主通风机变频控制策略研究

三种方法，即改变极对数ｐ，改 变 转 差 率ｓ 以 及 改 变 供 电
频率ｆ１。 其 中，改 变 极 对 数 ｐ 适 用 于 多 速 电 机，且 无 法
实现 无 级 调 速，调 速 性 能 较 差；改 变 转 差 率ｓ电 机 ，局 限 性 较 大。ｆ１
工矿自动化 自动化应用
主通风机变频控制策略研究
袁彩杰
河南能源化工集团永煤公司新桥煤矿，河南 永城 ４７６６２１
摘 要 针对煤矿井下通风系统耗电量大 、无法进 行 风 机 转 速 调 控 的 缺 点 ，设 计 并 研 究 基 于 ＰＬＣ 控 制 的 主 通 风 机
变频控制策略。在分析变频控制及节能原理的基础上 ，给出主通风系统方案设计 ，重点研究了主 通 风 机 的
中 图 分 类 号 ＴＤ７２４
ＤＯＩ １０．１９７６９／ｊ．ｚｄｈｙ．２０１９．０９．０３４
０ 引言
煤矿通风系统 是 保 证 煤 矿 安 全 生 产、改 善 工 人 劳 动 环境、提高生产 效 率 的 重 要 支 柱。 为 确 保 矿 井 通 风 符 合 《煤矿安全规程》，矿井通 风 系 统 必 须 ２４ｈ 安 全、连 续、稳 定运行。同时，需要根据环境变 化，对 风 机 转 速 进 行 适 当 调整，保证符合 矿 井 风 量 要 求。 国 外 对 通 风 系 统 的 研 究 较早，美国、丹麦等发达国家普 遍 采 用 变 频 调 速 技 术 对 风 机进行调速控制，并且拥有通 风 机 性 能 测 试 试 验 系 统，自 动检测通风机性能参数并对其进行分析和处理。所设计 的通风机拥有自 动 检 测 和 故 障 诊 断 等 功 能，保 证 通 风 机 稳定、连续运行。国内通风机技 术 也 在 不 断 发 展，但 与 国 外技术相比，还存在一些差距，如 设 计 的 通 风 机 的 通 风 能 力过大，效率较低；布网不合理，漏 风 情 况 严 重；故 障 率 较 高，节能降 耗 的 效 果 差 。 ［１－３］ 为 提 高 通 风 机 的 工 作 效 率、 减少故障率并达到节能降耗 的 目 的，利 用 变 频 控 制 技 术， 对现有通风系统 进 行 优 化 设 计，确 保 矿 井 通 风 系 统 在 满 足矿井通风量、安全、连续、稳定 运 行 的 基 础 上，达 到 节 能 降耗的目的。
风机管网阻力 的 损 失 与 主 通 风 机 风 量 的 平 方 成 正 比 。 ［４］
图２所示为主通风机及管网 的 Ｈ －Ｑ 特 性 曲 线，曲 线 １ 为
额定转速ｎ１ 下的特性；曲线 ２ 为 在 转 速ｎ２ 下 的 特 性；曲
线ａ 为管网阻力最小时Ｒａ 的阻力特性；曲线ｂ 为管 网 阻
力增大到Ｒｂ 时的阻力特性。当主 通 风 机 稳 定 运 行 时，风
参数可以自由 改 变，即 只 要 改 变 供 电 频 率 ｆ１，即 可 实 现 对异步电动机的无极 、平滑调速 。 ［３］
主通风机管网阻力与通风量关系表达式为：
ΔＰ ＝ＲＱ２ｎ ２Ｒｂ
（３）
其中，ΔＰ 为主通风机管网阻力损失，Ｒ 为定制，管 网
阻力系数，Ｑ 为主通风机风量，ｍ３／ｓ。由式（４）可 知，主 通
量 、风 压 、功 率 与 转 速 之 间 的 关 系 为 ：
（ ） （ ） Ｑ１
ｎ１ ＝
；Ｈ１
＝
ｎ１
２；Ｎ１ ＝
ｎ１
３
Ｑ２ ｎ２ Ｈ２ ｎ２ Ｎ２ ｎ２
（４）
