基于变频调速通风机在线监控系统研究

李园园

（大同煤矿集团马道头煤业有限责任公司，山西大同037100）

煤矿主通风机是保证整个矿井工作面安全生产的重要设备之一,能够有效防止工作面瓦斯剂聚和爆炸。目前，矿用变频调速主通风机性能仍有需要改进的地方，同时还应加强通风机设备在线监测系统、供电设备的性能参数等重要数据。同时对保证井下工作面安全生产、职工正常工作以及对提高煤矿的安全管理水平都具有非常重要的现实意义。

1 变频技术在煤矿中的应用

矿用风机和泵是往井内输送新鲜空气的主要设备,它们的工作原理和性能基本相近,其中矿用风机设备中负荷转矩与转速的平方成正比关系,并且对机械承载程度要求不高,因此可以通过调频技术方式完成速度控制。但是近些年来，各种煤矿企业为了达到节能减耗的效果,因此不同煤矿特殊环境下设计的变频器要求将更加严格，目前主要手段是通过对原有的主扇风机进行优化节能改造或者在通风口位置直接选用变频器驱动的新型风机，进而实现整个煤矿企业节能减耗。

2 矿井主通风机及在线监控系统

2.1 主通风机原理及轴流风机的基本性能特性

矿用通风机的工作原理是将电能通过机械能转化为流体动能和压力能的一种动力设备,目前我国大多数煤矿一般多采用轴流式。

（1）轴流风机典型构造及工作过程。轴流风机典型构造如图1所示。轴流式风机主要部件由1.轮毂；2.叶片；3.转轴；4.圆筒形机壳；5.集流器；6.流线体；7.整流器；8.环形扩散器组成。风机叶轮由叶片和轮毅组成,而叶片多为机翼形扭曲叶片,起到了以引导气流流动的方向从而减小气流流动时能量的损失,再加上叶轮与导叶相对位置的不同，可分为前导叶、中导叶和后导叶集流器,起到了调节气流流动形式的作用,改变气流紊流程度。

图1 轴流式通风机结构简图

如图1所示，当矿用通风机运行时，首先外界新鲜空气沿风机轴向方向进入风机叶轮内,随着叶轮旋转时,流入叶轮的新鲜空气在叶片高速旋转挤压推动作用下将产生一定方向的动能和压力能,气流以此风速由叶轮前端运动到后端最终送入井内工作面。此时,前端的新鲜空气继续补充进来,叶片将继续高速旋转挤压并推动气流,这样便形成了沿轴向流出稳定连续的循环风流抽风过程。

（2）轴流通风机的性能曲线。矿井通风机特性工作特性与其流量效率、压力、输出功率有着密切关系,因此可以通过这3条曲线来表示出轴流式通风机性能曲线,轴流式通风机特性曲线如图2所示。通过轴流式风机特性曲线图不难发现影响通风机的因素有很多种,其中包括矿用通风机类型、叶片形状、叶片安装角度等,因此这些影响因素所造成的内部摩擦损耗、冲击涡流损失等都大不相同。因此,合理处理三者之间关系对矿用通风机选型优化和管理具有非常重要意义。

图2 轴流式通风机特性曲线

2.2 主通风机在线监控系统

矿用通风机作为工业控制系统,针对不同的工业控制要求进行系统设计,而各类系统的基本要求大体如下：

（1）通风机系统操作简易。

（2）控制方案和软件设计要求可靠,可靠性高，并设计各种安全保护措施。

（3）通用性好,便于扩充。例如一台以微型计算机为核心的控制装置可以控制多个设备和不同的过程参数[1-2]。

由于同步碎石封层技术是通过沥青或者改性沥青和碎石的充分粘合后对地面进行的养护处理，首先要对沥青进行加热，改性沥青加热温度控制在180～200℃之间，普通沥青加热温度控制在160～170℃之间，再进行沥青的喷洒。为了减少外界温度对施工的影响，在西北地区，一般将施工期选择在6～9月期间，以此来降低天气对施工效果的影响，并且尽可能的避免雨水天气，保证沥青胶和碎石粘合度，增大原材料的粘合度，提高封层质量[3]。

作为整个监控系统的重要组成部分,风机在线监控系统是一个独立而完整的存在。详细说明,即通过控制器的模拟输入模块和开关输入模块捕获的下孔测量数据和在线传输是采集到的实际数据，通过输出模块进行数字输出，通过传输模块进行传输来达到对计算机及以太网络进行在线监控的目的。经过系统的计算比较，主控计算机完美地结合了在线报警、信息查询、设置打印等功能,系统结构框架如图3所示。

3 矿井主通风机变频调速与干扰处理

变频器等电源设备频率是控制电机调速装置,调节方式的最优化解决方式，调节缓和、传输稳定,大型煤矿对于使用动态调整的机电设备越来越普遍。然而,对于使用变频器设备中会存在一定的谐波,就电网和微电子设备而言会产生干扰,而微电子设备也没有被相应的措施缓释,分析了逆变器的工作原理和谐波干扰的原因,提出了在线监测系统的相关措施,以解决谐波干扰问题。

图3 系统框架结构图

3.1 变频调速原理与逆变方式

(1)变频调速原理。交流异步电动机是由电流流经电机绕组中的磁力线驱动的,电机转速与交流频率成线性关系：

式中：f1——异步电机定子绕组上交流电的频率；

w——交流电的角频率；

p——异步电动机的磁极对数。

（2）变频器的逆变方式。在调频中使用恒幅间接变频技术。它由二极管逆变器、整流电路和滤波电容器组成，如图4、图5所示。在三相交流电通过二极管整流器，直流电压，再到逆变器，然后通过调节脉冲宽度和变频器开关频率，电压调节，输出三相交流电压和调频，用于负载。

图4 PWM型间接变频器电路图

图5 单相逆变电路简图

3.2 风机监测系统在变频谐波环境中的干扰及防治

（1）变频器的谐波干扰。在工作条件下，逆变电路中的恒电流功率电路不能抵抗和消除谐波污染电源的变频器的生产。造成恒流供电不再是在较高的谐波流量,导致在传输信号失真的变化,最终的结果是监测参数偏离实际值,以确定正确的风扇操作是误导。因此,为了解决频率转换环境中的畸变问题，关键是要解决采集模块恒流电源的干扰，以保证交叉电源保持不变[3-4]。

（2）监控系统抗干扰具体解决措施：

①模块和电容滤波器选择常温，消除温度失真，系统选择模块完成正确的温度信号采集和抗干扰保护，集成电路板焊接滤波电路，产生特殊的输出端，易于安装和维护。

②输入模块，信号屏蔽线输出模块，屏蔽接地，一般接地端，避免接地电位差引起线圈电流，造成干扰。

③项目工程信号、电源线、导线和变频器主电路的控制线应按分层布置，分别与沟道行走,逆变主回路控制直线和直线距离,干扰严重情况,应佩戴控制回路电缆管,切断辐射干扰。

④独立信号接地和接地保护系统,从各行各业确保良好的接地,地面至粗、短,一般采用横截面积大于铜线的强端子。

4 结语

本文通过查阅获取矿山开采、风机通风、变频监控、自动化处理等矿井通风相关文献的基础上,阐述了我国煤炭企业现状和节能降耗的必要性,介绍了能源和节能技术的应用现状,我国矿山生产活动,尤其是矿井通风系统的调整，结合实际工业领域,对煤矿风机的特点和监测系统进行了分析。