礦用對旋式通風機變頻調速控制系統的應用研究

候 英，程 龍

（1．蘭州理工大學，甘肅蘭州730050；2．天水電氣傳動研究所有限責任公司，甘肅天水741020）

礦用對旋式通風機變頻調速控制系統的應用研究

候 英1，程 龍2

（1．蘭州理工大學，甘肅蘭州730050；2．天水電氣傳動研究所有限責任公司，甘肅天水741020）

分析了礦用通風機的運行機理、負載特性及風量調節方法，對幾種風量調節方法進行了比較研究，并分析了變速調節風量的優越性。將變頻調速技術和PLC控制技術相結合，提出了兩種目前適用于通風機的變頻調速系統主回路拓撲。介紹了協調控制的兩種方案，其在實際工程項目中的應用結果表明，其具有更高的控制性能和更優良的節能特性。

對旋軸流；協調控制；Profibus－DP；主從通訊

1 引言

在煤礦生產中，通風機擔負著向井下輸送新鮮空氣，排放粉塵和各種有毒氣體的重任，它的運行狀況直接影響著礦井的安全生產。礦用通風機需要長時間不間斷地運轉，一旦停風就有可能引起瓦斯濃度升高甚至引起爆炸，威脅井下工作人員的生命安全，且隨著全社會環保節能意識的增強，研制安全、可靠、高效、節能的通風機控制系統對于保障煤礦的安全生產是非常必要的。

在煤礦實際生產過程中，通風機的運行方式需要切換，其風量、風壓需要不斷地調節和監測。近年來，電力電子技術及自動化控制技術迅猛發展，基于自動化控制的煤礦通風控制技術得到了較快發展。目前設計的礦用對旋軸流式通風機已經采用了變頻調速技術，但其自動化控制程度不高，還不能實現自動同步啟動、協調控制及監控一體化功能。本文提出一種以PLC技術、變頻技術、組態技術相結合來控制煤礦通風機運行的全新控制模式。針對通風機負載的特性，采用簡單的開環控制模式，克服傳統模式以調節風門大小來控制通風機風量耗能的缺陷。采用通訊方式實現主從控制，解決礦用對旋軸流式通風機協調控制的問題。通過上位機監控軟件實現對通風機各種運行參數的實時監測、報警等。在保障系統穩定可靠運行的同時，進一步優化煤礦通風機控制系統的性能，使系統始終運行在安全高效的狀態。

2 礦用通風機概述

2．1 通風機運行機理

通風機系統主要由主電機、冷卻風機、電機加熱器、潤滑站、風門等幾部分構成。如圖1所示為通風機的風道裝置布置圖。

圖1 通風機風道裝置布置圖

目前使用廣泛的通風機主要有離心式通風機和軸流式通風機。礦井生產中使用較多的是對旋軸流式通風機（其結構示意圖如圖2所示），其第一級葉輪與第二級葉輪相距很近，分別由兩臺容量及型號相同的防爆專用電動機驅動，兩級葉輪旋轉方向相反。當空氣流入一級葉輪獲得能量后經二級葉輪排出，二級葉輪兼顧了靜葉的功能，增加氣流的能量，從而達到普通軸流式風機不能達到的高效率、高風壓。由于煤礦通風機的重要性，通常配置2套相同結構的通風機，互為備用。

圖2 對旋軸流式通風機示意圖

2．2 通風機負載特性

風機為變負載設備，負載的大小與風機轉速有直接關系。通風機電動機所需功率可用下式計算：

式中：K—電動機功率備用系數，一般取1．1～1．2；

Q—通風機工況點的風量（m3／s）；

H—通風機工況點的風壓（Pa）；

ηmec—由通風機性能曲線查得的工況點效率；

ηi——傳動效率。

風量Q、風壓H、功率P的變化與轉速比的一次方、二次方、三次方成正比，即：

其中：n1、n2—通風機調節前后的轉速（r／min）；

Q1、Q2—通風機轉速調節前后的風量（m3／s）；

H1、H2—通風機轉速調節前后的風壓（Pa）；

P1、P2—通風機轉速調節前后的功率（w）。

2．3 通風機風量調節方法

通風機的風量調節，可通過改變風機本身的特性曲線或外部管網的特性曲線來進行，必要時可通過同時改變二者以得到所需要的風量。應按照是否改變風機轉速來選擇調節風量的方法。

（1）風機恒速時的風量調節方法

有以下幾種調節方法：改變風機工作葉輪葉片安裝角度的風量調節；采用前導器的風量調節；風門調節。

（2）風機變速風量調節方法

通過改變風機轉速的方法實現風機特性的變化，獲得最佳運行工況點，從而得到合理的風量及風壓大小。

根據風機壓力流量特性曲線分析，在提供同樣風量的情況下，若采用變速調節，不僅風壓可大幅降低，而且通風機所消耗的電能也明顯減少，這種方式是通風機節能運行的最有效方案。

