通风机控制毕业论文基于WINCC6.0的煤矿主通风机监控系统设计

1、通风机控制毕业论文：基于WINCC6.0的煤矿主通风机监控系统设计1 绪论1.1 选题的背景和意义近年来，随着国家经济的发展，能源危机越来越成为了制约国家经济发展的一个突出问题。煤矿的生产和安全也愈显的重要，煤矿一方面向国家提供能源，另一方面煤矿生产的同时也存在着设备运行效率低下，电力等能源浪费严重的现象。矿井设备的节能减排显得尤其重要，其中主通风机是矿井四大固定设备之一，它被称为“矿井肺脏”，负责向矿井井下输送新鲜空气、冲淡有害气体的浓度和带走飞扬的煤尘；主通风机一般功率较大，处于连续运转状态，因而耗能大，耗电量一般占全矿井总耗电量的17%以上，因此其性能如何关系到工作人员的人身安全和运行是

2、否经济。然而，我国煤矿通风机监控系统虽然有了较长时间的发展，但是总体看来，整体发展还比较落后，很多矿井通风机带病运转，严重威胁着矿工生命安全。据统计，煤矿事故70%以上是由于通风设备故障、通风管理不善等所造成。另外煤矿的重大安全事故中，约50%以上是由瓦斯爆炸而引起的，而在这些瓦斯爆炸事故中，造成瓦斯积聚的原因主要有10余种，其中因煤矿风机造成的事故占49.6%。与此同时，多数通风机运行效率偏低，据统计，我国煤矿共有1000多台主通风机，其运转平均效率低于50%者占将近一半，平均效率在50%60%者约占48%，平均效率大于60%者仅占2%。主要原因：首先，系统设计时，容量选择得较大，系统匹配不

3、合理，这种“大马拉小车”的状况造成了大量的能源浪费；其次，通风机多数运行工况点偏离设计点，致使运行效率偏低。为此，必须对运行中的通风机进行有效的监测和控制，对通风机的各个参数和运行的工况建立一个完备的档案，为现场的管理和维护提供依据，以解决通风机运行中的安全性和经济性问题。随着煤矿生产规模的扩大、生产效率的提高，井下通风系统对通风设备的监测监控也必须提出了更高的要求。利用设备在线监测监控等相关技术，实时调节风机运行状态，及早发现故障隐患十分必要。高压变频技术、智能控制技术、传感器技术、现场总线技术以及工业以太网技术的迅速发展，为满足煤矿生产的上述要求提供了可能。本监控系统就是在此背景下提出的。

4、1.2 通风机的调节系统1.2.1 风机调节系统状况通风机的调节是为了改变通风机的流量，以满足实际工作的需要，故通风机的调节又称流量调节。反映在通风机性能曲线图上就是改变风机工况点，流量调节主要有两个目的：第一，满足矿井用风量的要求，第二，提高风机的运行效率。主要的调节方法或改变风机运行工况有两大类：改变管网性能曲线和改变通风机性能曲线。改变管网曲线主要是在通风机的管路上设置节流阀或风门来调节流量，风门调节是利用风门来增大风道阻力，以较少风量，这种调节最不经济，人为的增加网络的阻力也就是增大了每立方米空气所消耗的电能。当然这比不进行调节而供给过多的风量还是有利的(对功率曲线在调节范围内随风量增

5、加而上升的风机而言)。这种方法在80年代主要使用，现在一些老矿也还使用这种方法。改变风机性能曲线通过改变风机自身运行曲线，主要有定速和变速两类：定速调节：应用于离心式风机的是进口导流器调节，在叶轮进口前设置导流器，通过改变导流器叶片安装角，使之进入叶轮的气流方向发生变化，从而使通风机性能曲线改变，特点是有预旋效应又有节流效应，当风机负荷变化不大时，预旋效应占主导地位；当风机负荷变化大时，节流效应占主导地位，这时就如同节流调节一样。总体而言，入口导流器的调节效率很低且存在着调节范围小的问题，在煤矿通风机调节系统应用的比较少。动叶调节：主要应用于轴流式风机当中，在风机运行当中调节风机叶片安装角，能

