC 控 制器、 变频器及各类传感器等核心部件组成。 图 3 控制方案总体架构框图 3. 3 控制系统硬件选型设计 控制器选型 控制系统选用 S7-300PLC, 主要由 电源模块、 扩展接口模块、 输入输出模块与通讯模块 等组成。 S7-300 具有强大的指令处理能力, 具有方 便的人机界面HMI, 方便用户进行编程和维护。 变频器选型 变频器选用专为风机控制系统设 计的交-直-交 MicroMaster430 变频器, 具有集成的 RS485 通信接口和 Profibus-DP 通信模块; 具有一定 的过载能力、 高度可靠性和灵活性; 具有过电压、 欠电压、 接地故障、 短路、 过热保护等功能[10]。 传感器选型 根据煤矿安全规程要求, 结合风 机运行特性, 主要对风机的风速、 风量、 风压、 轴 承温度、 振动等物理量进行实时监测, 测温选用 Pt100 型传感器, 测风压选用 Y400-402 型传感器, 测量风机的水平振动和垂直振动选用 BCD-21C/ S 型 传感器, 测量风速选用 GFW15 型传感器。 3. 4 控制策略 系统初始化开始, 系统自检, 如果系统中有模 块自检错误, 则发出报警, 系统等待 t 秒后, 重新 开始自检, 系统自检未成功, 不能进入下一步操作。 通过设定风机轴承温度、 风机定子温度限值、 风量、 风压、 风机振动等参数以实现 PLC 逻辑控制[11]。 当检测到变频器故障时, 风机工频旁路启动运 行, 否则变频器启动运行, 在进行风机变频控制时, PLC 控制器通过风压、 风量传感器对当前工作环境 进行检测, 当风量、 风压小于参数设定值的下限时, PLC 控制器传达给变频器加大频率命令并发出报警 信号, 使风机运转速度增大, 进而增大风量和风压; 当风量、 风压大于参数设置的上限时, PLC 控制器 传达给变频器减小频率命令并发出报警信号, 使风 机运转速度减小, 进而减小风量和风压。 当 PLC 控制器检测到风机的轴承温度、 定子温 度过高、 风机异常振动时, 判断是否出现故障, 发 出报警信号并停机, 停机后, 关闭在用风机风门, 打开备用风机风门, 启动备用风机[12]。 主通风机变频-工频控制流程如图 4 所示。 3. 5 PLC 软件的实现与上位机平台的设计 上位机平台采用 WinCC 组态软件开发, 编程软 件采用 STEP7-Micro/ win 以梯形图方式编写, 软件 系统和数据采集与处理的硬件系统通过 RS-485 总 线连接, 测量数据从数据采集系统上传到监控软件。 上位机平台安装在矿井调度室, 通过上位机平台, 可以对风机进行一键启动、 停机等集中控制, 可实 时监测现场设备设施的运行情况及周围环境的安全 情况, 从而达到减员增效的目的[13]。 3. 6 方案验证 3. 6. 1 实验条件 在矿区实验研究基地模拟现场运行工况, 利用 641 研究探讨 煤 炭 工 程 2020 年第 11 期 图 4 主通风机变频-工频控制流程图 矿区现有的通风系统, 利用风量传感器实时检测巷 道风量。 用测量水温取代轴承温度, 为了简化验 证方案,本验证方案选用具有代表性的风量和温度两 个物理量来进行实验验证。 实验参数定值设置见 表 2。 表 2 实验参数设定值 [14] 物理量设定值物理量设定值 风压/ Pa Pmax2000 Pmin1500 振动Vrms≤6. 3mm/ s 风量/ m3min -1 Qmax3500 Qmin2500 温度Tmax85℃ 3. 6. 2 主要实验设备 主要实验设备见表 3。 表 3 主要实验设备表 设备名称型号数量单位备注 PLCS7-300PLC1套 变频器MicroMaster4302台额定电压 380V 变频电机 YVY 系列变频调速 异步电动机 110kW 2台一拖一 上位机平台1台 电源柜380V3台含电流表等 3. 6. 3 实验结论 按照控制方案总体架构, 搭建硬件平台, 采用 STEP7-Micro/ win 编程软件以梯形图方式编写, 并 调用现有的子程序, 实现对硬件的控制。 实验方案 验证方法见表 4。 表 4 实验方案验证方法表 物理量实验目的实验方法实验结论达到的效果 风量 验证风机风量与频 率的变化关系 通过采集矿井巷道风量, 与设定 值进行比较, 当大于设定值时, 变频器自动降低频率, 当小于设 定值时, 变频器自动增大频率 方案可行, 变频器频率调整灵敏、 可 靠。 