通风机的变频调速驱动及保护

1、离心式和轴流式通风机的工作原理1.1 特性曲线在通风机系统中，通风机的静压是控制机外管路损失压力的动力，而动压部分一 般难以利用，即都是损失的能量。据介绍，因为，通风机在最佳工况时的动压头Pfdy能占到总压力的10%20%,所以，静压效率 st是衡量实际经济性能的重要指标。离心式通风机的特性曲线前向导叶和后向导叶有明显差异如图1所示。图1离心式通风机特性曲线前者则压力一流量(Pf (qv)曲线有驼峰形，功率一流量(Pqv)曲线呈上升形，大流量时风机有过载产生。后者则压力一流量(Pf qv)曲线呈递降形,功率一流量(Pqv)曲线有峰值,大流量时不会过载，效率比前向风机稍高一些。轴流式风机典型的特

2、性曲线如图2所示。图2轴流式通风机特性曲线其特点：一是升压曲线有驼峰形。在这一状况下各种流动损失比较小，风机可达Irw最佳状态，升压特性也有良好的稳定性；二是在较小流量区压力 一流量(Pf qv)曲线曲线跌落明显，是不稳定工况区；三是零流量时功率值较大，有 些风机还可能处于最大功率状态。轴流式通风机的特性曲线陡斜有驼峰，工况点只能在驼峰右侧，相对应用范 围较小，适用于矿井阻力变化大而风量变化不大的矿井。还有一部分轴流式通风 机，在改进装置后，性能曲线已无驼峰。因离心式通风机的特性曲线较平缓，一般没有驼峰，适用于风量变化较小而 阻力变化不大的矿井，所以，离心式通风机可用闸门调节风量，应用范围较广

3、。 虽然离心式通风机最高效率比轴流式通风机要高 ，但离心式通风机的平均效率 不如轴流式通风机高。1.2 通风机运行 工况点的调节在运行中，用户人为地去改变系统的平衡工作点就是工况的调节。 实现调节 的途径：一是改变管网特性，使风机特性迁移变化；二是改变风机特性，使工作 点沿管网特性曲线迁移变化。前者可通过调节闸门开度实现 ，方便但不经济；后 者与前者相比有一定的节能性。调节风机转速对离心式通风机和轴流式通风机都适用 ，经济性能良好，但投 入较大。轴流式通风机性能还可通过改变动叶或静叶安装角度、改变叶轮级数、改变叶轮数量等方法进行调节，经济性能良好。离心式通风机性能调节一般采用闸门调节法 ，通风

4、阻力较大，经济性能较差， 虽然也可通过调节转速和采用导流器调节的方法，但有一定的局限性或较复杂性，还未普遍采用。总之，离心式通风机的可调性不如轴流式通风机。对现代大型轴流通风机的叶轮叶片和导叶叶片的安装角可以做成可调节的， 这样可提高风机的运行范围，使它在经济性能方面比离心式通风机有了更广的 适应性。当然，由于性能参数上的不同特点，二者必然有相互不可取代的地方。R为工作风阻H为风压 Q为风量 M为工况点二、调速系统在煤矿的安全生产中,矿井通风系统起着极其重要的作用,它是煤矿安全生产的关键环节 " 而矿井局部通风机又是矿井通风系统的主要设备之一,因此对其进行PLC 控制的变频调速系统的

5、设计和研究,不仅可以大大提高煤矿生产的机械化 ! 自动化水平,还能节省大量的电能,具有较高的经济效益"本课题的研究目的是利用 PLC 控制技术、 变频调速技术和组态监控技术,设计局部通风机的变频调速控制系统" 当井下掘进巷道延伸时,风机的管网阻力增加 ,风机的出气风量随之减少" 为了解决这一问题 ,本课题通过对风机实验特性曲线的研究 ,提出了一种控制风机风量的算法"该控制算法使用压力传感器采集管道的出气风压信号,根据风机的比例定律求出风量达到设定值时风机需要达到的转速 ,再根据变频器模拟输入电压与风机转速的线性关系,求出变频器模拟输入电压与风机出气风压的

