矿用对旋式通风机变频调速控制系统的应用研究

候 英，程 龙

（1．兰州理工大学，甘肃兰州730050；2．天水电气传动研究所有限责任公司，甘肃天水741020）

矿用对旋式通风机变频调速控制系统的应用研究

候 英1，程 龙2

（1．兰州理工大学，甘肃兰州730050；2．天水电气传动研究所有限责任公司，甘肃天水741020）

分析了矿用通风机的运行机理、负载特性及风量调节方法，对几种风量调节方法进行了比较研究，并分析了变速调节风量的优越性。将变频调速技术和PLC控制技术相结合，提出了两种目前适用于通风机的变频调速系统主回路拓扑。介绍了协调控制的两种方案，其在实际工程项目中的应用结果表明，其具有更高的控制性能和更优良的节能特性。

对旋轴流；协调控制；Profibus－DP；主从通讯

1 引言

在煤矿生产中，通风机担负着向井下输送新鲜空气，排放粉尘和各种有毒气体的重任，它的运行状况直接影响着矿井的安全生产。矿用通风机需要长时间不间断地运转，一旦停风就有可能引起瓦斯浓度升高甚至引起爆炸，威胁井下工作人员的生命安全，且随着全社会环保节能意识的增强，研制安全、可靠、高效、节能的通风机控制系统对于保障煤矿的安全生产是非常必要的。

在煤矿实际生产过程中，通风机的运行方式需要切换，其风量、风压需要不断地调节和监测。近年来，电力电子技术及自动化控制技术迅猛发展，基于自动化控制的煤矿通风控制技术得到了较快发展。目前设计的矿用对旋轴流式通风机已经采用了变频调速技术，但其自动化控制程度不高，还不能实现自动同步启动、协调控制及监控一体化功能。本文提出一种以PLC技术、变频技术、组态技术相结合来控制煤矿通风机运行的全新控制模式。针对通风机负载的特性，采用简单的开环控制模式，克服传统模式以调节风门大小来控制通风机风量耗能的缺陷。采用通讯方式实现主从控制，解决矿用对旋轴流式通风机协调控制的问题。通过上位机监控软件实现对通风机各种运行参数的实时监测、报警等。在保障系统稳定可靠运行的同时，进一步优化煤矿通风机控制系统的性能，使系统始终运行在安全高效的状态。

2 矿用通风机概述

2．1 通风机运行机理

通风机系统主要由主电机、冷却风机、电机加热器、润滑站、风门等几部分构成。如图1所示为通风机的风道装置布置图。

图1 通风机风道装置布置图

目前使用广泛的通风机主要有离心式通风机和轴流式通风机。矿井生产中使用较多的是对旋轴流式通风机（其结构示意图如图2所示），其第一级叶轮与第二级叶轮相距很近，分别由两台容量及型号相同的防爆专用电动机驱动，两级叶轮旋转方向相反。当空气流入一级叶轮获得能量后经二级叶轮排出，二级叶轮兼顾了静叶的功能，增加气流的能量，从而达到普通轴流式风机不能达到的高效率、高风压。由于煤矿通风机的重要性，通常配置2套相同结构的通风机，互为备用。

图2 对旋轴流式通风机示意图

2．2 通风机负载特性

风机为变负载设备，负载的大小与风机转速有直接关系。通风机电动机所需功率可用下式计算：

式中：K—电动机功率备用系数，一般取1．1～1．2；

Q—通风机工况点的风量（m3／s）；

H—通风机工况点的风压（Pa）；

ηmec—由通风机性能曲线查得的工况点效率；

ηi——传动效率。

风量Q、风压H、功率P的变化与转速比的一次方、二次方、三次方成正比，即：

其中：n1、n2—通风机调节前后的转速（r／min）；

Q1、Q2—通风机转速调节前后的风量（m3／s）；

H1、H2—通风机转速调节前后的风压（Pa）；

P1、P2—通风机转速调节前后的功率（w）。

2．3 通风机风量调节方法

通风机的风量调节，可通过改变风机本身的特性曲线或外部管网的特性曲线来进行，必要时可通过同时改变二者以得到所需要的风量。应按照是否改变风机转速来选择调节风量的方法。

（1）风机恒速时的风量调节方法

有以下几种调节方法：改变风机工作叶轮叶片安装角度的风量调节；采用前导器的风量调节；风门调节。

（2）风机变速风量调节方法

通过改变风机转速的方法实现风机特性的变化，获得最佳运行工况点，从而得到合理的风量及风压大小。

根据风机压力流量特性曲线分析，在提供同样风量的情况下，若采用变速调节，不仅风压可大幅降低，而且通风机所消耗的电能也明显减少，这种方式是通风机节能运行的最有效方案。