6、使气体进入风机的轴向速度及攻角变化，从而改变通风机的性能曲线。动叶调节主要通过液压调节装置和传动机构来完成，但由于轴流风机结构复杂，使轴流风机存在不安全因素，表现为：动叶调节困难、液压装置漏油等，其中动叶调节在进入21世纪以来成为了许多煤矿的首选调节方式，主要在于不仅能实现风机不停机的情况下进行风量的调节，而且这种方法节能效果要大于管路风门调节。变速调节：变速调节是管路特性曲线不变时，用变转速来改变风机的性能曲线，从而改变风机的工况点。变速调节大大减少附加的节流损失，在很大变化范围内保持较高的效率，与传统的节流调节相比，不产生其他调节方式附加损失，降低了功率消耗，节约了电能，具有良好的经济效益

7、。在风量随时间变化较大的负荷中，选择风机的变速控制方式成为了有效的节能措施，一般选用效率不高而简单的调速方法时，投资费用小而运行费用高；选用效率高而复杂的调速控制方法时，投资费用大而运行费用低。由于高压变频器发展，煤矿主通风机变频调节系统由于在节能和提高风机效率方面具有无与伦比的优点，还能实现风机的软启动和保护等要求，已开始应用在风机监控系统当中。本文所研究的风机监控系统当中，风机风量调节选用变频调节。1.2.2 变频节能的意义风机，水泵传统的运行方式，是转速不变，采用挡板，阀门等调节流量，这种节流调节方式，仅改变了通道的通流阻抗，而驱动源的输出功率变化却很小，从而造成了大量的节流损失，而风机

8、，水泵运行在低效率区，能源浪费严重。如改用变转速调节流量，可节约20%70%的能量。风机，水泵采用变频调速，不仅节电，降低生产成本，减小启动时对电网的冲击，操作简便省力，还能改善工作环境。因为转速降低后，磨损减小，噪音减小，此外，容易实现自动化，流量根据生产工艺的要求控制得更准确，快速。据不完全统计，我国风机，水泵类机械，其驱动用电动机总容量达1.3亿千瓦，采用变频调节，其节能节电效果是非常可观的。变频调速在风机和泵类负载上的应用具有显著的节能效果，并且具有无冲击启动和软停机的优良控制特性，由于煤矿生产的特殊环境和安全上的特殊要求，变频器在煤矿的应用起步比较晚。随着我国市场经济的深人发展，煤矿

9、的增产、降耗、提效被提到了重要地位，设备节能改造势在必行。随着电力电子技术和大规模集成电路发展，变频器原来越多的被用于生产和生活当中。采用变频器直接控制风机、泵类负载成为了一种最科学的控制方法，利用变频器内置PID调节软件，直接调节电动机的转速保持恒定的风压、风量，从而满足系统要求的压力和风量。当电机在额定转速的80%运行时，理论上其消耗的功率为额定功率的80%，即51.2%，去除机械损耗、电机铜、铁损等影响，节能效率也接近40%，同时也可以实现闭环恒压控制，节能效率将进一步提高。由于变频器可实现大的电动机的软停、软起，避免了启动时的电压冲击，减少电动机故障率，延长使用寿命，同时也降低了对电网

10、的容量要求和无功损耗。因此，大力推广变频调速节能技术，不仅是当前煤矿节能降耗的重要技术手段，而且也是实现经济增长方式转变的必然要求。对于风机变频调节节能的效果，前人也做了许多的研究。杨杰分析了风机系统的特点，实测比较了两种调节风量方式的耗能情况，并以工程实际举例，说明了变频调速技术应用于风机系统可大幅度节能降耗，在经济上也是合理可行的。杨亚民在对风机的各种调节方式及其节能效果进行比较后，认为高压变频器是节能效果最佳的调节方式，并详细地阐述了国产高压变频器的发展动态性能特点以及其推广价值。傅松等人在对风机的调节方式及其主要应用模式的经济性等问题进行了讨论后，探讨了初投资费用与运行费用之间的关系认

11、为大型风机耗电电费远大于设备初投资，宜采用调节效率高的应用模式即离心风机的变速调节及轴流风机的动叶调节和静叶调节。程芳林，钱峰从节能角度阐述了老机组风机改造中应用变频调速技术的经济效益。王文在对凡口铅锌矿的矿井通风机系统采用变频调速改造后，取得了显著的节能效果。杨树勇在淮北海孜煤矿中央风井通风系统原设计和主设备设置的基础上，完成了主通风机的变频调速驱动技术改造，新方案可实现新老系统间的切换，并可在各种工况条件下可靠运行，证实了其节能效果，节能效果显著一年节电达92万Kwh同时改善了工作环境便于维护。1.3 风机监控系统1.3.1 监控系统发展自80年代初期我国在设备管理与维修中开展状态监测与故