6、理论拟合关系 "根据此拟合关系 ,就可以由传感器采集的风压信号求出相应的变频器模拟输入电压,从而改变风机输入电源电压的频率,调整风机的转速,控制风机的出气风量"矿井通风机按结构来分,有离心通风机和轴流通风机, 目前矿上使用最多的是轴流通风机"轴流通风机是气体沿轴向进入旋转叶片通道, 由叶片与气体的相互作用 ,使气体被压缩并沿轴向排出的通风机"在两级的轴流通风机中 ,有一种性能比较好的轴流通风机）对旋式轴流通风机,它的一个叶轮装在另一个叶轮的后面,同时两个叶轮的旋转方向彼此相反" 它具有结构尺寸短,效率高,反风性能好的特点 ,在矿井中的应用最为普

7、遍" 矿井通风机若按其具体作用来分, 有两种 :一种是主通风机（主扇）,用来向井下输送新鲜空气,其流量较大,多采用轴流式的 ,也有用离心式的 ;另一种是局部通风机（局扇）,用于矿井中掘进工作面的通风其流量 !压力均小,多采用防爆轴流通风机。由于矿井通风机是煤矿通风系统的主要设备之一,其运行状况直接影响着煤矿的安全生产 " 目前 ,许多煤矿的主通风机控制系统采用继电器控制 ,而局部通风机采用防爆开关直接控制供电 "风机的启动 ! 停止依然采用人工完成,不能做到根据故障情况自动开停风机,这不利于通风机机房管理水平的提高和煤矿的自动化安全生产 3" 另外 ,为

8、了控制掘进工作面上的风量,传统的方法多采用增阻法!减阻法和辅助通风机调节法" 当掘进巷道开始掘进时,管网阻力比较小,风机的出气风量比较大,可减小局部通风机橡胶管道的直径,从而间接增加管网的阻力 ,减小风机的出气风量; 当井下掘进巷道延伸时,通风管网的阻力不断增加,掘进巷道中的风量随之不断减少,可增加局部通风机橡胶管道的直径,从而间接减小管网的阻力增加风机的出气风量"若橡胶管道的直径恢复到原始大小 ,仍不能满足掘进工作面上风量的要求时,需要串级局部通风机或更换大功率的局部通风机"无论使用何种传统的调节方法,风机依然处于工频恒速运行,使得大量的能量从流中损失掉了 ,这

9、不利于能源的节约利用,而且这种调节只适合较长阶段的风量调节,不能根据井下掘进工作面的状况进行风量的及时调节"随着可编程控制器(PLC)和变频技术的快速发展，PLC和变频器己经广泛应用于各种自动化控制领域"在煤炭行业中,利用PLC 控制的变频器驱动局部通风机运行 ,不仅可以实现局部通风机的无级平滑调速,还可以根据管网阻力和瓦斯浓度的变化大小进行风量的及时调节,降低风机的能耗,节省大量的电能" 同时 ,该控制系统具有较高的可靠性和较完善的报警功能"若再使用组态监控技术和网络通讯技术对局部通风机的运行进行监控,可使其达到高效!节能 !安全运行的效果,大大提高煤

10、矿自动化安全生产的水平"2.2 变频调速技术在矿井通风机上的应用概述变频调速技术是根据交流电机电源频率与转速的关系 ,通过改变电源频率来改变电机转速的一种技术" 它是随着现代电力电子技术和计算机控制技术的发展,而发展起来的一种高效节能的控制技术"这项技术自上个世纪80 年代投入工业应用以来 ,显示了强劲的竞争力和很大的发展空间 ,现在已经广泛地应用到各种工业生产领域,取得了显著的高效节能效果" 。变频器是变频调速技术高度发展的结果"近几年来,随着电力电子技术和计算机控制技术的迅速发展,变频器的价格不断下降,可选择的类型不断增多,其可靠性和功能性

11、得到了不断提高和完善,使其在水泵!风机 ! 电梯 !空调等设备上得到了广泛的应用 " 目前国内耗电量最大的电机,几乎一半为风机!泵类负载 ,因此变频器在它们上的应用和推广,有利于能源的节约利用 " 。通风机在煤矿上的使用占有很大的份量,是煤矿生产中最大的耗电设备"采用传统的方法调节风量,使得大量能量从节流中损失掉了 "据统计,使用传统的方法调节风机的风量,运行效率通常为40%60%,只有少数能达到70%,有的仅是30%,甚至更低,因此变频器在矿井通风机上的应用很有必要"一般地来讲,将变频器应用在矿井通风机上,具有以下的功能和优点。(1) 可以实

