楊 光

（平煤神馬集團(tuán)平煤股份 一礦，河南 平頂山467000）

礦井通風(fēng)機(jī)依靠電機(jī)進(jìn)行拖動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，通風(fēng)機(jī)風(fēng)量一般按照礦井最大風(fēng)量進(jìn)行設(shè)定，這樣會(huì)促使通風(fēng)機(jī)在礦井生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常處于低負(fù)荷運(yùn)行〔1－2〕。風(fēng)機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行會(huì)造成電機(jī)大馬拉小車效率降低、風(fēng)機(jī)故障率高、通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性差等問(wèn)題，這樣會(huì)一定程度的增加礦井生產(chǎn)成本。實(shí)踐表明，通過(guò)改變通風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速可以實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)風(fēng)量的改變，進(jìn)而促使通風(fēng)機(jī)處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，目前調(diào)速技術(shù)主要包括定子電壓調(diào)速、串級(jí)調(diào)速、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、變頻調(diào)速等，其中變頻器調(diào)速已經(jīng)證明是最為直接、有效的調(diào)速方式，不僅可以有效地實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)電機(jī)的無(wú)級(jí)變頻調(diào)速和恒壓、恒風(fēng)量控制，對(duì)于降低風(fēng)機(jī)耗電量也有起著較好的作用〔3－5〕。現(xiàn)以軸流式風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象進(jìn)行通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速改造試驗(yàn)研究，通風(fēng)機(jī)所配電機(jī)功率為2×250kW，通風(fēng)機(jī)最大風(fēng)量12600m3／min。

1 風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能原理

通風(fēng)機(jī)運(yùn)行需要電機(jī)拖動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，風(fēng)機(jī)所配電機(jī)為交流異步電機(jī)，雖然該類電機(jī)具有體積小、運(yùn)行性能可靠、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但是其相比于直流電機(jī)存在的問(wèn)題是調(diào)速?gòu)?fù)雜。隨著交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，調(diào)速技術(shù)已經(jīng)發(fā)展為定子電壓調(diào)速、串級(jí)調(diào)速、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、變頻調(diào)速等，其中轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速為目前最為廣泛的調(diào)速方式，其缺點(diǎn)控制方式復(fù)雜，電阻器、電刷等設(shè)備損壞率高，調(diào)速性能較低，靜差率高、啟動(dòng)沖擊電流大，對(duì)于提高通風(fēng)機(jī)運(yùn)行性能較為不利；同時(shí)，因通風(fēng)機(jī)往往依照最大設(shè)計(jì)所需風(fēng)量進(jìn)行供風(fēng)，故其電能消耗量大。變頻調(diào)速已經(jīng)被證明是調(diào)速效果最好的調(diào)速方式，也越來(lái)越被普及。根據(jù)電機(jī)拖動(dòng)原理可知，對(duì)于異步電機(jī)而言，通過(guò)改變輸入到電機(jī)定子繞組電源頻率可以改變?cè)撾姍C(jī)同步轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，而電機(jī)轉(zhuǎn)速隨同步轉(zhuǎn)速變化而變化，即當(dāng)電源頻率降低時(shí)，同步轉(zhuǎn)速降低，電機(jī)轉(zhuǎn)速也隨著降低，反之亦然。通過(guò)改變電源頻率來(lái)達(dá)到電機(jī)調(diào)速的技術(shù)稱為變頻調(diào)速，變頻調(diào)速的基本原理是向電機(jī)提供頻率可變的供電電源，進(jìn)而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。理論和實(shí)踐表明，單靠改變電源頻率會(huì)因影響電機(jī)機(jī)械性能而不能實(shí)現(xiàn)電機(jī)正常調(diào)速，故在實(shí)踐中可通過(guò)恒磁通調(diào)壓變頻調(diào)速、恒功率調(diào)速和轉(zhuǎn)差頻率調(diào)速等調(diào)速方式進(jìn)行控制。

