通風機變頻調速控制系統的設計

王 偉

（山西晉煤集團金明礦業有限責任公司， 山西 晉城 048006）

引言

通風機作為綜采工作面的關鍵設備，其主要為工作面輸送新鮮空氣，保證綜采工作面的瓦斯濃度、煤塵濃度在《煤炭安全規程》的許用范圍之內。在實際生產過程中，為了確保通風機通風量大于其需風量，通風機通常以最大負載情況下運行[1]。因此，為解決通風機耗能嚴重且自動化程度較低的問題，本文將變頻調速控制系統應用于通風機的控制中，使得通風機能夠根據工作面的需風量對其通風量進行實時控制。

1 通風機變頻調速控制系統的總體設計

1.1 通風系統概述

本文以掘進機工作面的局部通風系統為研究對象。目前，應用于掘進工作面通風機的工作模式分為壓入式、抽出式以及混合式三種。由于抽出式通風對工作面的要求較高，混合式通風系統容易導致工作面的安全性降低。因此，在實際生產中常采用壓入式通風方式。對于掘進工作面而言，瓦斯的涌出特點總結如下：掘進工作面所涌出的瓦斯不易被監測；掘進工作面如果缺乏高效的通風系統，容易導致瓦斯堆積[2]。

經研究可知，影響瓦斯涌出的因素主要包括有：工作面煤層及巖層瓦斯含量；煤層的開采深度、開采順序以及采煤工藝等。針對本文所研究掘進工作面的特點，為保證對工作面瓦斯濃度的精確監測，將瓦斯濃度傳感器分別安裝于掘進巷道的迎頭處（1號）、掘進巷道的中間位置（2號）以及回風巷的拐彎處（3號）。各個瓦斯濃度傳感器報警、斷電以及復電的基準值如表1所示。

表1 掘進工作面瓦斯濃度傳感器功能界限設置

1.2 通風機變頻調速系統的總體設計

一般情況下，工作面通風機的配置均采用“一用一備”的使用原則。因此，將工作面兩臺通風機采用兩套獨立的變頻調速系統控制，且為其配置兩套獨立的電源供電系統。要求兩套獨立的變頻調速系統均能夠根據工作面的需風量實時通過變頻器控制通風機的電機轉速，從而實現對通風機通風量的控制[3]。而且，在正常工況下兩臺通風機可隨意切換運行，兩套變頻調速系統之間可進行實時通信。

此外，由于綜采工作面的環境相對惡劣，采用常規算法對通風機進行變頻控制，容易受到工作面電磁信號的干擾。因此，為了提高控制系統的抗干擾性能，減少其超調量，本文針對通風機的變頻調速控制系統采用模糊控制器實現。根據控制要求，為每套變頻調速控制配置獨立的模糊控制器，且控制器的數量均為四套。根據掘進工作面通風機工況的不同，其對應變頻器的工作頻率范圍也不同，具體如表2所示。

表2 不同工況下通風機變頻器輸出頻率

2 通風機變頻調速系統模糊控制器的設計

在實際掘進過程中，通風系統的運行狀態受瓦斯濃度、工作面通風風速、工作面溫度以及當前工作面的掘進深度有關。其中，工作面的溫度由溫度傳感器采集；根據控制需求為瓦斯濃度、工作面掘進深度和工作面風速設計模糊控制器[4]。

基于模糊控制器可對實時采集到的瓦斯濃度、掘進深度以及風速與給定值進行對比。當二者存在偏差時基于CPU輸出對應的控制信號經D/A轉換后轉換為可對執行結構控制的模擬量。模糊控制的原理框圖如圖1所示。

圖1 模糊控制器原理框圖

當前，應用于工程應用中模糊控制器的類型包括有自調整因子模糊控制器、PID模糊控制器以及常規模糊控制器。而且，自調整因子控制器、PID控制器的響應速度和性能明顯優于常規模糊控制器。為解決掘進工作面瓦斯聚集的問題，變頻調速系統采用雙模自調整模糊控制器，其將工作面1號瓦斯濃度傳感器所采集到的數值作為1號開關和2號開關輸出信號的判斷依據。具體如下：

當1號瓦斯濃度傳感器所采集到瓦斯的濃度大于1.5%時，開關量輸出為1，即通風機處于正常運行狀態；當2號瓦斯濃度傳感器所采集到瓦斯的濃度小于1.5%時，開關量輸出為0，即通風機處于超限排放運行狀態。

3 通風機變頻調速系統模糊控制系統的設計

為驗證前文所設計變頻調速模糊控制器的性能，本文搭建相應的控制平臺對其進行試驗研究。其中變頻調速系統模糊控制系統平臺分為主回路和控制回路的設計。

3.1 主電路器件的選型設計

主回路通過采集變頻調速模糊控制系統中變頻器的模糊控制信號和PWM信號實現對其回路的控制[5]。本文著重對變頻調速模糊控制系統中主電路的器件進行選型設計，選型結果如表3所示。

3.2 控制電路器件的選型設計

表3 主電路器件的選型結果

控制電路是實現變頻調速模糊控制功能的關鍵。為確保通風機變頻調速模糊控制系統的性能，對控制回路中電子器件提出要求，具體選型結果見表4。

表4 控制回路器件的選型結果

4 通風機變頻調速模糊控制效果的驗證

結合所搭建的變頻調速模糊控制系統的模型，本文通風機所選用異步電機的額定功率為3 kW，額定轉速為1 440 r/min。基于變頻調速模糊控制系統主回路和控制回路驗證變頻模糊控制的效果，試驗結果如表5所示。

表5 試驗結果

5 結論

1）采用變頻調速系統與模糊控制系統相結合的方式實現了對通風機的節能、自動化控制的目的。

2）基于雙模自適應模糊控制器與變頻器相結合的控制方式能夠根據工作面巷道內的瓦斯濃度實時對通風機的轉速進行控制，且實現對通風機運行狀態的控制。