12、现风机的无级平滑调速,及时满足矿井生产的风量需求,提高风机的运行效率,节省大量的电能损耗" 。(2) 限制风机的启动电流,减少启动时的峰值功率损耗,消除电机起动和停止时 ,对机械和电气元件的冲击,延长其使用寿命" 。(3) PLC 控制技术和变频器结合使用 ,可以使通风系统具有完善的监控功能和高可靠性,减少通风机的检修和维护的工作量,节约设备的费用" 。(4) 变频器自身的保护功能齐全,有欠电压保护!过电压保护!过电流保护、短路保护、风机轴承过热保护等,使风机安全运行的可靠性得到大大提高。基于以上的优点,国内有许多研究所和高校都在致力于变频调速技术在矿井通风机上的

13、应用和研究"如变频调速技术结合模糊控制在矿井局部通风机上应用 以及重庆煤研所设计的 KXJT型矿用通风机自动调速装置，在煤矿的安全生产中 都具有比较好的节能！自动化控制效果11.H.21"近年来，有些老煤矿在引进矿井通 风机的成套通风设备时，还对旧的通风机继电器控制系统进行变频调速控制系统 地改造"如神火煤炭公司杨村矿南风井的主通风机，实施变频调速技术改造后，每 年可节约电费约56万元1.3,大同市马口煤矿和常圈沟煤矿对井下轴流通风机进 行变频调速改造后，风机启动平稳，无冲击电流，并可及时调节风压，风量。总之，许多己经改造过的矿井通风系统，经过多年的投入运行表明，

14、变频调速技 术在矿井通风机上的应用，不仅节省了大量的资金和电能，还大大提高了煤矿安全 生产的自动化！机械化水平”。2.3 风机变频调速原理及系统设计2.3.1 变频调速技术的原理及应用2.3.2 变频调速的基本原理在工业生产的过程中，生产机械需要电机拖动来满足生产工艺的要求"交流异步电机以其体积小！重量轻！价格低廉！运行性能稳定等优点，在机械的电力传动中 应用最为普遍”但是交流电机不象直流电机那样，可以很方便地进行调速，它的调 速问题一直比较困难"经过几十年的研究和发展，出现了许多交流电机的调速方 式，如异步电机的变极调速！定子电压调速！转子用电阻调速！用级调速！变频调速等

15、 “目前，使用最广泛，效果最好的还是变频调速，变频调速技术的迅速发展，使交流电 机调速困难的问题得以解决"。由电动机的拖动原理，可知交流异步电机的转速表达式为：n 0(1 s) 60 (1 s)p2 pfi定子电源频率；i 相应的角频率；p异步电机的磁极对数；f电动机的转差率"nsins n is ns异步电机的同步转速；60 fi 60 iP 2 p固有角频率"ns可以看出，如果改变输入到异步电机定子绕组的电源频率厂 ，就可以改变异步电动 机的同步转速n:和转子转速”由电机学知识可知，交流异步电动机的转速”总是小 于同步转速n:,而且它是随着同步转的变化而变化的

16、"当电源频率五增加时，同步 转速n:增加，交流异步电机的实际转速”也增加"反之，当电源频率厂降低，同步转速 n,降低，交流异步电机的实际转速n也降低"这种通过改变电源频率来改变交流电动机转速的调速方式称为变频调速 "在变频调速技术中，使用变频器向电动机提 供频率可变的电源，去改变电动机的转速。变频调速的驱动变频调速的驱动一般用IGBT来驱动，IGBT是一个三端器件，具有栅极G、 集电极 C和发射极 E。图3-3给出了一种由 N沟道VDMOSFET (Virtical Double Diffused MOSFET)与双极型晶体管组合而成的 IGBT的基本结

