變頻控制技術(shù)在回坡底煤礦洗煤廠風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用

秦玉龍

（山西焦煤霍州煤電汾河焦煤公司回坡底煤礦洗煤廠,山西 霍州 031400）

1 概況

回坡底煤礦是山西汾河焦煤股份有限公司下屬礦井。礦井相對瓦斯涌出量為2.48m3/t，絕對瓦斯涌出量為3.69m3/t，瓦斯涌出量呈逐增趨勢，旗下洗煤廠年洗選能力為150萬t/年。

回坡底礦采出原煤后會儲存在地面洗煤廠的煤倉中，在洗煤廠集中進(jìn)行貯存和洗選作業(yè)。由于儲煤倉多為封閉或半封閉立式結(jié)構(gòu)，在原煤進(jìn)入儲煤倉的過程中，會封堵掉煤倉的下口，這樣煤倉的上倉口與煤倉儲煤之間會形成一個獨(dú)立的封閉空間即盲倉，當(dāng)?shù)撞績Υ娴脑翰粩噌尫懦鐾咚购螅瑫e聚在此封閉的空間內(nèi)，隨著煤倉內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊牟粩嗌仙?，?dāng)發(fā)生瓦斯超限時(shí)必定會發(fā)生安全事故。為了有效解決這一安全隱患，回坡底礦洗煤廠采取強(qiáng)制通風(fēng)的措施，利用風(fēng)機(jī)將煤倉內(nèi)的瓦斯排出倉外。本文針對回坡底礦洗煤廠現(xiàn)有風(fēng)機(jī)耗電量大及自動化控制水平較低的技術(shù)缺陷，提出了有效的變頻控制技術(shù)方案，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

2 變頻控制技術(shù)在洗煤廠風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用

在洗煤廠中，風(fēng)機(jī)具有抽放瓦斯及吸塵的功能，在風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中，要想實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的，必須要根據(jù)環(huán)境的實(shí)際需求，有效調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)量的大小，有效減少風(fēng)機(jī)空轉(zhuǎn)的時(shí)間。

2.1 變頻控制風(fēng)機(jī)的方案設(shè)計(jì)

變頻器的作用主要是通過改變電源頻率來控制風(fēng)機(jī)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)風(fēng)量的自動化控制。本設(shè)計(jì)方案采取閉環(huán)控制系統(tǒng)，利用瓦斯傳感器來檢測煤倉內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊淖兓闆r，并將采集后的瓦斯?jié)舛茸鳛榉答佇盘柾ㄟ^A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后傳送至PLC (可編程控制器)內(nèi)，可編程控制器接收信號后通過與設(shè)定值進(jìn)行對比分析，并根據(jù)分析結(jié)果作出相應(yīng)的控制措施，進(jìn)而來調(diào)節(jié)變頻器對風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，實(shí)現(xiàn)瓦斯抽放的目的。

本系統(tǒng)的主要組成結(jié)構(gòu)有風(fēng)機(jī)電動機(jī)、變頻器、PLC（可編程控制器）、瓦斯傳感器、供電模塊等等。其中PLC主要選用德國西門子公司的S7-200系列PLC，CPU選用的是224型號，該小型可編程控制器具備單獨(dú)使用和組網(wǎng)的功能，能夠順利完成相對復(fù)雜的控制，性價(jià)比較高。其CPU的輸入口和輸出口分別為14個和10個；具有較強(qiáng)的擴(kuò)展功能，能夠匹配多個外接功能模塊，多達(dá)168個數(shù)字I/O接口和35個模擬I/O接口；能夠快速計(jì)算出高達(dá)30kHz的脈沖信號；其具有很強(qiáng)的控制能力，且便于安裝。系統(tǒng)可輸出兩個控制點(diǎn)，分別是變頻控制模式和工頻工作模式。其主電路圖如下圖1所示。

圖1 變頻控制系統(tǒng)主電路圖

2.2 控制電路設(shè)計(jì)