12、障诊断以来，设备状态监控与故障诊断技术得到很大的应用和推广，经过十几年的发展，己经取得了一系列的成果，其中主要是监控组态软件的发展。监控组态软件是伴随着计算机技术的突飞猛进发展起来的，60年代虽然计算机开始涉足工业过程控制，但由于计算机技术人员缺乏工厂仪表和工业过程的知识，导致计算机工业过程系统在各行业的推广速度缓慢。70年代初期，微处理器的出现，促进了计算机控制走向成熟。这一历史时期较有代表性的就是1975年美国Honeywell公司推出世界上第一套集散型控制系统(DCS)，随后20余年问，DCS依靠其灵活方便和功能丰富的组态功能以及可靠的网络通信能力，己在工业控制中得到广泛应用。“组态软件

13、”的概念是伴随着集散型控制系统的出现才被广大的工业生产自动化技术人员熟知的。美国的Wonderware公司于20世纪80年代率先推出第一个商品工业自动化组态软件Intouch。此后工业自动化组态软件在全球得到了蓬勃发展，工业自动化组态软件在社会信息化进程中扮演越来越重要的角色。目前从无人值守的远程监视(如防盗报警、江河汛情监视等)、数据采集与计量(如供水工程中的监测、供油信号的采集与监控)、数据分析(如汽车和机车自动测试、机组和设备的参数测试)到过程控制等各个方面，几乎都利用组态软件来进行监控。目前随着各类嵌入式系统和现场总线的出现和发展，组态软件在工业自动化系统中起着越来越重要的作用。1.3

14、.2 风机监控系统国内外发展国外很早就对风机进行了研究。至90年代，一般的风机均配有在线监控系统，集保护、检测、控制于一体，不但能实现风量的自动调节，主要能进行故障诊断，预测使用寿命，预报维修极限，成功地对风机进行了检测，有效的保证了矿井通风系统的安全运行。美国煤矿使用的主风机以轴流式为主，近年来开始采用在运行中可以改变叶片角度的液压式动叶可调风机，节能效果好。德国以TLT公司为代表，采用液压式动叶调节的轴流通风机，其运行效率可保持在83%-88%以内。 国内在这两方面起步比较晚。风量调节方法都比较落后，需要在停机的情况下进行手动调节或者是隔一段时间才能调节一次。其一这种人工操作方法只能做到阶

15、段性调节而不能做到及时连续自动调节，而且实时性差，风量控制不准确，自动化程度不高；另外，我国煤矿主通风机一般都在远离煤矿管理部门的井田边缘，通风设备的管理由于风量参数不能实现在线监测而成为煤矿自动化管理的薄弱环节。目前大部分厂家只对设备进行简单的点测，或是对风机进行简易的诊断。近几年来，陆续有几家大中型企业开始安装了专用检测诊断设备对风机进行了长期检测可以看出，与国外还是存在着一定的距离。我国在煤矿主通风机风量智能调节及在线监控系统方面得研究取得了一定得成就，许多大型煤矿已配备了该研究成果，取的了显著的成效但也发现了许多亟待解决的问题，下面是其中具有代表性的一些：(1)煤矿主通风机在线监测监控

16、主要还处在监测水平，其控制功能很弱。在风量的自动控制调节方面实时性差，控制不准确，控制方法单一，风机运行效率低下，电能浪费严重，风机故障不能做到提前预测等。(2)煤矿风机在线监测监控是一个较独立的系统，未与整个煤矿通风系统、整个煤矿管理系统取得协调的联系，管理分散。(3)煤矿风机在线监测监控的可靠性有待进一步提高。以往计算机控制系统的软件功能是靠软件人员通过编程实现的，需要很大的工作量。在对风机的在线检测和实时控制方面，尽管我们己经取得了很大的进步，但我们国家与国外先进水平相比还有很大的差距，系统所具备的功能不很完善，智能化程度较低，综合性能不高。另外监控系统的灵活性、兼容性、扩展性不强，在形