3 风机变频调速原理及系统设计

3．1 变频调速的基本原理及控制方式

三相异步电动机的调速可通过以下方法实现：改变电动机磁极对数调速；改变转差率调速；改变电源频率调速。

目前变频器的控制方式主要有以下几种：V／F控制方式；矢量控制方式；直接转矩控制方式。

相比而言，采用V／F控制方式的变频器由于其控制算法简单，成本较低，故比较适用于对调速性能要求不高的负载，该类变频器被广泛应用于矿井通风机的调速控制系统中。

3．2 变频器的结构与选型

目前，矿用通风机电机有6／10kV高压电机和400V／690V低压电机两种电机。根据所选用电机电压等级的不同，应用于矿用通风机的变频器有以下两种结构：

（1）H桥级联型高压变频器（6／10kV）

高压变频器采用交－直－交高压变频方式，主电路开关元件为IGBT。6kV高压变频器主回路如图3所示，交直交变频器主回路基本结构如图4所示，变频器采用功率单元串联、叠波升压。主隔离变压器原边为Y型接法，直接与高压相接。副边绕组数量依变频器电压等级及结构而定，6kV系列为18个，延边三角形接法，为每个功率单元提供三相电源输入。输入侧隔离变压器二次线圈经过移相，为功率单元提供电源，对6kV而言相当于36脉冲不可控整流输入，消除了大部分由单个功率单元所引起的谐波电流，大大抑制了网侧谐波（尤其是低次谐波）的产生，可称为“完美无谐波高压变频器”。

（2）低压交直交变频器（400V／690V）

低压交直交变频器则先把工频交流电先整流为直流电，然后经滤波环节后将直流电转换为频率、电压可控的交流电。目前，使用最多的通用变频器是交直交变频器。主电路包括整流器、中间直流环节、逆变器和控制电路组成。有电压源型和电流源型两种类型的变频器，其区别仅在于中间直流环节的滤波形式不同，电压源型采用电容器滤波，电流源型采用直流电抗器滤波。

图3 6kV高压变频器主回路

图4 交直交变频器主回路基本结构

4 对旋式通风机的协调控制

由对旋轴流式通风机工作原理及其示意图2可知，在煤矿实际生产过程中会根据不同的风量、风压要求，通风机可以下面三种方式工作：

（1）前置叶轮和后置叶轮同时运转；

（2）前置叶轮停止后置叶轮运转；

（3）前置叶轮运转后置叶轮停止。

为了方便控制通风机的风量和风压，需要对通风机内置两台电动机协调控制，以实现同步启动、同步调速和同步停机。下面提出两种解决通风机电机协调控制的方案。

4．1 系统采用Profibus－DP总线的控制方式，采用PLC做为主控制器，变频器作为从站与主站PLC进行通讯，其系统组态总线结构如图5所示。

图5 DP总线示意图

以图5中所示为例，对变频器的控制方案又可分为2种方式：

（1）DP地址为3和4的变频器互为主从机，PLC主站通过现场总线接收1＃变频器的控制指令，再通过现场总线将其发送给2＃变频器，2＃变频器将跟随1＃变频器启动停止。

（2）1＃、2＃变频器直接与主站通讯，分别同时接受PLC主站的控制命令，不存在主从关系，进而实现同步控制。

两种控制方法均可在组态完成之后通过直接调用功能块SFC14／SFC15来实现PLC与变频器间控制字与状态字的读写操作。如图6所示，只需填写相应的地址就可执行读写操作。

图6 主从站通讯程序示意图

4．2 若系统整体配置无PLC参与控制，可将两组互为备用的变频器分为主从控制机组。主从机采用串行通讯方式，设定通讯地址与对应的控制参数之后，在主机接到控制命令的同时发送该命令给从机，实现同步控制之目的。这种方案亦可解决协同控制的问题，且控制方案配置简单，成本较低，其系统结构如图7所示。

图7 串行通讯示意图

5 设计实例

为提高通风机系统性能和运行效率，我们对某煤矿通风机电控系统进行改进与升级，其总体方案如图8所示，系统由以下几部分组成：

（1）操作系统：由两台操作员站和两套S7－300 PLC组成，采用Profibus－DP现场总线进行系统通讯及信号交换。

图8 系统总体设计方案

系统采用冗余及容错技术，具有数据备份、数据恢复功能及完善的防范措施（如权限认证、防病毒等），可保证系统安全、稳定运行。操作台采用人性化设计，操作简单，安全可靠，且拥有良好的人机界面。若系统监测到Master异常时，则自动无间隙实现Slave的投入，不影响通风机系统的正常使用。

