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變頻器在礦井通風機上的節能應用

1、礦井通風機

　　礦井通風機是煤礦生產的重要固定設備，其運行情況直接關系到煤礦生產的安全。在煤礦生產設備中，通風機設備主要用于通風系統對井下輸送新鮮空氣，增加井下氧氣濃度并排除井下有害氣體。通風系統通常是根據生產需要對壓力、風速、風量、溫度指標進行控制和調節以適應工藝需求和運行工況，而最常用的控制手段則是調節風門、擋板開度的大小來調整受控對象。這樣，不論生產的需求大小，通風機都要全速運轉，而運行工況的變化則使得能量以風門、擋板的節流損失掉了。這種調節方式，不僅控制精度受到限制，而且還造成大量的能源浪費和設備損耗，進而導致生產成本增加，設備使用壽命縮短，設備維護、維修費用高居不下。

　　風機在設計過程中很難計算管網管的阻力，更不易考慮到長期運行過程中發生的各種問題，因此，通常總是把系統的最大風量和風壓裕度作為選型的依據，同時風機的型號和系列分級是有限的，所以往往在選取不到合適的風機運行時就往上靠，使得裕度大于20%-30%的選型較為常見。這些過大裕度的風機運行時，只有靠調節風門或風道擋板的開度來滿足生產工藝對風量的要求。

　　采用調速控制裝置，通過改變通風機轉速，從而改變風機風量以適應生產工藝的需要，這種調節方式稱為風機的調速控制。風機以調速控制方式運行能耗最省，綜合效益最高。交流電動機的調速方式有多種，變頻調速是高效的最佳調速方案，它可以實現風機的無級調速，并可方便地組成閉環控制系統，實現恒壓、恒溫或恒風量控制。

　　2、礦井通風機用變頻器的選擇

　　變頻器在礦井通風機上的應用，其作用主要是兩方面，一是在礦井通風機上應用變頻器可以提升通風機的使用效率，即有節能的作用。二是提升了礦井通風系統的自動化控制程度，采用閉環控制方式可以有效提高通風機的自動控制程度并提高節能效果。那么，礦井通風機該如何選用變頻器呢？

　　首先來說，要考慮的是風機在現在的運行工況下，是否還有節能的潛力，如果現在運行時風門已經接近全部打開才能滿足礦井需要的風量，那么這臺風機就沒有了安裝變頻的必要；反之，則可以考慮選用變頻器來調速。其次，礦井通風機屬于平方轉矩類負載，應選用適合于通風機使用的通用型變頻器，一般根據主扇風機電動機的額定電流選用變頻器，變頻器的電壓等級應符合電源與電動機的額定電壓要求，額定輸出電流大于主扇風機電動機的額定電流，另外要注意變頻器經常運行頻率不能太低，防止電動機溫升過高。最后，要選用正規廠家、經過運行證明質量可靠、售后服務好的變頻器產品。

　　3、礦井通風機的變頻閉環控制系統

　　閉環控制是控制論的一個基本概念。指作為被控的輸出以一定方式返回到作為控制的輸入端，并對輸入端施加控制影響的一種控制關系。在控制論中，閉環通常指輸出端通過“旁鏈”方式回饋到輸入。輸出端回饋到輸入端并參與對輸出端再控制，這才是閉環控制的目的，這種目的是通過反饋來實現的。閉環控制是根據控制對象輸出反饋來進行校正的控制方式，它是在測量出實際與計劃發生偏差時，按定額或標準來進行糾正的。閉環控制，從輸出量變化取出控制信號作為比較量反饋給輸入端控制輸入量，一般這個取出量和輸入量相位相反，所以叫負反饋控制，自動控制通常是閉環控制。閉環控制有反饋環節，通過反饋系統使系統的精確度提高，響應時間縮短，適合于對系統的響應時間，穩定性要求高的系統。

3.1礦井通風機閉環控制系統的設計

　　礦井通風機的閉環控制系統，其主旨是在于解決現有的通風機不能根據現場環境進行工作狀態的自我調節，存在電能浪費及安全隱患的問題。礦井通風機閉環控制系統是由包括通風機、變頻器、可編程邏輯控制器來組成，可編程邏輯控制器配置有反饋信號采集單元，通風機、變頻器、邏輯控制器和負反饋采集單元構成閉環控制單元。該系統能實時采集礦井瓦斯濃度、風機風壓等數據對通風機轉速進行閉環控制，提高了智能化程度，有效的節約了電能，且通風機設置有過壓、欠壓、超溫保護裝置，當一臺通風機單元出現過壓、欠壓或溫度過高，可自動切換至另一臺通風機，實現了故障情況下智能切換通風機，使得礦井下能夠實時有通風機送風，提高了礦井下工作人員的安全系數。

　　3.2礦井通風機變頻閉環控制系統的組成

　　礦井通風機閉環控制系統通常是由通風機、變頻器、可編程邏輯控制器以及負責信號數據采集的瓦斯濃度傳感器、壓力變送器、溫度傳感器等組成。(見圖1)礦井通風機閉環控制系統至少包括2套由通風機、變頻器、可編程邏輯控制器以及信號采集單元構成的閉環控制單元，且每個閉環控制電路的可編程邏輯控制器形成互鎖。

　　3.3礦井通風機變頻閉環控制系統的具體實施

　　如圖所示，礦井通風機變頻閉環控制系統包括通風機、控制風機正反轉和轉速的變頻器、對變頻器輸出頻率進行控制的可編程邏輯控制器，用于采集反饋信號的反饋采集單元，包括瓦斯濃度傳感器與壓力變送器。

　　可編程邏輯控制器、變頻器風機、瓦斯濃度傳感器構成正反饋閉環C1，且閉環C1設為最高優先級，瓦斯濃度傳感器用于采集與其濃度反饋信號，當瓦斯濃度超過預設值或者上升時，瓦斯濃度信號就會反饋給可編程邏輯控制器，可編程邏輯控制器進行PID運算后控制風機轉速加快，即增大通風機的鼓風量，降低瓦斯濃度。

　　可編程邏輯控制器、變頻器、通風機、壓力變送器構成負反饋閉環C2，且閉環C2的優先級低于閉環C1，即當瓦斯濃度過高或者是上升的時候，閉環C2處于不工作狀態，只有當瓦斯濃度低于預設值或者是穩定不上升的時候，閉環C2的壓力變送器將風壓信號傳送給可編程邏輯控制器，如果風壓高于預設值，那么就下達指令給變頻器降低通風機轉速，達到節約電能的目的。通風機與電網之間設置有緊急啟動開關，當閉環系統如變頻器、可編程控制器、傳感器等出現故障問題時，可以將通風機直接接入電網，進行工頻50Hz的直接運行。

　　4、結束語

　　在礦井通風機上應用變頻控制技術，可以實現通風機的節能經濟運行并通過由PID或PLC、各類傳感器等組成風機變頻閉環控制系統，實現礦井通風系統的綜合自動化監控。礦井通風機閉環控制系統具有很強的實時監測和故障診斷能力，變頻器控制系統拖動通風機可以克服電機起動時大電流的沖擊，明顯提高通風機的管理水平，保證井下供風的安全、合理、穩定。