基于變頻調速通風機在線監控系統研究

李園園

（大同煤礦集團馬道頭煤業有限責任公司，山西大同037100）

煤礦主通風機是保證整個礦井工作面安全生產的重要設備之一,能夠有效防止工作面瓦斯劑聚和爆炸。目前，礦用變頻調速主通風機性能仍有需要改進的地方，同時還應加強通風機設備在線監測系統、供電設備的性能參數等重要數據。同時對保證井下工作面安全生產、職工正常工作以及對提高煤礦的安全管理水平都具有非常重要的現實意義。

1 變頻技術在煤礦中的應用

礦用風機和泵是往井內輸送新鮮空氣的主要設備,它們的工作原理和性能基本相近,其中礦用風機設備中負荷轉矩與轉速的平方成正比關系,并且對機械承載程度要求不高,因此可以通過調頻技術方式完成速度控制。但是近些年來，各種煤礦企業為了達到節能減耗的效果,因此不同煤礦特殊環境下設計的變頻器要求將更加嚴格，目前主要手段是通過對原有的主扇風機進行優化節能改造或者在通風口位置直接選用變頻器驅動的新型風機，進而實現整個煤礦企業節能減耗。

2 礦井主通風機及在線監控系統

2.1 主通風機原理及軸流風機的基本性能特性

礦用通風機的工作原理是將電能通過機械能轉化為流體動能和壓力能的一種動力設備,目前我國大多數煤礦一般多采用軸流式。

（1）軸流風機典型構造及工作過程。軸流風機典型構造如圖1所示。軸流式風機主要部件由1.輪轂；2.葉片；3.轉軸；4.圓筒形機殼；5.集流器；6.流線體；7.整流器；8.環形擴散器組成。風機葉輪由葉片和輪毅組成,而葉片多為機翼形扭曲葉片,起到了以引導氣流流動的方向從而減小氣流流動時能量的損失,再加上葉輪與導葉相對位置的不同，可分為前導葉、中導葉和后導葉集流器,起到了調節氣流流動形式的作用,改變氣流紊流程度。

圖1 軸流式通風機結構簡圖

如圖1所示，當礦用通風機運行時，首先外界新鮮空氣沿風機軸向方向進入風機葉輪內,隨著葉輪旋轉時,流入葉輪的新鮮空氣在葉片高速旋轉擠壓推動作用下將產生一定方向的動能和壓力能,氣流以此風速由葉輪前端運動到后端最終送入井內工作面。此時,前端的新鮮空氣繼續補充進來,葉片將繼續高速旋轉擠壓并推動氣流,這樣便形成了沿軸向流出穩定連續的循環風流抽風過程。

（2）軸流通風機的性能曲線。礦井通風機特性工作特性與其流量效率、壓力、輸出功率有著密切關系,因此可以通過這3條曲線來表示出軸流式通風機性能曲線,軸流式通風機特性曲線如圖2所示。通過軸流式風機特性曲線圖不難發現影響通風機的因素有很多種,其中包括礦用通風機類型、葉片形狀、葉片安裝角度等,因此這些影響因素所造成的內部摩擦損耗、沖擊渦流損失等都大不相同。因此,合理處理三者之間關系對礦用通風機選型優化和管理具有非常重要意義。

圖2 軸流式通風機特性曲線

2.2 主通風機在線監控系統

礦用通風機作為工業控制系統,針對不同的工業控制要求進行系統設計,而各類系統的基本要求大體如下：

（1）通風機系統操作簡易。

（2）控制方案和軟件設計要求可靠,可靠性高，并設計各種安全保護措施。

（3）通用性好,便于擴充。例如一臺以微型計算機為核心的控制裝置可以控制多個設備和不同的過程參數[1-2]。

由于同步碎石封層技術是通過瀝青或者改性瀝青和碎石的充分粘合后對地面進行的養護處理，首先要對瀝青進行加熱，改性瀝青加熱溫度控制在180～200℃之間，普通瀝青加熱溫度控制在160～170℃之間，再進行瀝青的噴灑。為了減少外界溫度對施工的影響，在西北地區，一般將施工期選擇在6～9月期間，以此來降低天氣對施工效果的影響，并且盡可能的避免雨水天氣，保證瀝青膠和碎石粘合度，增大原材料的粘合度，提高封層質量[3]。

