通風機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的設計

王 偉

（山西晉煤集團金明礦業(yè)有限責任公司， 山西 晉城 048006）

引言

通風機作為綜采工作面的關鍵設備，其主要為工作面輸送新鮮空氣，保證綜采工作面的瓦斯?jié)舛?、煤塵濃度在《煤炭安全規(guī)程》的許用范圍之內(nèi)。在實際生產(chǎn)過程中，為了確保通風機通風量大于其需風量，通風機通常以最大負載情況下運行[1]。因此，為解決通風機耗能嚴重且自動化程度較低的問題，本文將變頻調(diào)速控制系統(tǒng)應用于通風機的控制中，使得通風機能夠根據(jù)工作面的需風量對其通風量進行實時控制。

1 通風機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的總體設計

1.1 通風系統(tǒng)概述

本文以掘進機工作面的局部通風系統(tǒng)為研究對象。目前，應用于掘進工作面通風機的工作模式分為壓入式、抽出式以及混合式三種。由于抽出式通風對工作面的要求較高，混合式通風系統(tǒng)容易導致工作面的安全性降低。因此，在實際生產(chǎn)中常采用壓入式通風方式。對于掘進工作面而言，瓦斯的涌出特點總結如下：掘進工作面所涌出的瓦斯不易被監(jiān)測；掘進工作面如果缺乏高效的通風系統(tǒng)，容易導致瓦斯堆積[2]。

經(jīng)研究可知，影響瓦斯涌出的因素主要包括有：工作面煤層及巖層瓦斯含量；煤層的開采深度、開采順序以及采煤工藝等。針對本文所研究掘進工作面的特點，為保證對工作面瓦斯?jié)舛鹊木_監(jiān)測，將瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞣謩e安裝于掘進巷道的迎頭處（1號）、掘進巷道的中間位置（2號）以及回風巷的拐彎處（3號）。各個瓦斯?jié)舛葌鞲衅鲌缶?、斷電以及復電的基準值如?所示。

表1 掘進工作面瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞴δ芙缦拊O置

1.2 通風機變頻調(diào)速系統(tǒng)的總體設計

一般情況下，工作面通風機的配置均采用“一用一備”的使用原則。因此，將工作面兩臺通風機采用兩套獨立的變頻調(diào)速系統(tǒng)控制，且為其配置兩套獨立的電源供電系統(tǒng)。要求兩套獨立的變頻調(diào)速系統(tǒng)均能夠根據(jù)工作面的需風量實時通過變頻器控制通風機的電機轉速，從而實現(xiàn)對通風機通風量的控制[3]。而且，在正常工況下兩臺通風機可隨意切換運行，兩套變頻調(diào)速系統(tǒng)之間可進行實時通信。

此外，由于綜采工作面的環(huán)境相對惡劣，采用常規(guī)算法對通風機進行變頻控制，容易受到工作面電磁信號的干擾。因此，為了提高控制系統(tǒng)的抗干擾性能，減少其超調(diào)量，本文針對通風機的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)采用模糊控制器實現(xiàn)。根據(jù)控制要求，為每套變頻調(diào)速控制配置獨立的模糊控制器，且控制器的數(shù)量均為四套。根據(jù)掘進工作面通風機工況的不同，其對應變頻器的工作頻率范圍也不同，具體如表2所示。

表2 不同工況下通風機變頻器輸出頻率

2 通風機變頻調(diào)速系統(tǒng)模糊控制器的設計

在實際掘進過程中，通風系統(tǒng)的運行狀態(tài)受瓦斯?jié)舛取⒐ぷ髅嫱L風速、工作面溫度以及當前工作面的掘進深度有關。其中，工作面的溫度由溫度傳感器采集；根據(jù)控制需求為瓦斯?jié)舛?、工作面掘進深度和工作面風速設計模糊控制器[4]。

基于模糊控制器可對實時采集到的瓦斯?jié)舛?、掘進深度以及風速與給定值進行對比。當二者存在偏差時基于CPU輸出對應的控制信號經(jīng)D/A轉換后轉換為可對執(zhí)行結構控制的模擬量。模糊控制的原理框圖如圖1所示。

圖1 模糊控制器原理框圖

當前，應用于工程應用中模糊控制器的類型包括有自調(diào)整因子模糊控制器、PID模糊控制器以及常規(guī)模糊控制器。而且，自調(diào)整因子控制器、PID控制器的響應速度和性能明顯優(yōu)于常規(guī)模糊控制器。為解決掘進工作面瓦斯聚集的問題，變頻調(diào)速系統(tǒng)采用雙模自調(diào)整模糊控制器，其將工作面1號瓦斯?jié)舛葌鞲衅魉杉降臄?shù)值作為1號開關和2號開關輸出信號的判斷依據(jù)。具體如下：

當1號瓦斯?jié)舛葌鞲衅魉杉酵咚沟臐舛却笥?.5%時，開關量輸出為1，即通風機處于正常運行狀態(tài)；當2號瓦斯?jié)舛葌鞲衅魉杉酵咚沟臐舛刃∮?.5%時，開關量輸出為0，即通風機處于超限排放運行狀態(tài)。

3 通風機變頻調(diào)速系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)的設計

為驗證前文所設計變頻調(diào)速模糊控制器的性能，本文搭建相應的控制平臺對其進行試驗研究。其中變頻調(diào)速系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)平臺分為主回路和控制回路的設計。

3.1 主電路器件的選型設計

主回路通過采集變頻調(diào)速模糊控制系統(tǒng)中變頻器的模糊控制信號和PWM信號實現(xiàn)對其回路的控制[5]。本文著重對變頻調(diào)速模糊控制系統(tǒng)中主電路的器件進行選型設計，選型結果如表3所示。

3.2 控制電路器件的選型設計

表3 主電路器件的選型結果

控制電路是實現(xiàn)變頻調(diào)速模糊控制功能的關鍵。為確保通風機變頻調(diào)速模糊控制系統(tǒng)的性能，對控制回路中電子器件提出要求，具體選型結果見表4。

表4 控制回路器件的選型結果

4 通風機變頻調(diào)速模糊控制效果的驗證

結合所搭建的變頻調(diào)速模糊控制系統(tǒng)的模型，本文通風機所選用異步電機的額定功率為3 kW，額定轉速為1 440 r/min。基于變頻調(diào)速模糊控制系統(tǒng)主回路和控制回路驗證變頻模糊控制的效果，試驗結果如表5所示。

表5 試驗結果

5 結論

1）采用變頻調(diào)速系統(tǒng)與模糊控制系統(tǒng)相結合的方式實現(xiàn)了對通風機的節(jié)能、自動化控制的目的。

2）基于雙模自適應模糊控制器與變頻器相結合的控制方式能夠根據(jù)工作面巷道內(nèi)的瓦斯?jié)舛葘崟r對通風機的轉速進行控制，且實現(xiàn)對通風機運行狀態(tài)的控制。