17、成特定的智能软件方面也还有一段距离。1.4 本文研究的主要内容本课题深入研究了通风机监控系统，针对其现存的问题，提出了解决方案。对于风机风量调节系统采用最新的变频调节：先分析了风机调节系统各种不一样的调节方式及它们的特点，再具体分析变频调节系统调节方式在节能、提高系统工况以及电机软启动方面的优点。风机监测系统采用两级网络可以实现风机集中管理，分散控制的要求，上位机采用组态对风机性能实现动态的显示、控制和报警等。具体内容包括一下几个方面：(1)通过介绍风机调节现存的调节方式分析他们各自优缺点。在高压、大功率变频技术发展成熟基础之上，论证了风机变频调节系统的可行性及通过理论分析和实际计算得到了变频

18、调节方式显著的节能效果。(2)根据现场结构特点和待测点的性质及整体功能的要求，设计出合理的监控系统结构：包括数据采集设备，控制器及各模块设备，变频器选择，以及上位机和下位机通信等。(3)风机调节系统算法实现，采用神经网络算法实现风量自动实时调节，并利用组态软件与第三方软件的交互，实现复杂的控制算法。(4)通信网络的组建。设计并实现全新的基于两级网络(现场总线和以太网)的通信网络，满足不同层次的通讯要求，实现联网通信(5)监控界面组态设计。系统采用远程和就地两种操作方式，配备现场液晶触摸屏界面显示和远程上位机组态画面的显示，控制及报警界面。2 风量调节方案的选择与节能分析2.1 通风机的性能曲线

19、2.1.1 风机主要技术指标1. 风量单位时间内通风机吸入的气体的体积称为通风机的风量，以Q表示，单位为m/s。2. 风压在通风中所称的风压是指单位体积的空气所具有的能量，按其类型可分为静压、动压和全压，其单位为Pa。1） 静压通风网络中单位体积流体所具有的压力能量，即为气体的静压力，用Psti表示，在实际的通风网路中，通风截面一般不是很大，可以忽略同一截面上任意两地之间气体的位能之差，因此在缓变流条件下，同一过流截面上个点的静压值可以认为相等。2） 动压指单位体积的流体所具有的动能，携带该能量的气体微团被滞止后表现的压力，故称为动压，其大小用下式计算： = (2-1)式中：Pdi气体中某点的

20、动压，Pa；动压测量处的空气密度，kg/m；气体的流速，m/s。3） 全压气流中某一点的滞止压力，也是该点静压和动压的代数和，以Pi表示： (2-2)3. 功率通风机的功率分为轴功率和有效功率。轴功率是指原动机传递给通风机轴上的功率，有功功率是指风机在单位时间内对气体做的有用功，通风机的全压有效功率用下式计算： = （2-3）式中：通风机全压有效功率，kW；通风机的全压，Pa；Q通风机的风量，m/s。若通风机的风压用静压表示，则通风机静压有效功率可用下式计算:= (2-4)式中：通风机静压有效功率，kW。4. 效率效率是全压有效功率或静压有效功率与轴功率的比值，前者称为全压效率，后者称为静压效

21、率，计算公式如下：= （2-5）= （2-6）式中：，通风机的全压效率和静压效率；通风机的轴功率，kW。5. 转速转速是指通风机在单位时间内的实际转数，以n表示，单位为r/min。2.1.2 风机的特性曲线通风机的特性曲线用来表明通风机的全压、轴功率及效率同通风机的流量之间的变化关系。它是风机生产厂家在实验室对通风机模型进行空气动力性能试验后，再按相似原理换算得到的同系列通风机的实际特性。1.通风网路特性曲线通风网路的全压特性方程式为： (2-7)试中：通风网路所需要的全压，Pa；b通风网路比例系数，Ns/m。流量与全压曲线(QP)流量与功率性能曲线(QN)流量与效率性能曲线(Q)图1-1 轴

22、流风机性能曲线Fig.1-1 Axial fan performance curve2.1.3 风机有关参数的计算和处理根据记录的数据，可以按下列公式进行整理与计算。a) 空气密度1) 大气密度 （2-8）试中：大气密度，kg/m；大气压力，Pa；大气绝对温度，k；R环境气体常数，J/(kgK)， 按下式计算 （2-9）试中：空气相对湿度；水蒸汽饱和压力，其数值可查有关资料得，Pa；当测定地点环境温度为-1540C时，空气常数可取R=288.5J/(kgK)。2） 通风机进口空气密度当对备用通风机进行测试时，通风机抽入得是地面短路风，通风机进13空气密度由下式计算： （2-10） 式中：通风机