圖1為礦井軸流式通風(fēng)機(jī)壓力（H）－流量（Q）特性曲線圖，A、B、C分別為軸流式通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)。圖1中曲線1為調(diào)節(jié)前H－Q特性曲線，A點(diǎn)風(fēng)量為Q1，當(dāng)風(fēng)量由Q1減至Q2時(shí)，工況點(diǎn)由A變?yōu)锽，軸功率面積BH2OQ2相應(yīng)減少；曲線2為變頻調(diào)速后的H－Q特性曲線，工況點(diǎn)由A變?yōu)镃，軸功率面積CH3OQ2明顯BH2OQ2更小，且兩者之差即為節(jié)省所得氣體功率。理論研究表明，軸流式通風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行過(guò)程中，風(fēng)量與轉(zhuǎn)速成正比，功率與轉(zhuǎn)速的三次方呈正比。故通過(guò)變頻調(diào)速來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的降低可大幅度降低風(fēng)機(jī)的輸入功率，例如風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速將低1／2，則風(fēng)量為原來(lái)風(fēng)量的1／2，功率僅為原來(lái)的1／8，節(jié)能效果顯著，而這一過(guò)程的實(shí)現(xiàn)可以利用變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖1 軸流式通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓（H）－風(fēng)量（Q）特性曲線

2 PLC控制變頻調(diào)速方案

2.1 變頻器的結(jié)構(gòu)和選擇

變頻器可分為交－交變頻器和交－直－交變頻器兩種，前者可直接將工頻交流電變?yōu)榭煽亟涣麟?，后者通過(guò)整流器、逆變器等組件后方可變?yōu)榭煽亟涣麟?。結(jié)合礦井風(fēng)機(jī)和通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)際情況，決定選用由西門子公司生產(chǎn)的MM430型變頻器，該型變頻器具有2個(gè)模擬輸入、6個(gè)隔離帶數(shù)字輸入和多個(gè)繼電器輸入，電機(jī)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)組、信號(hào)源等參數(shù)設(shè)定值可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)相互切換，同時(shí)具有15個(gè)可編程固定頻率、4個(gè)跳轉(zhuǎn)頻率和集成通信接口等。變頻器具有良好的過(guò)載、過(guò)壓、過(guò)熱、防失速等保護(hù)功能，另外，還可通過(guò)二進(jìn)制互聯(lián)技術(shù)在數(shù)字、通信等輸入與輸出之間建立布爾關(guān)系式，進(jìn)行其他功能的編程。

2.2 PLC的選擇和應(yīng)用

可編程控制器（PLC）主要由中央處理器、I／O接口、輸入電源、存儲(chǔ)器等元件組成。其中，中央處理器是可編程控制器的核心組件，由控制器、運(yùn)算器等元件組成，主要起到控制、接收和存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)的作用，同時(shí)可對(duì)故障和錯(cuò)誤進(jìn)行診斷和處理；存儲(chǔ)器主要起到數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)作用，I／O接口是起到接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的接口組件。結(jié)合試驗(yàn)條件決定選用S7－200系列可編程控制器，該型號(hào)PLC具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、通信功能強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，其核心組件采用CPU226，運(yùn)算速度和存儲(chǔ)能力相比于以往的CPU224提高了近30%，且可實(shí)現(xiàn)在線程序編輯。目前，采用PLC對(duì)變頻器進(jìn)行控制主要有頻率輸出控制端子的邏輯組合方式、通過(guò)通訊監(jiān)視變頻器方式和模擬量控制方式三種，考慮到現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中采用2臺(tái)變頻器控制2臺(tái)軸流式風(fēng)機(jī)，為一對(duì)一控制，且通訊距離較短，故決定采用模擬量控制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)變頻器的控制。

