基于變頻技術(shù)的軸流式風(fēng)機特性研究

胡利明　蔣曙光　李欽華

【摘 要】通過建立通風(fēng)機性能測定實驗系統(tǒng)，測定了基于變頻技術(shù)軸流式通風(fēng)機在不同頻率下（25Hz-50Hz）的性能參數(shù)，在此基礎(chǔ)上繪制了風(fēng)量—風(fēng)壓、風(fēng)量—功率、風(fēng)量—效率等風(fēng)機性能曲線，并分析得出軸流式風(fēng)機特性曲線在不同頻率下的分布是均勻的，同時可通過變頻調(diào)節(jié)較方便地對風(fēng)機風(fēng)量等參數(shù)進行調(diào)控。最后對實驗結(jié)論進行了驗證，確保了實驗結(jié)果的正確性。

【關(guān)鍵字】軸流式風(fēng)機；變頻；性能曲線

一、引言

井下空氣的瓦斯?jié)舛却笮∨c巷道通風(fēng)是否通暢、風(fēng)量是否充足有直接關(guān)系。目前煤礦主要依靠離心式風(fēng)機和軸流式風(fēng)機為井下提供風(fēng)量和動力，其中大多數(shù)礦井通過改變風(fēng)機的葉片角度來改變風(fēng)機運行工況和改變井下風(fēng)量[1]。

二、通風(fēng)機性能測定實驗系統(tǒng)

為了實現(xiàn)測試基于變頻技術(shù)軸流式風(fēng)機性能的目的，實驗人員研發(fā)了ZSCD-I型礦井主通風(fēng)機參數(shù)測定系統(tǒng)，如圖1所示。該系統(tǒng)為分布式系統(tǒng)，主要包括風(fēng)速、風(fēng)溫測定子系統(tǒng)部分，以及大氣壓、電機軸溫度、通風(fēng)機靜壓、電機轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)、電機參數(shù)測定子系統(tǒng)，通訊系統(tǒng)和上位機等部分。

（一）風(fēng)速、風(fēng)溫測定子系統(tǒng)

該系統(tǒng)由皮托管、溫度傳感器組成，經(jīng)PLC（S7-200）、EM231直接測出風(fēng)速和風(fēng)溫。風(fēng)速測定范圍為0～45m/s，輸出標(biāo)準(zhǔn)信號范圍為4～20mA，溫度測定范圍為-20～200℃。

（二）大氣壓、通風(fēng)機靜壓、電機軸溫、電機轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)

該系統(tǒng)由相對靜壓傳感器、溫度傳感器、大氣壓力傳感器、自制轉(zhuǎn)速測定儀組成。

（三）電機參數(shù)測定子系統(tǒng)

該系統(tǒng)由EDA9033AC模塊及電源組成[4]，用來測定電機相電壓、相電流、功率、效率等參數(shù)；EDA9033AC輸入為三相電壓（0～500V）、三相電流（0～1000A）。

（四）通訊系統(tǒng)

1、硬件部分主要采用西蒙子PLC485通訊的自由口模式與上位機通訊。2、軟件部分主要對采集的數(shù)據(jù)進行計算，并在上位機程序的主界面中直接顯示各相關(guān)參數(shù)，包括各測點的位置、擬合的性能參數(shù)曲線以及上位機與各分模塊的通訊狀態(tài)，而且此程序可以自動輸出和打印測定報告。

三、系統(tǒng)實驗與數(shù)據(jù)分析

（一）前期準(zhǔn)備

1、搭建實驗風(fēng)筒。在此基礎(chǔ)上，使用變頻器（日普RP3200變頻器）與風(fēng)機相連，調(diào)節(jié)變頻器的頻率來調(diào)節(jié)風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，從而改變風(fēng)機的個體特性。

2、風(fēng)阻的調(diào)節(jié)。本實驗利用人工制作的擋板來實現(xiàn)對風(fēng)阻的改變。擋板共有三個，其中兩個為正方形，每個中間有不同直徑的圓形挖空，將擋板套在風(fēng)筒的一端，由于圓孔直徑的不同，造成風(fēng)筒內(nèi)產(chǎn)生不同數(shù)值的阻力；另外一個擋板為圓形，整個擋板鉆有140個相同的圓孔，并且每個圓孔配有黑色橡膠塞2。

（二）實驗測定流程

1、根據(jù)現(xiàn)場試驗的條件，在合適的位置放置主機，應(yīng)考慮電磁的干擾，避免其離變頻器太近，按照步驟連接性能測定系統(tǒng)，建立及時通訊。

2、測定工作開始，在無擋板遮蔽風(fēng)筒的情況下，即風(fēng)筒內(nèi)阻力最小時打開軸流式風(fēng)機，測定實時環(huán)境參數(shù)，將變頻器頻率從25HZ逐步增加到50Hz，并測定在相應(yīng)頻率下風(fēng)機的性能參數(shù)，在電腦終端上選擇所要的工況點，繪制風(fēng)機性能特性曲線；

