基于變頻調(diào)速通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)研究

李園園

（大同煤礦集團(tuán)馬道頭煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西大同037100）

煤礦主通風(fēng)機(jī)是保證整個(gè)礦井工作面安全生產(chǎn)的重要設(shè)備之一,能夠有效防止工作面瓦斯劑聚和爆炸。目前，礦用變頻調(diào)速主通風(fēng)機(jī)性能仍有需要改進(jìn)的地方，同時(shí)還應(yīng)加強(qiáng)通風(fēng)機(jī)設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、供電設(shè)備的性能參數(shù)等重要數(shù)據(jù)。同時(shí)對(duì)保證井下工作面安全生產(chǎn)、職工正常工作以及對(duì)提高煤礦的安全管理水平都具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 變頻技術(shù)在煤礦中的應(yīng)用

礦用風(fēng)機(jī)和泵是往井內(nèi)輸送新鮮空氣的主要設(shè)備,它們的工作原理和性能基本相近,其中礦用風(fēng)機(jī)設(shè)備中負(fù)荷轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比關(guān)系,并且對(duì)機(jī)械承載程度要求不高,因此可以通過調(diào)頻技術(shù)方式完成速度控制。但是近些年來，各種煤礦企業(yè)為了達(dá)到節(jié)能減耗的效果,因此不同煤礦特殊環(huán)境下設(shè)計(jì)的變頻器要求將更加嚴(yán)格，目前主要手段是通過對(duì)原有的主扇風(fēng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化節(jié)能改造或者在通風(fēng)口位置直接選用變頻器驅(qū)動(dòng)的新型風(fēng)機(jī)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)煤礦企業(yè)節(jié)能減耗。

2 礦井主通風(fēng)機(jī)及在線監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 主通風(fēng)機(jī)原理及軸流風(fēng)機(jī)的基本性能特性

礦用通風(fēng)機(jī)的工作原理是將電能通過機(jī)械能轉(zhuǎn)化為流體動(dòng)能和壓力能的一種動(dòng)力設(shè)備,目前我國(guó)大多數(shù)煤礦一般多采用軸流式。

（1）軸流風(fēng)機(jī)典型構(gòu)造及工作過程。軸流風(fēng)機(jī)典型構(gòu)造如圖1所示。軸流式風(fēng)機(jī)主要部件由1.輪轂；2.葉片；3.轉(zhuǎn)軸；4.圓筒形機(jī)殼；5.集流器；6.流線體；7.整流器；8.環(huán)形擴(kuò)散器組成。風(fēng)機(jī)葉輪由葉片和輪毅組成,而葉片多為機(jī)翼形扭曲葉片,起到了以引導(dǎo)氣流流動(dòng)的方向從而減小氣流流動(dòng)時(shí)能量的損失,再加上葉輪與導(dǎo)葉相對(duì)位置的不同，可分為前導(dǎo)葉、中導(dǎo)葉和后導(dǎo)葉集流器,起到了調(diào)節(jié)氣流流動(dòng)形式的作用,改變氣流紊流程度。

圖1 軸流式通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

如圖1所示，當(dāng)?shù)V用通風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，首先外界新鮮空氣沿風(fēng)機(jī)軸向方向進(jìn)入風(fēng)機(jī)葉輪內(nèi),隨著葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí),流入葉輪的新鮮空氣在葉片高速旋轉(zhuǎn)擠壓推動(dòng)作用下將產(chǎn)生一定方向的動(dòng)能和壓力能,氣流以此風(fēng)速由葉輪前端運(yùn)動(dòng)到后端最終送入井內(nèi)工作面。此時(shí),前端的新鮮空氣繼續(xù)補(bǔ)充進(jìn)來,葉片將繼續(xù)高速旋轉(zhuǎn)擠壓并推動(dòng)氣流,這樣便形成了沿軸向流出穩(wěn)定連續(xù)的循環(huán)風(fēng)流抽風(fēng)過程。

（2）軸流通風(fēng)機(jī)的性能曲線。礦井通風(fēng)機(jī)特性工作特性與其流量效率、壓力、輸出功率有著密切關(guān)系,因此可以通過這3條曲線來表示出軸流式通風(fēng)機(jī)性能曲線,軸流式通風(fēng)機(jī)特性曲線如圖2所示。通過軸流式風(fēng)機(jī)特性曲線圖不難發(fā)現(xiàn)影響通風(fēng)機(jī)的因素有很多種,其中包括礦用通風(fēng)機(jī)類型、葉片形狀、葉片安裝角度等,因此這些影響因素所造成的內(nèi)部摩擦損耗、沖擊渦流損失等都大不相同。因此,合理處理三者之間關(guān)系對(duì)礦用通風(fēng)機(jī)選型優(yōu)化和管理具有非常重要意義。

圖2 軸流式通風(fēng)機(jī)特性曲線

2.2 主通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)

礦用通風(fēng)機(jī)作為工業(yè)控制系統(tǒng),針對(duì)不同的工業(yè)控制要求進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì),而各類系統(tǒng)的基本要求大體如下：

（1）通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)操作簡(jiǎn)易。

（2）控制方案和軟件設(shè)計(jì)要求可靠,可靠性高，并設(shè)計(jì)各種安全保護(hù)措施。

（3）通用性好,便于擴(kuò)充。例如一臺(tái)以微型計(jì)算機(jī)為核心的控制裝置可以控制多個(gè)設(shè)備和不同的過程參數(shù)[1-2]。