（2）监控系统：主通风机在线监测系统由取压装置、监测传感器（或变送器）、开停状态传感器、数据传输及控制装置、通风机性能监测装置、监控计算机、打印机、监测监控及数据联网软件等组成。传感器数据经由从站ET200M汇集后通过现场总线与PLC和上位机进行数据交换。系统预留标准TCP／IP接口，方便与矿山生产调度网络联接，具有远程监控功能，能够连续在线监测矿井主通风机风量、负压、轴承温度、绕组温度、电流、电压、功率等参数以及风硐风门、风机开停等运行状态，具有高效、稳定、可靠、实时的数据采集、存储、管理、分析等功能，能够为用户提供丰富的图表、统计、信息打印等功能，并能方便用户及时了解风机运行状况，能够为煤矿的安全生产提供保障。

（3）调速系统：系统根据矿方对通风机运行方式的选择，能够满足整个矿井对风量和风压的要求。系统传动部分由4台变频器分两组采用主从控制方案将每台变频器作为从站链接到DP总线上，以方便上位机实时读取变频器需要上传的运行状态参数。两组变频器中的从机不直接受控于上位机，当PLC与主机通过功能块SF14／SFC15完成数据读写之后，主机将其接到的控制命令经由变频器间的并行通讯接口传递至从机，从而实现两台变频器间的协调控制，并可根据实际需要更改变频器的输出频率等。

改进后的传动装置在满足《矿山电力规范》和《煤矿安全规程》等标准要求的前提下，还根据通风机具体运行工况增加了相应的保护功能。同时，系统变频装置的输出波形未引起电机的谐振，整个调速范围内的谐波畸变（包括电压和电流）小于2%，完全满足标准IEEE519－1992和GB／T14549－1993的谐波抑制要求，且未影响同一电网上其他设备的正常运行。

6 结束语

随着工业自动化水平的不断提高，通风机控制从简单的非变速风量调节控制向智能控制方向发展。本文在广泛调研和参考大量国内外技术文献的基础上，以安全可靠、简单高效为基本原则，对原有的矿用通风机控制系统进行改造完善，通过解决对旋轴流式通风机协同控制等问题，得到了能够完全适应工业生产要求的控制技术方案，并将其投入实际应用。现场调试结果表明，系统的可靠性和自动化水平明显提高，节能效果良好。

［1］吴燕翔，李权任，成 萍．基于PLC的矿井通风机变频控制系统的设计［J］．科学技术与工程，2009．

［2］傅源方，高 丽，张永建．通风机变频调速工况自动控制系统研究［J］．矿山机械，2004（03）：12－13．

［3］北京合康亿盛科技有限公司．HIVERT系列高压变频器用户手册［Z］．2000．

［4］姚景峰，马春燕，刘 鹏，等．基于S7－400H PLC和Win CC的通风机集控系统设计［J］．煤矿机械，2013，34（5）：279－281．

［5］陈忠平．西门子S7－300／400系列PLC自学手册［M］．北京：人民邮电出版社，2010．

Research on application of variable frequency speed control system for mine disrotatory axial－flow fan

HOU Ying1，CHENG Long2

（1．Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China；2．Tianshui Electric Drive Research Institute Co．，Ltd．，Tianshui 741020，China）

The operation mechanism，load characteristics and air volume adjustment method of the mine disrotatory axial－flow fan are analyzed．The several air volume adjustment methods are compared and studied，and the advantages of the variable－speed adjustment method for air volume are analyzed．By combining the variablefrequency speed control technology and PLC control technology，the two main circuit topologies of the variablefrequency speed－regulation system are put forward，which are suitable for the mine disrotatory axial－flow fan at present．The two coordination control schemes are given，and their applications to the actual engineering projects show that the control schemes have high control performance and perfect energy saving characteristics．

disrotatory axial flow；coordination control；Profibus－DP；master－slave communication

TD724

A

1005—7277（2016）06—0020—05

候英（1994－），女，甘肃武威人，硕士研究生，主要研究方向为电力电子与电力传动。

2016－09－10

程龙（1988－），男，甘肃酒泉人，本科，主要研究方向为矿山电气控制系统。