3、在風(fēng)筒一端套上擋板I，重復(fù)以上步驟，繪制風(fēng)機性能特性曲線；

4、將擋板II套在風(fēng)筒的一端，重復(fù)1的步驟，繪制風(fēng)機性能特性曲線；

5、將擋板III套在風(fēng)筒上，并把相應(yīng)的圓孔用橡膠塞從外圈到內(nèi)圈相繼堵住，打開風(fēng)機，測定不同風(fēng)阻情況下相應(yīng)的環(huán)境參數(shù)，把變頻器頻率從25Hz逐步調(diào)節(jié)到50Hz，并測定風(fēng)機性能特性曲線。

6、實驗人員在不同風(fēng)阻的情況下（8個不同阻值），即在一般情況下掌握8個測點，依次測得從25Hz到50Hz下的風(fēng)機特性曲線。

（三）實驗結(jié)果及分析

實驗選取8個測點，實際測得25Hz到50Hz下的風(fēng)機工況參數(shù)，主要包括風(fēng)量、風(fēng)壓、大氣壓力、空氣溫度、空氣密度、風(fēng)機效率和功率，即26組特性參數(shù)。根據(jù)所得數(shù)據(jù)，分別將數(shù)據(jù)曲線繪制出來，下面根據(jù)所得實驗結(jié)果，從三個方面對通風(fēng)機性能曲線進行分析。

1、風(fēng)量—風(fēng)壓特性曲線分析

一般來說，軸流式風(fēng)機的風(fēng)壓特性曲線較陡，并有一個“馬鞍形”的“駝峰”區(qū)，但由于本實驗所采用的SF4-2風(fēng)機不是礦用防爆型通風(fēng)機，在測量時存在漏風(fēng)較嚴重的現(xiàn)象，加上變頻器本身的損耗（一般在4%左右），實際測得的二次擬合曲線較為平穩(wěn)，并趨近于直線，與理論上的性能曲線相比，并沒有“馬鞍形”的“駝峰”區(qū)的出現(xiàn)。

2、風(fēng)量—效率特性曲線分析

按照同樣的方法選取不同頻率下的26組風(fēng)量和效率數(shù)據(jù)形成的曲線繪制在一張圖表上。由圖可以看出，當(dāng)變頻器頻率由26Hz提高到50Hz時，風(fēng)量從小到大逐漸增加，通風(fēng)機的效率也逐漸增大，并且增大到最大值后逐漸呈下降趨勢，而26條曲線的趨勢基本一致并相互重合，說明了同一風(fēng)機在相似工況點下的效率是相等的。

3、風(fēng)量—功率特性曲線分析

隨著變頻器功率的增加，軸流式風(fēng)機的轉(zhuǎn)速相應(yīng)增加，風(fēng)量不斷增加，當(dāng)有效功率增大到最大值后，隨著風(fēng)量的增加而逐漸減小。且當(dāng)變頻器頻率越高，風(fēng)機的有效功率相比之下能達到的最大值也越大，26條風(fēng)量—功率特性曲線的趨勢是相對一致的，證明調(diào)節(jié)頻率來對風(fēng)機性能調(diào)節(jié)的可靠性較高。

四、結(jié)論

結(jié)果分析表明，軸流式風(fēng)機特性曲線在不同頻率下的分布是均勻的，通過變頻調(diào)節(jié)可以較容易地對風(fēng)量等參數(shù)進行調(diào)控。最后，利用傾斜壓差計等機械式儀器對對本實驗采用的硬件和軟件系統(tǒng)進行校正實驗，驗證了風(fēng)機性能測定系統(tǒng)及所測得數(shù)據(jù)的可靠性。

參考文獻：

[1] 王啟立，胡亞非，劉頎等. 便攜式通風(fēng)機綜合性能測試系統(tǒng)的研制[J]. 風(fēng)機技術(shù)， 2004， （6）： 37-38.

[2] 齊振邦. 風(fēng)機變頻調(diào)速應(yīng)用現(xiàn)狀及節(jié)能原理[J]. 風(fēng)機技術(shù)， 2000， （3）： 39-41.

[3] 商坤，王建軍. 變頻調(diào)速在煤礦礦井通風(fēng)機上的應(yīng)用[J]. 煤礦安全， 2006， 37（7）： 18-20.

[4] 遲洪有，蔣曙光，吳征艷等. EDA9033A在分布式風(fēng)機性能測試系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 工礦自動化， 2010， 36（12）： 93-95.

作者簡介：胡利明（1971-）， 男，漢，湖南汨羅市，副教授， 中國礦業(yè)大學(xué)在讀博士研究生，主要從事通風(fēng)方面的教學(xué)和科研工作。