17、构。通 过比较可以看出，IGBT比VDMOSFET多了一层P+注入区，因而形成了一个 大面积的P+ N+结Ji。这样使得FIGBT具有很强的通流能力，具等效简化电路 如图3-4所示，可以看出这是双极型晶体管与 MOSFET组成的达林顿结构，相 当于一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。图中RN为晶体管基区内的 调制电阻。因此，IGBT同MOSFET 一样是场控器件。具开通和关断是由栅极 和发射极间的电压 Uge决定的，当 Uge为正且大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流使其导通。当栅极和发射极施 加反相电压或不加电压时，MOSFET内的沟道消失，晶

18、体管舞基极电流，IGBT 关断。在电力电子电路中，IGBT工作在开关状态，因而在正向阻断区和饱和区 来回转换。.，潭* K区 冲区k注入区集电极图33 IGBT结构图图3 4 IGBT等效简化图电力电子器件的驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，对整个装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义，所以电力电子器件都有一定 的驱动要求，根据IGBT的工作特性，可以将IGBT驱动电路的要求归纳如下：1） IGBT是电压型驱动器件，栅射极之间存在数千皮法左右的极间电容。 因此，驱动电路的内阻应尽可能小，以提供足够大的充放电电流，缩短开关时间 和降低开关损耗。因此驱动电路与 IGBT的连线应尽

19、可能的短。2）用内阻小的驱动源对栅极电容放电，以保证栅极控制电压Uge足够陡的前后沿，降低IGBT的开关损耗；IGBT开通后，栅极驱动源应能提供足够 电压，使IGBT工作在饱和状态，减少损耗。3）驱动电平Uge要综合考虑，当UGE正向增大时，IGBT通态压降和开 通损耗均下降，但负载短路时的集电极电流IC增大，IGBT能承受短路电流的时间减小，对其安全不利，因此 Uge不能过大，一般选1520V。在IGBT反 向关断时，为尽快抽取PNP管的存储电荷，须施加一负偏压UGE,但它受IGBT的栅射极间最大反向耐压限制，一般取110V。4）需要提供良好的过电压和过电流保护功能，同时du/dt保护和di

20、/dt保护也是必要的。IGBT的栅极驱动电路应尽可能使用简单，并有很强的抗干扰能 力。驱动电路同时还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节。栅极电压进入稳定阶段，栅极几乎不从驱动电路取电流，因此场控器件所要求的 驱动功率不大，人们把门极驱动电路集成在一片芯片内， 同时也增加了各种保护 功能和与微处理器接口的逻辑电路。目前，对IGBT都有现成的驱动模块可供选用，如三菱公司专门为 IGBT 设计的专用集成驱动电路 M579系列。日本富士电机公司的 EXB驱动电路和 西安的HL402等驱动电路也有广泛的应用。市场上还有一种专用的驱动器，可 以驱动一个桥臂上的两个 IGBT,如美国IR公司的IR21

21、00O本文采用富士电 机公司的EXB841作为IGBT的驱动电路，EXB841与IGBT的实际接线图 如图3-5所示，EXB841的原理图如图3 6所示，驱动电路由信号隔离器、 驱动放大器、低速过流切断电路、栅极关断电源等五部分组成，下面简单介绍一 下其原理。图35 EXB841接线图1）正常开通过程当控制电路使EXB841输入端脚14和脚15有10mA的电流流过时，图中光 藕器ISOl就会导通，A点电位迅速下降到 0V,使V1和V2截止，V2截止 使D点电位上升到接近 20V, V4导通，V5截止，EXB841通过V4及栅极电 阻RG向IGBT提供电压及极间电容的充电电流，使之迅速导通。图3

22、6 EXB841原理图2）正常关断过程控制电路使EXB841输入端脚14和脚15无电流流过，光藕合器 ISOl不通，A 点电位上升使 V1和V2导通；2导通使V4截止，V5导通，IGBT栅极电 荷通过V5迅速放电，使 EXB41的脚3电位迅速下降至 0V（相对于EXB841 脚1低5V）,使IGBT可靠关断，UCE迅速上升，使EXB841的脚6悬空”。 与此同时，V1导通，C2通过V1更快放电，将B点和C点电位钳在0V左 右，使VZ1仍不通，后继电路不会动作，IGBT正常关断。3） IGBT的过流保护IGBT模块的耐压值高、电流通断能力强，但它的过流能力却比较差，过流保 护显得极其重要。IGB