變頻控制系統(tǒng)的控制電路如下圖2所示，本設(shè)計(jì)控制方案具備兩個工作模式：一是當(dāng)系統(tǒng)在50Hz或60Hz頻率情況下運(yùn)行時(shí)，KA2開關(guān)會斷開電路；二是在輸入頻率為50Hz或60Hz，而輸出頻率可以控制的情況下運(yùn)行時(shí)，KA2開關(guān)閉合電路。因此，我們可以通過控制KA2開關(guān)的斷開和閉合來實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)工作模式的切換。

圖2 系統(tǒng)控制電路示意圖

2.3 變頻器的選型及接線

在挑選變頻器的過程中，應(yīng)優(yōu)先考慮變頻器的控制方式。目前市場上常用的變頻器控制方式如下表1所示，通過表格可知，在矢量控制中通過添加編碼器后，速比可以達(dá)到1∶1000，靜態(tài)精度達(dá)到最高值。當(dāng)采用U/f=C的正弦脈寬調(diào)制（SPWM）控制方式時(shí)，在低頻率情況下負(fù)載的電流較小，可以有效避免因負(fù)載電流過大而燒壞電機(jī)。

表1 變頻器控制方式對比參數(shù)表

通過對比篩選，最終確定選用西門子公司的MICRO MASTER 430變頻器，該變頻器是用于控制三相交流電動機(jī)速度的變頻器系列，特別適用于水泵和風(fēng)機(jī)的驅(qū)動。該變頻器的電源電壓及功率范圍：3AC 380至480V±10%，47Hz至63Hz，7.5kW至250kW。在電磁環(huán)境應(yīng)用過程中不對其他機(jī)電設(shè)備產(chǎn)生干擾；其內(nèi)部具有比例增益、積分系數(shù)、微分系數(shù)等控制器；可有效控制過快電流的變化，避免過度跳閘發(fā)生；其具備的集成RS485聯(lián)網(wǎng)通信接口可提高響應(yīng)速度。此外變頻器的保護(hù)功能也十分全面，具有過電壓、欠電壓、過載、接地、短路、過溫等多種保護(hù)功能，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

瓦斯傳感器的型號主要選擇的是GJ40型甲烷濃度傳感器，其檢測范圍在0～10%內(nèi)，可持續(xù)將檢測到的瓦斯信號轉(zhuǎn)換為電信號并通過RS485通信接口上傳到上位機(jī)，動態(tài)顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化，當(dāng)瓦斯超限時(shí)會發(fā)出報(bào)警信號。

圖3 變頻器接線結(jié)構(gòu)示意圖

3 風(fēng)機(jī)改造前后的效果分析

（1）對回坡底煤礦洗煤廠改造后的風(fēng)機(jī)設(shè)備進(jìn)行了半個月的穩(wěn)定運(yùn)行測試，在沒有改造以前，測試半個月（總工作時(shí)間為290h）總電量為26530kWh，即每小時(shí)用電91.48kWh。改造以后，共測試13天（共190h）總用電量為9939.5kWh，每小時(shí)用電約為52.31kWh。通過改造前后對比可知，改造后每小時(shí)的用電量減少了39.17kWh，這樣如果一個月兩班制工作，每天工作16h的話，每年將節(jié)約電量約225619.2kWh。按現(xiàn)在電價(jià)0.5元/kWh計(jì)算的話，一年將節(jié)約電費(fèi)約112809.6元，這樣一年就能收回變頻器的成本，企業(yè)長遠(yuǎn)經(jīng)濟(jì)效益顯著。

（2）在未采取變頻控制技術(shù)前，當(dāng)工頻直接驅(qū)動時(shí)，驅(qū)動電流較大，對風(fēng)機(jī)電動機(jī)的機(jī)械沖擊和損耗較大，造成風(fēng)機(jī)風(fēng)量的浪費(fèi)，在調(diào)節(jié)過程中需要人工去調(diào)節(jié)閥門增加勞動力。通過變頻改造后，風(fēng)機(jī)可以根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際情況調(diào)節(jié)風(fēng)量的大小，同時(shí)還有利于設(shè)備的平穩(wěn)啟動和運(yùn)行，減少電網(wǎng)沖擊和設(shè)備的機(jī)械損耗，節(jié)能減排，降低工人的勞動強(qiáng)度。