3 風機變頻調速原理及系統設計

3．1 變頻調速的基本原理及控制方式

三相異步電動機的調速可通過以下方法實現：改變電動機磁極對數調速；改變轉差率調速；改變電源頻率調速。

目前變頻器的控制方式主要有以下幾種：V／F控制方式；矢量控制方式；直接轉矩控制方式。

相比而言，采用V／F控制方式的變頻器由于其控制算法簡單，成本較低，故比較適用于對調速性能要求不高的負載，該類變頻器被廣泛應用于礦井通風機的調速控制系統中。

3．2 變頻器的結構與選型

目前，礦用通風機電機有6／10kV高壓電機和400V／690V低壓電機兩種電機。根據所選用電機電壓等級的不同，應用于礦用通風機的變頻器有以下兩種結構：

（1）H橋級聯型高壓變頻器（6／10kV）

高壓變頻器采用交－直－交高壓變頻方式，主電路開關元件為IGBT。6kV高壓變頻器主回路如圖3所示，交直交變頻器主回路基本結構如圖4所示，變頻器采用功率單元串聯、疊波升壓。主隔離變壓器原邊為Y型接法，直接與高壓相接。副邊繞組數量依變頻器電壓等級及結構而定，6kV系列為18個，延邊三角形接法，為每個功率單元提供三相電源輸入。輸入側隔離變壓器二次線圈經過移相，為功率單元提供電源，對6kV而言相當于36脈沖不可控整流輸入，消除了大部分由單個功率單元所引起的諧波電流，大大抑制了網側諧波（尤其是低次諧波）的產生，可稱為“完美無諧波高壓變頻器”。

（2）低壓交直交變頻器（400V／690V）

低壓交直交變頻器則先把工頻交流電先整流為直流電，然后經濾波環節后將直流電轉換為頻率、電壓可控的交流電。目前，使用最多的通用變頻器是交直交變頻器。主電路包括整流器、中間直流環節、逆變器和控制電路組成。有電壓源型和電流源型兩種類型的變頻器，其區別僅在于中間直流環節的濾波形式不同，電壓源型采用電容器濾波，電流源型采用直流電抗器濾波。

圖3 6kV高壓變頻器主回路

圖4 交直交變頻器主回路基本結構

4 對旋式通風機的協調控制

由對旋軸流式通風機工作原理及其示意圖2可知，在煤礦實際生產過程中會根據不同的風量、風壓要求，通風機可以下面三種方式工作：

（1）前置葉輪和后置葉輪同時運轉；

（2）前置葉輪停止后置葉輪運轉；

（3）前置葉輪運轉后置葉輪停止。

為了方便控制通風機的風量和風壓，需要對通風機內置兩臺電動機協調控制，以實現同步啟動、同步調速和同步停機。下面提出兩種解決通風機電機協調控制的方案。

4．1 系統采用Profibus－DP總線的控制方式，采用PLC做為主控制器，變頻器作為從站與主站PLC進行通訊，其系統組態總線結構如圖5所示。

圖5 DP總線示意圖

以圖5中所示為例，對變頻器的控制方案又可分為2種方式：

（1）DP地址為3和4的變頻器互為主從機，PLC主站通過現場總線接收1＃變頻器的控制指令，再通過現場總線將其發送給2＃變頻器，2＃變頻器將跟隨1＃變頻器啟動停止。

（2）1＃、2＃變頻器直接與主站通訊，分別同時接受PLC主站的控制命令，不存在主從關系，進而實現同步控制。

兩種控制方法均可在組態完成之后通過直接調用功能塊SFC14／SFC15來實現PLC與變頻器間控制字與狀態字的讀寫操作。如圖6所示，只需填寫相應的地址就可執行讀寫操作。

圖6 主從站通訊程序示意圖

4．2 若系統整體配置無PLC參與控制，可將兩組互為備用的變頻器分為主從控制機組。主從機采用串行通訊方式，設定通訊地址與對應的控制參數之后，在主機接到控制命令的同時發送該命令給從機，實現同步控制之目的。這種方案亦可解決協同控制的問題，且控制方案配置簡單，成本較低，其系統結構如圖7所示。

圖7 串行通訊示意圖

5 設計實例

為提高通風機系統性能和運行效率，我們對某煤礦通風機電控系統進行改進與升級，其總體方案如圖8所示，系統由以下幾部分組成：

（1）操作系統：由兩臺操作員站和兩套S7－300 PLC組成，采用Profibus－DP現場總線進行系統通訊及信號交換。

圖8 系統總體設計方案

系統采用冗余及容錯技術，具有數據備份、數據恢復功能及完善的防范措施（如權限認證、防病毒等），可保證系統安全、穩定運行。操作臺采用人性化設計，操作簡單，安全可靠，且擁有良好的人機界面。若系統監測到Master異常時，則自動無間隙實現Slave的投入，不影響通風機系統的正常使用。