23、T通常只能承受10的的短路电流，因此，必须要有快速 保护电路才能有效地保护IGBT, EXB841驱动模块内含保护电路，在以上原理图中，过流保护部分由 VI、V3、VD6、 VZI、 C2、R4、R5、R6、C3、R7、 R8、C4等组成，它们实现过流检测和延时保护功能，EXB 841的脚6通过快速二极管VD7接至IGBT的集电极，显然它是通过检测电压 Uce的高低来判 断是否发生短路。当IGBT正常导通，则 V1和V2截止，V4导通，V5截 止，B点和C点的电位稳定在8V左右，VZ1不被击穿，V3不通，E点电位 保持为20V,二极管VD6截止。当发生短路时，IGBT承受大电流而退饱和， Uc

24、e上升很多，二极管 VD7截止，则EXB841的脚6悬空”，B点和C点 电位开始由8V上升，当上升至13V时，VZ1被击穿，V3导通，C4通过R7 和V3放电，E点电位逐渐下降，二极管VD6导通时，D点电位也逐渐下降， 从而使EXB 841的脚3电位也逐渐下降，缓慢关断IGBT 。3.3保护电路的设计在变频调速系统的主电路中，由于电力电子器件频繁工作在开通和关断中，逆变器工作在一个电流电压脉动比较大的环境下，为了保护这些电力电子器件，同时也为了调试上的方便， 需要设计许多保护电路，如泵升回路、过压和欠压保护电路，过流保护电路。泵升回路和过压、欠压保护电路共用一个采样点，而过压、欠压保护电路、过

25、流保护电路共用一个LM339模块。3.3.1 泵开回路的设计在主回路中，直流电源电压 Ud两端并联较大容量的电解电容，它除了可以 减少直流电源电压的脉动外，还可做储能用。由于逆变器直流侧采用三相不可控 整流，感应电动机减速或停车时，存储在电动机转子和负载中的机械能不可能回 馈给电网。大部分机械能变为电能反馈到电容中， 电容吸收了这些电能后，它两 端的电压就会升高产生所谓的泵升电压 4U,如图3 7所示。如果不对此电压 进行限制，它将造成IGBT的永久性损害。发生泵升电压是电动机制动过程不 可避免的现象，为此要给制动过程提供一条能量释放的途径（见主电路3-2的R4、Q2,）检测、控制泵升电压的电

26、路如图 3 9所示。0图37泵升电压现象0弭 %口图38泵升环宽上下限图39泵升电压限制电路泵升电压控制电路中滞环比较器的上、 下限是十分重要的，如图3 8所示, 滞环的作用是保证功率管 Q2的开关频率在允许的范围内。滞环的选择原则是： 泵开环宽的上下限 U2取正常直流电压的1.15倍（即泵升电压限制在15% Ud, 亦即618V）同时环宽上限要低于过电压整定值（本系统过电压整定值为 670V）。 下限U,整定值略高于电网允许向上波动的最大值（即为10%）。因为电压波动属 于正常现象，不能误认为是泵开。图3-9的工作原理：当回馈的能量使电容两端电压超过设定值的上限值U2时，比较器的输出为高电平

27、，通过 Bensh_OUT驱动功率开关 Q2使其饱和 导通，把反馈到电容 C上的能量消耗在分流后阻 R4上。R4阻值的选择以分 流电流大于或等于电动机允许的最大制动电流为标准。当电容两端电压小于U1时，分流电路不能马上关断，而是继续分流，直到其电压小于U1时，比较器的输出为正信号，关断功率管 Q2o若能量回馈没有结束，电容电压还会上升，当 再次超过U1时，Q2将再次导通。当没有泵开现象发生时，泵升管 Q2截止， 放电电阻不消耗能量。3.3.2 过压及欠压保护电路的设计如前所述，系统中设置了直流电压过压、欠压保护电路。因为 IGBT集射 极耐压及承受反压的能力有限，而我国电网电压的线性度较差，在