作為整個監控系統的重要組成部分,風機在線監控系統是一個獨立而完整的存在。詳細說明,即通過控制器的模擬輸入模塊和開關輸入模塊捕獲的下孔測量數據和在線傳輸是采集到的實際數據，通過輸出模塊進行數字輸出，通過傳輸模塊進行傳輸來達到對計算機及以太網絡進行在線監控的目的。經過系統的計算比較，主控計算機完美地結合了在線報警、信息查詢、設置打印等功能,系統結構框架如圖3所示。

3 礦井主通風機變頻調速與干擾處理

變頻器等電源設備頻率是控制電機調速裝置,調節方式的最優化解決方式，調節緩和、傳輸穩定,大型煤礦對于使用動態調整的機電設備越來越普遍。然而,對于使用變頻器設備中會存在一定的諧波,就電網和微電子設備而言會產生干擾,而微電子設備也沒有被相應的措施緩釋,分析了逆變器的工作原理和諧波干擾的原因,提出了在線監測系統的相關措施,以解決諧波干擾問題。

圖3 系統框架結構圖

3.1 變頻調速原理與逆變方式

(1)變頻調速原理。交流異步電動機是由電流流經電機繞組中的磁力線驅動的,電機轉速與交流頻率成線性關系：

式中：f1——異步電機定子繞組上交流電的頻率；

w——交流電的角頻率；

p——異步電動機的磁極對數。

（2）變頻器的逆變方式。在調頻中使用恒幅間接變頻技術。它由二極管逆變器、整流電路和濾波電容器組成，如圖4、圖5所示。在三相交流電通過二極管整流器，直流電壓，再到逆變器，然后通過調節脈沖寬度和變頻器開關頻率，電壓調節，輸出三相交流電壓和調頻，用于負載。

圖4 PWM型間接變頻器電路圖

圖5 單相逆變電路簡圖

3.2 風機監測系統在變頻諧波環境中的干擾及防治

（1）變頻器的諧波干擾。在工作條件下，逆變電路中的恒電流功率電路不能抵抗和消除諧波污染電源的變頻器的生產。造成恒流供電不再是在較高的諧波流量,導致在傳輸信號失真的變化,最終的結果是監測參數偏離實際值,以確定正確的風扇操作是誤導。因此,為了解決頻率轉換環境中的畸變問題，關鍵是要解決采集模塊恒流電源的干擾，以保證交叉電源保持不變[3-4]。

（2）監控系統抗干擾具體解決措施：

①模塊和電容濾波器選擇常溫，消除溫度失真，系統選擇模塊完成正確的溫度信號采集和抗干擾保護，集成電路板焊接濾波電路，產生特殊的輸出端，易于安裝和維護。

②輸入模塊，信號屏蔽線輸出模塊，屏蔽接地，一般接地端，避免接地電位差引起線圈電流，造成干擾。

③項目工程信號、電源線、導線和變頻器主電路的控制線應按分層布置，分別與溝道行走,逆變主回路控制直線和直線距離,干擾嚴重情況,應佩戴控制回路電纜管,切斷輻射干擾。

④獨立信號接地和接地保護系統,從各行各業確保良好的接地,地面至粗、短,一般采用橫截面積大于銅線的強端子。

4 結語

本文通過查閱獲取礦山開采、風機通風、變頻監控、自動化處理等礦井通風相關文獻的基礎上,闡述了我國煤炭企業現狀和節能降耗的必要性,介紹了能源和節能技術的應用現狀,我國礦山生產活動,尤其是礦井通風系統的調整，結合實際工業領域,對煤礦風機的特點和監測系統進行了分析。