其 中，Ｑ１、Ｑ２ 为 变 频 前 后 的 通 风 机 的 风 量 ，ｍ３／ｓ，
Ｈ１、Ｈ２ 为变频前后的风压 ，Ｐａ，Ｎ１、Ｎ２ 为 变 频 前 后 的 风
机 轴 功 率，ｋＷ。 主 通 风 机 的 风 量 与 转 速 成 正 比，风 压 与
转 速 的 平 方 成 正 比 ，功 率 与 转 速 的 三 次 方 成 正 比 。
图１ 中 主 通 风 机 的 工 作 点 由 Ｂ 到Ｃ，通 风 量 始 终 保
持为 Ｑ２，转速 由 ｎ１ 转 变 为 ｎ２，主 通 风 机 消 耗 的 功 率 由
１ 变频控制及节能原理
交流电动机的同步转速定义为：
ｎ１
６０ｆ１ ＝
ｐ
（１）
异步电动机的转速定义为：
ｎ ＝ｎ１（１－ｓ）＝６０ｆ１ｐ（１－ｓ）
（２）
式（１）及式（２）中，ｎ１ 为交流电动机同步转速，ｒ／ｍｉｎ；
ｎ 为异步电动机 转 速，ｒ／ｍｉｎ；ｆ１ 为 供 电 频 率，Ｈｚ；ｐ 为 电
动机的极对数；ｓ 为转差率。由式（２）可知，改变转速ｎ 有
２０１９ 年 第 ０９ 期 ８ ７
自动化应用 工矿自动化
２ 系统方案
３ 变频控制策略
主通风机变频 控 制 系 统 方 案 如 图 ２ 所 示，其 由 ＰＬＣ 控制器、风机专用 变 频 器、操 作 台、上 位 机 以 及 主 风 机 和 备用风机 组 成。 系 统 通 过 传 感 器 检 测 装 置 实 时 检 测 风 机／备用 风 机 的 轴 承 温 度、定 子 温 度、负 压 风 量、电 压、电 流等模拟 量 信 号。ＰＬＣ 控 制 器 获 取 上 述 信 号 后 经 Ｄ／Ａ 转换并参与逻辑控制。ＰＬＣ 控制器与风 机 专 用 变 频 器 之 间以通信的方式进行数 据 传 送，包 括 ＰＬＣ 控 制 器 发 送 给 风机变频器的控制命令，如控 制 字、模 式、目 标 转 速、目 标 转矩等；变频器返 回 的 工 作 参 数，如 母 线 电 压、供 电 电 流 等。该系统可实现主风机、备用 风 机 无 缝 切 换 运 行，也 可 以 双 风 机 运 行；对 风 机 既 可 以 变 频 控 制，也 可 以 工 频 控 制，既可以通风，也可以反风。系 统 通 过 操 作 台 可 以 实 现 在线实时显 示 和 集 中 控 制 。 ［４］ 另 外，该 系 统 预 留 有 网 络 接 口 和 通 信 接 口 ，以 方 便 后 期 的 自 动 化 升 级 改 造 。
变频控制策略，利用负压、风量等传感器对主通风系统运行环境进行实时监控 ，根据工作环境的 变 化，对 风
机转速进行微调，以 达 到 节 能 降 耗 的 目 的 。 实 际 使 用 情 况 表 明，所 研 究 的 变 频 控 制 策 略 满 足 预 期 设 计
目标。
关 键 词 变 频 器 ；风 机 ；可 编 程 序 控 制 器 ；节 能 ；控 制 策 略
Ｈ２ＡＱ１Ｏ 减小为 Ｈ３ＣＱ２Ｏ，即在 保 证 主 通 风 机 风 量 不 变
的 同 时，降 低 了 主 通 风 机 的 功 率 消 耗，从 而 起 到 节 能 的
效 果 。 ［５－６］
图１ 主通风机及管网的 Ｈ－Ｑ 特性曲线
收 稿 日 期 ：２０１９－０８－０２ 作 者 简 介 ：袁 彩 杰 （１９８７— ），男 ，河 南 汝 州 人 ，助 理 工 程 师 ，毕 业 于 中 国 矿 业 大 学 ，现 从 事 煤 矿 大 型 设 备 维 护 及 管 理 工 作 。