23、进口气流密度，kg/m；通风机进口绝对全压，Pa。当通风机进口相对全压不大于500Pa时，=。另外，当对生产条件下的通风机进行测定时，应由井下的环境条件确定：= （2-11）式中：通风机进13侧风桶内气流绝对温度，K；通风机进口侧风桶内气流相对湿度。3) 通风机装置出口空气密度本系统中研究的通风机以抽出式方式工作，因此进行测定时，计算公式为： （2-12）式中：环境大气绝对温度，K；通风机出口处绝对温度，K。当通风机进口侧静压测定位置处相对静压的绝对值不大于2500Pa时，可取。b) 风机风量1) 在通风机进风侧测得平均风速时： (2-13) 式中：Q通风机的风量，m/s；通风机进口侧测风断面

24、的断面积，m。通风机进口侧测风断面上的平均风速，m/s。2）在通风机进风侧测得平均动压时： （2-14） 式中：通风机进口侧测风断面上的平均动压，Pa。3） 通风机出口侧测得平均风速时： （2-15） 式中：通风机出口的风量，m/s； 通风机出口侧测风断面的断面积，m；通风机进口侧测风断面上的平均风速，m/s。4） 通风机出口侧测得平均动压时： （2-16）式中：通风机出口侧测风断面上的平均动压，Pa。c) 通风机风压1） 通风机装置进口动压： （2-17） 式中：通风机装置进口动压，Pa；通风机集流器进口发蓝处断面积，m。2） 通风机装置出口动压 (2-18) 式中：通风机装置出口动压，Pa

25、；扩散器出口处断面积，m。2.2 通风机的运行调节风机运行调节的方法主要有两类：1、改变管路特性曲线，主要管路阀门调节。2、改变风机性能曲线，主要是入口导叶调节及动叶调节属于定转速调节，其余方法属于变转速调节。2.2.1 阀门调节利用开大或关小风机压出管段上的阀门开度，改变管路的阻抗系数b，使管路性能曲线改变，以达到调节流量的目的，此种调节方法简单，过去应用广泛，但它是靠改变阀门阻力来改变流量，当需要减少流量时，须额外增加阻力，故不节能，现在逐渐有被其它调节方法取代的趋势，一般不推荐使用。2.2.2 进口导流器调节在风机进口处装导流器，当改变导流叶片角度时，能使风机本身的性能曲线改变，这是由于

26、导流叶片使气流旋转改变了进入叶轮的气流方向所致。由于导流叶片既是风机的组成部分，又是管路上的调节阀，因此它的转动既改变了风机性能曲线，又改变了管路性能曲线，因而调节性能比较灵活，由于导流器结构简单，使用方便，其调节效率虽比改变转速差，但又比单纯改变管路性能曲线好，也是风机常用的一种调节方法。2.2.3 动叶调节在大容量的轴流风机中，采用动叶可调的调节方法，更显得调节性能优越。在转速恒定时，改变叶片的安装角，风机的全压、流量发生变化，最后导致风机性能曲线的改变。调节原理：风机动叶安装角等于几何平均角与冲角i之和： （2-19）当动叶安装角改变后，i和也随之发生变化。由速度三角形得： （2-20）

27、当气流在叶片出口时轴向流动，则分母用“+”号，若气流以轴向进入叶片，则分母用“-”号。2.2.4 变速调节根据风机变转速节能原理：当负荷变化时，调节带动风机的电动机，转速随之变化，可减低功耗，节约电能。由流体力学原理可知，风机风量Q与转速n的一次方成正比，风压P与转速n的平方成正比，轴功率与转速n的三次方成正比，从而可以通过改变风机的转速有效的改变风机的特性参数。因此，当矿井工作面需减少风量时，调节转速下降可使功率下降很多。风机变转速常用的控制方法1转子回路串电阻控制(绕线式异步机)2液力偶合器控制3调压变频(矢量控制)4调压控制5 串级调速控制(绕线式异步机)6无换向器电机控制(同步电动机)