实现风量处于一种动态平衡中 通过实时采集风量, 通过 与设定值比较, 可将风量 保持在一定范围内, 形成 闭环 温度 验证主通风机超温 时, 是否顺利切换 到备用风机 通过采集水温来取代轴承温度, 与设定值进行比较, 当采集温度 大于设定值时, 超温报警, 主风 机停机, 备用风机启动 方案可行, 动作灵敏可靠, 可起到保 护风机的作用 通过实时采集温度, 可保 证轴承温度不超温, 保证 风机安全运行 变频器 故障 验证主回路变频故 障时, 工频旁路能 否自动启动 通过采集变频故障信号, 当变频 器故障时, 故障报警、 切断变频 电源、 同时启动工频旁路 方案可行, 动作灵敏可靠, 当变频器 故障时, 可迅速切换到旁路运行 通过采集变频故障信号, 可有效保证主通风机可靠 运行 变频器 频率调整 通过设置变频器负 频率, 验证风机启 动情况及运转方向 的变化情况 设定电机的正转方向, 将变频器 频率从 50Hz 缓慢调整到- 50Hz, 通过电机的电流表, 观察电机的 启动情况观察; 观察电机运转方 向的变化情况 通过实验, 可观察到当电机频率从从 50Hz 缓慢调整到-50Hz, 电机转速缓 慢减小, 电流表电流缓慢减小, 当频 率变化到 0 时, 电机开始反转, 电流 缓慢增加, 而且, 电机启动时, 对电 网无冲击, 电机运转平稳 风机启动平稳, 实现了无 级平滑调速; 通过设置变 频器负频率, 可实现风机 的反转操作 通过验证, 该控制系统动作灵敏可靠、 动作准 确, 不拒动、 不误动。 4 应用案例 1 基本情况。 某矿核定年生产能力为 2Mt/ a, 该矿井采用机械抽出式通风, 风量调节采用变频调 速方式。 2 关键技术参数。 主通风机关键技术参数见 表 5。 3 经济效益。 主通风机在 80额定风量工况下 741 2020 年第 11 期 煤 炭 工 程 研究探讨 运行, 风门控制曲线及转速控制曲线如图 5、 图 6 所 示[15] 表 5 关键技术参数表 名称参数备注 主通风机2xFBDCZNO24一台运行 一台备用 变频器额定功率/ kW2315 电动机额定功率 / kW2250 电动机综合效率0. 92 额定电压/ V380 额定转速/ rmin -1 740 图 5 风机风量的风门控制 Q-H 曲线图 图 6 风机风量的转速控制 Q-H 曲线图N1＞N2 通过节能分析, 结合图 5 风门控制曲线, 图 6 转速控制曲线, 当风量下将至 80时, 变频调速调 节风量比控制风门调节风量节约电能 pB - p C pB HBQB - H CQC HBQB 0. 96pA- 0. 56pA 0. 96pA 100 417 若全年按照365d、 平均电价按照0.78 元/ kWh 统计, 可节约电费约152 万元。 ΔW ΔPt 2 250 0. 92 0. 41 365 24 1. 95 106kWh8 1. 95 106 0. 78 1. 52 106元约 152 万元 通过分析计算, 每年可节约电费约 152 万元, 同时, 在调度室实现集控, 现场每班可减少 2 名操 作人 员, 每 天 按 照 3 班 统 计, 共 可 减 少 6 人, 6 万元/ 人, 全年可节约 36 万元, 达到了 “节能降 耗、 减人提效” 之目的。 4 应用效果。 该系统自投入运行两年来, 从未 发生过一起因倒机、 反风等造成的停风事故, 达到 了预期的目的, 通过变频, 实现风机的反转操作, 降低了操作难度, 提高了风机的安全运行指数, 延 长了风机的使用寿命, 同时, 在调度室实现了风机 的集中控制, 达到了 “无人值守” 的要求, 提升了 矿井的综合自动化水平。 5 结 语 本文采用先进的 PLC 控制技术、 变频技术、 传感 技术、 通信技术等对现有主通风机控制系统进行了优 化, 提出了一种基于 PLC 的变频-旁路工频的控制系 统, 并重点研究了各个部分的关键技术, 通过了实验 验证, 验证结论表明该系统启动平稳、 运行可靠、 保 护功能完善, 可实现风机的智能控制, 同时, 对该系 统在澄合百良公司进行了实践应用, 从应用效果来 看, 实现了风机的智能控制, 达到了预期的目的。 参考文献 [1] 刘占栋.变频技术在矿井主扇风机中的应用 [J].陕西煤 炭, 20202 135-137. 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