（2）監控系統：主通風機在線監測系統由取壓裝置、監測傳感器（或變送器）、開停狀態傳感器、數據傳輸及控制裝置、通風機性能監測裝置、監控計算機、打印機、監測監控及數據聯網軟件等組成。傳感器數據經由從站ET200M匯集后通過現場總線與PLC和上位機進行數據交換。系統預留標準TCP／IP接口，方便與礦山生產調度網絡聯接，具有遠程監控功能，能夠連續在線監測礦井主通風機風量、負壓、軸承溫度、繞組溫度、電流、電壓、功率等參數以及風硐風門、風機開停等運行狀態，具有高效、穩定、可靠、實時的數據采集、存儲、管理、分析等功能，能夠為用戶提供豐富的圖表、統計、信息打印等功能，并能方便用戶及時了解風機運行狀況，能夠為煤礦的安全生產提供保障。

（3）調速系統：系統根據礦方對通風機運行方式的選擇，能夠滿足整個礦井對風量和風壓的要求。系統傳動部分由4臺變頻器分兩組采用主從控制方案將每臺變頻器作為從站鏈接到DP總線上，以方便上位機實時讀取變頻器需要上傳的運行狀態參數。兩組變頻器中的從機不直接受控于上位機，當PLC與主機通過功能塊SF14／SFC15完成數據讀寫之后，主機將其接到的控制命令經由變頻器間的并行通訊接口傳遞至從機，從而實現兩臺變頻器間的協調控制，并可根據實際需要更改變頻器的輸出頻率等。

改進后的傳動裝置在滿足《礦山電力規范》和《煤礦安全規程》等標準要求的前提下，還根據通風機具體運行工況增加了相應的保護功能。同時，系統變頻裝置的輸出波形未引起電機的諧振，整個調速范圍內的諧波畸變（包括電壓和電流）小于2%，完全滿足標準IEEE519－1992和GB／T14549－1993的諧波抑制要求，且未影響同一電網上其他設備的正常運行。

6 結束語

隨著工業自動化水平的不斷提高，通風機控制從簡單的非變速風量調節控制向智能控制方向發展。本文在廣泛調研和參考大量國內外技術文獻的基礎上，以安全可靠、簡單高效為基本原則，對原有的礦用通風機控制系統進行改造完善，通過解決對旋軸流式通風機協同控制等問題，得到了能夠完全適應工業生產要求的控制技術方案，并將其投入實際應用。現場調試結果表明，系統的可靠性和自動化水平明顯提高，節能效果良好。

［1］吳燕翔，李權任，成 萍．基于PLC的礦井通風機變頻控制系統的設計［J］．科學技術與工程，2009．

［2］傅源方，高 麗，張永建．通風機變頻調速工況自動控制系統研究［J］．礦山機械，2004（03）：12－13．

［3］北京合康億盛科技有限公司．HIVERT系列高壓變頻器用戶手冊［Z］．2000．

［4］姚景峰，馬春燕，劉 鵬，等．基于S7－400H PLC和Win CC的通風機集控系統設計［J］．煤礦機械，2013，34（5）：279－281．

［5］陳忠平．西門子S7－300／400系列PLC自學手冊［M］．北京：人民郵電出版社，2010．

Research on application of variable frequency speed control system for mine disrotatory axial－flow fan

HOU Ying1，CHENG Long2

（1．Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China；2．Tianshui Electric Drive Research Institute Co．，Ltd．，Tianshui 741020，China）

The operation mechanism，load characteristics and air volume adjustment method of the mine disrotatory axial－flow fan are analyzed．The several air volume adjustment methods are compared and studied，and the advantages of the variable－speed adjustment method for air volume are analyzed．By combining the variablefrequency speed control technology and PLC control technology，the two main circuit topologies of the variablefrequency speed－regulation system are put forward，which are suitable for the mine disrotatory axial－flow fan at present．The two coordination control schemes are given，and their applications to the actual engineering projects show that the control schemes have high control performance and perfect energy saving characteristics．

disrotatory axial flow；coordination control；Profibus－DP；master－slave communication

TD724

A

1005—7277（2016）06—0020—05

候英（1994－），女，甘肅武威人，碩士研究生，主要研究方向為電力電子與電力傳動。

2016－09－10

程龍（1988－），男，甘肅酒泉人，本科，主要研究方向為礦山電氣控制系統。