28、7流体滑差离合器控制8电磁滑差电机控制其中对于笼式电动机，常用的方法调速方法有：调压控制，变频调速等；对于绕线式异步电动机常用的方法调速方法有：串级调速控制，转子回路串电阻控制；而对于同步电动机，无换向器电机控制；此外，通用的机械调速法有液力偶合器控制等。按效率高低分，又可分为高效调速装置(变极对数控制调速，变频调速，无换向器电机控制，串级调速)，而低效调速装置(转子回路串电阻控制，液力偶合器控制，流体滑差离合器控制，调压控制等)。2.3 变频技术及高压变频器发展2.3.1 变频调速原理变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。当定子绕组接入三相交流电时，在定子与转子之间的空气

29、隙内产生一个旋转磁场，它与转子磁场相互作用，产生电磁转矩，使电动机转动起来。电机磁场的转速成为同步转速，用表示： (2-21)式中： f三相交流电源频率，一般为50HZ；P磁极对数。当P=1时，=3000r/min；P=2时，=1500r/min。可见磁极对数P越多，转速越慢。转子的实际转速n比磁场的同步转速要慢一点，所以成为异步电机，通常用转差率表示： （2-22）当加上电源，电子转子上位转动瞬间，n=0，这时s=l：启动后的极端情况n=，则s=0，即s在01之间变化，一般异步电机的额定负载下的s=(16)%，综合上面两式可以得出： （2-23）式中：n电动机同步转速；f交流电频率；P电动机

30、极对数。可以看出转速与电源频率成正比。基于这一原理，制成变频器作为变频电源来调节电动机的转速。变频调速不存在励磁滑差损耗和挡板，阀门节流调节损耗，不存在转差损耗，节能效果良好。变频调速的调速范围大，电机可在O-100%频率转速下运行，可以实现无级调速。采用变频调速对于风机无需更换电动机，这项技术可使控制方式更加灵活，便于集中调控，提高了自动化水平。它的调速特性基本保持了异步电机固有特性转差率小的特点，具有效率高，范围宽，精度高，能无级调速，但一般电源频率50HZ恒定，所以必须要有一个变频器，随着功率半导体器件，变流技术的发展，做到这点已不困难由于变频调速有着突出的优点，越来越引起人们的注意，国

31、内外都在这方面做了大量工作，随着元件成本的降低，技术的成熟，其应用前景越来越广。用于风机的变频装置，主要有交直交电压型，电流型，和脉宽调制型(PWM)三种。交直交变频器工作原理：其主电路由整流器，中间滤波环节，及逆变器三大部分组成。整流器为可控硅三相桥式电路，其作用为将定压定频交流电变换为可调电压直流电，作为逆变器的直流供电电源逆变器也是可控硅三相桥式电路，但它作用与整流器相反，是将直流电变换为可调频率交流电的一种装置，它是变频器的主要组成部分。中问滤波环节是用电容器或电抗器对整流后的电压或电流进行滤波。根据中间滤波环节滤波方法的不同，可分为电压型和电流型变频器。2.3.2 变频技术发展变频技

32、术已成为交流传动系统中发展最为迅速的技术之一，这时和电力电子器件的制造技术，交流控制技术和大规模集成电路的飞速发展密切相关的。变频技术的发展主要体现在以下几方面：1. 功率器件变频技术是建立在电力电子技术基础之上的。在低压交流电动机的传动控制中，应用最多的功率器件由GTO、GTR、IGBT以及智能模块IPM，后面二种集GTR和电压特性和MOSFET的高频开关特性于一体是目前通用变频器中最广泛使用的主流功率器件。其发展的方向是损耗更低，开关速度更快、电压更高，容量更大。2. 控制方式早期的变频器大多数采用开环恒压频比(U/f=常数)的控制方式，系统控制性能不高，动静态稳定性能差等缺点，先后提出了

33、矢量控制，直接转矩控制；随着现代控制理论的不断发展，自校正控制、模型参数自适应控制、变结构控制等更先进的控制方法开始运用于电机调速系统。3. PWM技术发展所谓PWM脉宽调制技术，是用一种参考波为调制波，而以N倍与调制波频率的三角波为载波进行波形的比较，在调制波大于载波的部分产生一组幅值相等，而宽度正比于调制波的矩形脉冲序列用来等效调制波，通过逆变器的开关管的通/断控制，当调制波为正弦波时，输出矩形脉冲序列的脉冲宽度按正弦规律变化，这种调制技术成为正弦波脉宽调制技术。PWM技术的发展是一个逐渐完善的过程，1963年，F.G.Turnbull提出消除特定谐波；1964年，A.Schnoung和H

