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变频器在矿井通风机上的节能应用

1、矿井通风机

　　矿井通风机是煤矿生产的重要固定设备，其运行情况直接关系到煤矿生产的安全。在煤矿生产设备中，通风机设备主要用于通风系统对井下输送新鲜空气，增加井下氧气浓度并排除井下有害气体。通风系统通常是根据生产需要对压力、风速、风量、温度指标进行控制和调节以适应工艺需求和运行工况，而最常用的控制手段则是调节风门、挡板开度的大小来调整受控对象。这样，不论生产的需求大小，通风机都要全速运转，而运行工况的变化则使得能量以风门、挡板的节流损失掉了。这种调节方式，不仅控制精度受到限制，而且还造成大量的能源浪费和设备损耗，进而导致生产成本增加，设备使用寿命缩短，设备维护、维修费用高居不下。

　　风机在设计过程中很难计算管网管的阻力，更不易考虑到长期运行过程中发生的各种问题，因此，通常总是把系统的最大风量和风压裕度作为选型的依据，同时风机的型号和系列分级是有限的，所以往往在选取不到合适的风机运行时就往上靠，使得裕度大于20%-30%的选型较为常见。这些过大裕度的风机运行时，只有靠调节风门或风道挡板的开度来满足生产工艺对风量的要求。

　　采用调速控制装置，通过改变通风机转速，从而改变风机风量以适应生产工艺的需要，这种调节方式称为风机的调速控制。风机以调速控制方式运行能耗最省，综合效益最高。交流电动机的调速方式有多种，变频调速是高效的最佳调速方案，它可以实现风机的无级调速，并可方便地组成闭环控制系统，实现恒压、恒温或恒风量控制。

　　2、矿井通风机用变频器的选择

　　变频器在矿井通风机上的应用，其作用主要是两方面，一是在矿井通风机上应用变频器可以提升通风机的使用效率，即有节能的作用。二是提升了矿井通风系统的自动化控制程度，采用闭环控制方式可以有效提高通风机的自动控制程度并提高节能效果。那么，矿井通风机该如何选用变频器呢？

　　首先来说，要考虑的是风机在现在的运行工况下，是否还有节能的潜力，如果现在运行时风门已经接近全部打开才能满足矿井需要的风量，那么这台风机就没有了安装变频的必要；反之，则可以考虑选用变频器来调速。其次，矿井通风机属于平方转矩类负载，应选用适合于通风机使用的通用型变频器，一般根据主扇风机电动机的额定电流选用变频器，变频器的电压等级应符合电源与电动机的额定电压要求，额定输出电流大于主扇风机电动机的额定电流，另外要注意变频器经常运行频率不能太低，防止电动机温升过高。最后，要选用正规厂家、经过运行证明质量可靠、售后服务好的变频器产品。

　　3、矿井通风机的变频闭环控制系统

　　闭环控制是控制论的一个基本概念。指作为被控的输出以一定方式返回到作为控制的输入端，并对输入端施加控制影响的一种控制关系。在控制论中，闭环通常指输出端通过“旁链”方式回馈到输入。输出端回馈到输入端并参与对输出端再控制，这才是闭环控制的目的，这种目的是通过反馈来实现的。闭环控制是根据控制对象输出反馈来进行校正的控制方式，它是在测量出实际与计划发生偏差时，按定额或标准来进行纠正的。闭环控制，从输出量变化取出控制信号作为比较量反馈给输入端控制输入量，一般这个取出量和输入量相位相反，所以叫负反馈控制，自动控制通常是闭环控制。闭环控制有反馈环节，通过反馈系统使系统的精确度提高，响应时间缩短，适合于对系统的响应时间，稳定性要求高的系统。

3.1矿井通风机闭环控制系统的设计

　　矿井通风机的闭环控制系统，其主旨是在于解决现有的通风机不能根据现场环境进行工作状态的自我调节，存在电能浪费及安全隐患的问题。矿井通风机闭环控制系统是由包括通风机、变频器、可编程逻辑控制器来组成，可编程逻辑控制器配置有反馈信号采集单元，通风机、变频器、逻辑控制器和负反馈采集单元构成闭环控制单元。该系统能实时采集矿井瓦斯浓度、风机风压等数据对通风机转速进行闭环控制，提高了智能化程度，有效的节约了电能，且通风机设置有过压、欠压、超温保护装置，当一台通风机单元出现过压、欠压或温度过高，可自动切换至另一台通风机，实现了故障情况下智能切换通风机，使得矿井下能够实时有通风机送风，提高了矿井下工作人员的安全系数。

　　3.2矿井通风机变频闭环控制系统的组成

　　矿井通风机闭环控制系统通常是由通风机、变频器、可编程逻辑控制器以及负责信号数据采集的瓦斯浓度传感器、压力变送器、温度传感器等组成。(见图1)矿井通风机闭环控制系统至少包括2套由通风机、变频器、可编程逻辑控制器以及信号采集单元构成的闭环控制单元，且每个闭环控制电路的可编程逻辑控制器形成互锁。

　　3.3矿井通风机变频闭环控制系统的具体实施

　　如图所示，矿井通风机变频闭环控制系统包括通风机、控制风机正反转和转速的变频器、对变频器输出频率进行控制的可编程逻辑控制器，用于采集反馈信号的反馈采集单元，包括瓦斯浓度传感器与压力变送器。

　　可编程逻辑控制器、变频器风机、瓦斯浓度传感器构成正反馈闭环C1，且闭环C1设为最高优先级，瓦斯浓度传感器用于采集与其浓度反馈信号，当瓦斯浓度超过预设值或者上升时，瓦斯浓度信号就会反馈给可编程逻辑控制器，可编程逻辑控制器进行PID运算后控制风机转速加快，即增大通风机的鼓风量，降低瓦斯浓度。

　　可编程逻辑控制器、变频器、通风机、压力变送器构成负反馈闭环C2，且闭环C2的优先级低于闭环C1，即当瓦斯浓度过高或者是上升的时候，闭环C2处于不工作状态，只有当瓦斯浓度低于预设值或者是稳定不上升的时候，闭环C2的压力变送器将风压信号传送给可编程逻辑控制器，如果风压高于预设值，那么就下达指令给变频器降低通风机转速，达到节约电能的目的。通风机与电网之间设置有紧急启动开关，当闭环系统如变频器、可编程控制器、传感器等出现故障问题时，可以将通风机直接接入电网，进行工频50Hz的直接运行。

　　4、结束语

　　在矿井通风机上应用变频控制技术，可以实现通风机的节能经济运行并通过由PID或PLC、各类传感器等组成风机变频闭环控制系统，实现矿井通风系统的综合自动化监控。矿井通风机闭环控制系统具有很强的实时监测和故障诊断能力，变频器控制系统拖动通风机可以克服电机起动时大电流的冲击，明显提高通风机的管理水平，保证井下供风的安全、合理、稳定。