3 PLC變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PLC控制程序包括主控制程序、各子程序和中斷程序等部分（見(jiàn)圖2）。主程序可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的變頻、各子程序和中斷程序的控制，實(shí)現(xiàn)PLC控制系統(tǒng)的各保護(hù)功能；在主程序執(zhí)行前，需對(duì)風(fēng)機(jī)自動(dòng)變頻進(jìn)行判斷，若風(fēng)機(jī)自動(dòng)變頻則逐步啟動(dòng)初始化和檢查子程序，若其余各子程序運(yùn)行正常，且變頻器無(wú)故障，使用現(xiàn)場(chǎng)安全可靠，則啟動(dòng)風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速控制，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)瓦斯情況進(jìn)行程序的中斷和持續(xù)；當(dāng)風(fēng)機(jī)不能自動(dòng)變頻時(shí)，則判斷其是否為手動(dòng)變頻，然后根據(jù)是否手動(dòng)變頻進(jìn)行變頻器故障診斷和瓦斯?jié)舛扰袛?，若濃度不超限則進(jìn)行工頻運(yùn)行，若瓦斯超則控制中斷。

《煤礦安全規(guī)程》要求，礦井電機(jī)、開關(guān)工作所處地點(diǎn)附近20m范圍內(nèi)瓦斯?jié)舛瘸^(guò)1.5%時(shí)必須切斷電源，以防瓦斯事故。考慮到礦井條件的復(fù)雜性，決定采用模糊控制法對(duì)瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行區(qū)域劃分，在不同瓦斯?jié)舛葏^(qū)域范圍內(nèi)制定變頻器模擬供電電源頻率和電壓值，進(jìn)而通過(guò)改變輸入電壓頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)的調(diào)速。根據(jù)礦井實(shí)際情況，設(shè)定瓦斯?jié)舛葹?～0.5%時(shí)，供電電源頻率為30Hz，變頻器輸入電壓為6.0V；瓦斯?jié)舛葹?.5%～0.8%時(shí)，供電電源頻率為34Hz，變頻器輸入電壓為6.8V；瓦斯?jié)舛葹?.8%～1.0%時(shí)，供電電源頻率為40Hz，變頻器輸入電壓為8V；瓦斯?jié)舛葹?.0%～1.3%時(shí)，供電電源頻率為46Hz，變頻器輸入電壓為9.2V；瓦斯?jié)舛葹?.3%～1.5%時(shí)，供電電源頻率為50Hz，變頻器輸入電壓為10V。

圖2 PLC主控制程序流程框圖

4 應(yīng)用效果分析

通過(guò)技術(shù)改造實(shí)現(xiàn)了礦井通風(fēng)機(jī)的基于PLC控制的變頻調(diào)速，有助于提高通風(fēng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性和使用壽命。同時(shí)，通過(guò)變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)了通風(fēng)機(jī)平滑無(wú)級(jí)啟動(dòng)和自動(dòng)調(diào)速，對(duì)于提高通風(fēng)機(jī)節(jié)能降耗也有著積極的意義，根據(jù)近期運(yùn)行效果可知，自通風(fēng)機(jī)改造以來(lái)，礦井每月可節(jié)約用電45000kWh，折合人民幣約3.25萬(wàn)元。我國(guó)《節(jié)約能源法》已經(jīng)將變頻調(diào)速技術(shù)作為節(jié)能重點(diǎn)推廣技術(shù)，且隨著國(guó)內(nèi)煤炭形勢(shì)的不斷下滑，通過(guò)PLC控制的變頻技術(shù)可有效實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)節(jié)能，提高通風(fēng)機(jī)使用性能和使用壽命，對(duì)于實(shí)現(xiàn)礦山節(jié)能降耗和提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要的意義。

〔1〕趙永剛，許愛(ài)娟 .變頻器在煤礦主通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用〔J〕.煤礦機(jī)電，2010，（2）：89－91.

〔2〕尹成勇 .高壓變頻器在煤礦通風(fēng)機(jī)的應(yīng)用〔J〕.山東煤炭科技，2009，（1）：133.

〔3〕賈永偉 .變頻器在煤礦主通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用〔J〕.內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì)，2013，（1）：79.

〔4〕梁南丁，李焱琳 .基于高壓變頻器技術(shù)的礦井通風(fēng)機(jī)節(jié)能改造〔J〕.機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2010，23（3）：166－167.

〔5〕李佳睿 .礦井通風(fēng)機(jī)中壓變頻器調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用〔J〕.機(jī)械管理開發(fā)，2013，（2）：102－104.