28、重负荷时线电 压通常小于380-10%,而在用电低谷期线电压高达 440V,如此大的电压变化范 围，会导致直流回路过压或欠压，因此应设置直流电压过压、欠压保护电路，如 图3-10所示。直流电压保护信号取自主回路滤波电容器两端，经电阻 R2, R3 分压和光耦隔离后送入控制电路。光电耦合器是用来抑制输入信号的共模干扰。利用光电耦合器把各种模拟负载与数字信号源隔离开来，也就是把模拟地”与数字地”断开。被测信号通过光电耦合获得通路，而共模干扰由于形不成回路而 得到有效抑制。注意在这里此隔离光耦是工作在线性工作区内。电压保护电路的工作原理如下：正常状态下，采样电压小于给定电压，比 较器输出高电平，当故

29、障发生时，采样电压大于给定电压，比较器输出低电平,发光二极管D1点亮。欠压保护电路的工作原理如下：正常状态下，采样电压 高于给定电压，比较器输出高电平，当故障发生时，采样电压低于给定电压，比 较器输出低电平，发光二极管D2点亮。OV_OUT为过压保护输出端子，UV_OUT为欠压保护电路输出端子，再经与门送中断信号到控制电路。图3-10过压、欠压保护电路及限流启动电路3.3.3 过流保护电路的设计IGBT虽可承受短时间的过流，但一旦超出安全区，则将被永久性地损坏， 所以要设置快速的过流保护电路。系统在变频器直流回路设置一个电流霍尔元件 LA509P,把电流转换成电压信号后接入图3-11所示的保护

30、电路中，形成过流保护。当发生过流故障，OC_OUT输出低电平，发光二极管 D4被点亮，与其 它故障信号相与后送入微处理器的中断口，响应中断服务程序，封锁SPWM的输出。3.3.4 限流启动电路的设计此电路是用来防止在电机起动过程中，电容充电电流过大损坏硅堆，如图 3-10所示。当电机起动时，起动电流很大，为了保护整流硅堆，在主电路上用 接入限流电阻R1,当滤波电容上电压达到电机正常运行的65%时，电压继电器常开触头闭合，将电阻 R1短路，结束限流起动过程，进入正常运行状态。限流启动电路工作原理与过压、欠压保护相类似。控制信号也是从主回路滤 波电容器两端取出，经电阻 R10, R11分压和光耦隔

31、离后送入比较电路的0当米 样信号高于参考电压，则运放输出高电平，驱动管 Q1导通，电压继电器动作， 其常开触点闭合，将主回路中的限流电阻R1短路。在继电器吸合到断开的瞬间，由于线圈中的电流不能突变，将在线圈产生感应电压，使晶体管集电极承受 很高电压，有可能损害驱动管，为此在线圈两端并接一个续流二极管。2.4变频调速的基本控制方式变频调速分为基频以下调速和基频以上调速，基频以下调速属于恒转矩调速 方式，基频以上调速属于恒功率调速方式。变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控 制装置。变频器分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器， 我们现在使用的变频器

32、主要采用交 一直一交方式（VVVF变频或矢量控制变频）， 先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、 电压均可控制的交流电源以供给电动机。 变频器的电路一般由整流、中间直流环 节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器， 逆变部分为 IGBT三相桥式逆变器，且输出为 PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能 和缓冲无功功率。根据以上的分析可知，只要改变异步电动机的输入电源频率厂就可以改变电 机的转速，但实际上，只改变厂并不能实现正常的调速"这是因为不的改变会引起 电动机一些物理量的变化，从而影响到电动机的机械特性和转差率等调速指标的 变化,所以我们必须采取一些控制方式来处理这个问题"一般地来说，VVVF变频有以下三种情况的控制方式。1.电源频率低于工频范围调节电机定子绕组内的感应电动势公式：Ei 4.44 fiWRwi iW电机定子绕组匝数的常数Rw1 _绕组系数1电机每极磁通定子电压认与定子绕组感应电动势月的关系为：乙一一定子绕组每相阻抗I 1 定子绕组相电流若忽略定子压降IiZi ,则UiEiKiU1 Ei I iZiEi 4.44fiWRwi i,可简化为:Kfi i(2-6)4.44WRwi(2-7)UiKfi(2-8)又由异步电机的电磁转矩Te与磁通f的关系：Te Cm 112