由于同步碎石封層技術(shù)是通過瀝青或者改性瀝青和碎石的充分粘合后對(duì)地面進(jìn)行的養(yǎng)護(hù)處理，首先要對(duì)瀝青進(jìn)行加熱，改性瀝青加熱溫度控制在180～200℃之間，普通瀝青加熱溫度控制在160～170℃之間，再進(jìn)行瀝青的噴灑。為了減少外界溫度對(duì)施工的影響，在西北地區(qū)，一般將施工期選擇在6～9月期間，以此來降低天氣對(duì)施工效果的影響，并且盡可能的避免雨水天氣，保證瀝青膠和碎石粘合度，增大原材料的粘合度，提高封層質(zhì)量[3]。

作為整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分,風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立而完整的存在。詳細(xì)說明,即通過控制器的模擬輸入模塊和開關(guān)輸入模塊捕獲的下孔測(cè)量數(shù)據(jù)和在線傳輸是采集到的實(shí)際數(shù)據(jù)，通過輸出模塊進(jìn)行數(shù)字輸出，通過傳輸模塊進(jìn)行傳輸來達(dá)到對(duì)計(jì)算機(jī)及以太網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行在線監(jiān)控的目的。經(jīng)過系統(tǒng)的計(jì)算比較，主控計(jì)算機(jī)完美地結(jié)合了在線報(bào)警、信息查詢、設(shè)置打印等功能,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖3所示。

3 礦井主通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速與干擾處理

變頻器等電源設(shè)備頻率是控制電機(jī)調(diào)速裝置,調(diào)節(jié)方式的最優(yōu)化解決方式，調(diào)節(jié)緩和、傳輸穩(wěn)定,大型煤礦對(duì)于使用動(dòng)態(tài)調(diào)整的機(jī)電設(shè)備越來越普遍。然而,對(duì)于使用變頻器設(shè)備中會(huì)存在一定的諧波,就電網(wǎng)和微電子設(shè)備而言會(huì)產(chǎn)生干擾,而微電子設(shè)備也沒有被相應(yīng)的措施緩釋,分析了逆變器的工作原理和諧波干擾的原因,提出了在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的相關(guān)措施,以解決諧波干擾問題。

圖3 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖

3.1 變頻調(diào)速原理與逆變方式

(1)變頻調(diào)速原理。交流異步電動(dòng)機(jī)是由電流流經(jīng)電機(jī)繞組中的磁力線驅(qū)動(dòng)的,電機(jī)轉(zhuǎn)速與交流頻率成線性關(guān)系：

式中：f1——異步電機(jī)定子繞組上交流電的頻率；

w——交流電的角頻率；

p——異步電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)。

（2）變頻器的逆變方式。在調(diào)頻中使用恒幅間接變頻技術(shù)。它由二極管逆變器、整流電路和濾波電容器組成，如圖4、圖5所示。在三相交流電通過二極管整流器，直流電壓，再到逆變器，然后通過調(diào)節(jié)脈沖寬度和變頻器開關(guān)頻率，電壓調(diào)節(jié)，輸出三相交流電壓和調(diào)頻，用于負(fù)載。

圖4 PWM型間接變頻器電路圖

圖5 單相逆變電路簡(jiǎn)圖

3.2 風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在變頻諧波環(huán)境中的干擾及防治

（1）變頻器的諧波干擾。在工作條件下，逆變電路中的恒電流功率電路不能抵抗和消除諧波污染電源的變頻器的生產(chǎn)。造成恒流供電不再是在較高的諧波流量,導(dǎo)致在傳輸信號(hào)失真的變化,最終的結(jié)果是監(jiān)測(cè)參數(shù)偏離實(shí)際值,以確定正確的風(fēng)扇操作是誤導(dǎo)。因此,為了解決頻率轉(zhuǎn)換環(huán)境中的畸變問題，關(guān)鍵是要解決采集模塊恒流電源的干擾，以保證交叉電源保持不變[3-4]。

（2）監(jiān)控系統(tǒng)抗干擾具體解決措施：

①模塊和電容濾波器選擇常溫，消除溫度失真，系統(tǒng)選擇模塊完成正確的溫度信號(hào)采集和抗干擾保護(hù)，集成電路板焊接濾波電路，產(chǎn)生特殊的輸出端，易于安裝和維護(hù)。

②輸入模塊，信號(hào)屏蔽線輸出模塊，屏蔽接地，一般接地端，避免接地電位差引起線圈電流，造成干擾。

③項(xiàng)目工程信號(hào)、電源線、導(dǎo)線和變頻器主電路的控制線應(yīng)按分層布置，分別與溝道行走,逆變主回路控制直線和直線距離,干擾嚴(yán)重情況,應(yīng)佩戴控制回路電纜管,切斷輻射干擾。

④獨(dú)立信號(hào)接地和接地保護(hù)系統(tǒng),從各行各業(yè)確保良好的接地,地面至粗、短,一般采用橫截面積大于銅線的強(qiáng)端子。

4 結(jié)語

本文通過查閱獲取礦山開采、風(fēng)機(jī)通風(fēng)、變頻監(jiān)控、自動(dòng)化處理等礦井通風(fēng)相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,闡述了我國(guó)煤炭企業(yè)現(xiàn)狀和節(jié)能降耗的必要性,介紹了能源和節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀,我國(guó)礦山生產(chǎn)活動(dòng),尤其是礦井通風(fēng)系統(tǒng)的調(diào)整，結(jié)合實(shí)際工業(yè)領(lǐng)域,對(duì)煤礦風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了分析。