34、.Sstemmler把通信体现中调制技术应用交流传动中，产生SPWM技术1983年J.Holtz等人提出空间相量PWM技术，该技术从用于异步电动机的角度出发，直接采用以电动机磁链圆形轨迹为目的的控制方法，后来出现的还有最大值最小值的优化PWM技术，电流谐波畸变率最小、效率最优及转矩脉动最小的最优PWM法、消除特定谐波PWM法、优化同步式PWM法、跟踪性PWM及Delta法等。2.4 风机变频调速节能分析2.4.1 阀门调节与变频调速的节能比较变风量系统根据负荷变化改变风机频率来改变风量，使之满足矿井通风求，从而达到节能的效果。以图2-1为例，S、S是管网的性能曲线，取决于管网的特性，随阀门开启

35、度的变化而变化。I、II为风机的流量和风机出口全压之间关系特性曲线，电流频率改变引起风机的转速改变，其特性曲线也随着发生变化。图2-1 风机系统曲线Fig.2-1 Fan system curve在设计工况下，系统在设计压力和设计风量下运行，根据风机的性能曲线与管网特性曲线的关系，风机工况点就是风机特性曲线与管网特性曲线的交点1。当井下需风量小时，阀门关小，风量由Q变至Q，系统阻力将增加，引起管网特性曲线的变化，由S变化至S，如果此时风机恒速工作，要保证风机流量变为Q，就必须关小风机管路阀门，使系统阻力从P增至P，风机在3点工作。此时系统的流量减少，要求的是较小的风机压头，但采用这种方法风机压

36、头不仅没有降低，反而升高了。这样风机工作点脱离高效区域，造成能源的浪费和运行维护费用的升高很不合理。在风机系统增加变频调速器后，节省能耗并且增强了控制能力，同时避免了控制阀压力过大的现象。变频器根据系统要求运行，当需风量减少时，末端的流量减至Q，管网特性曲线变为S，风机变频后特性曲线由I变至II，风机流量Q变至Q，此时的工况点为图2中的2点，不需要关小阀门来增加系统阻力，同时减少了风机的运行功率，降低了能耗。变频调速控制风量与调节风门控制风量的节能原理可进一步通过图2-2比较说明，图2-2中曲线1为风机在恒速下的风压风量特性，曲线2为恒速下的功率风量特性，曲线3为风门全开时的管网特性曲线，风机

37、轴功率等于管网阻力曲线上风压P与风量Q的乘积。A为额定工作点，此时输出风量Q为100%，效率最高，轴功率N1正比于P与Q的乘积，相当于图中APOQ的面积。当风量从Q减少到Q时，若减小调节风门开度，则管网阻力增加，管网阻力曲线变到曲线4，系统从原工况点A上升到新工况点B运行。可以看出，风量降低风压增加轴功率N正比于P与Q：的乘积，相当于图中BPOQ的面积，减少不多。如果通过调速控制风量，而风门全开，只改变风机转速而不改变管网阻力，风机风量由Q变为Q时，风机转速由n降到n，风压风量特性曲线下移，如图曲线3，工况点A沿管网阻力曲线降至C点，即风量减少，风压P也降低很多，轴功率N正比于P与Q的乘积，相

38、当于图中CPOQ的面积，显著减少，相当于图中BPPC的面积。图2-2 风机特性曲线Fig.2-2 Fan characteristic curve下面以VAV变风量通风系统为例，VAV系统根据矿井负压及环境参数的变化而调整抽风和送风量，风机的运行工况为适应风量的变化也要求做出相应的调节。风机的运行工况调节主要有两种方法：一是改变风机本身的性能曲线，二是改变管网的性能曲线，也可将这两种方法结合使用。从节能方面比较风机运行调节的几种方法： 1恒速电机结合风挡控制：如图2-3，当流量从额定流量100%(Q点)减少到50%(Q点)时，风机转速不变，只能改变管网特性，通过调节风门，增加阻力，管网特性从O

39、A变化到OB，系统工作点从A点移动至B点，风量虽降低，但风压却增加，风机在A点消耗的轴功率正比于OPAO所围成的面积，风机在B点消耗的轴功率正比于OPBO所围成的面积，减少得不多。图2-3 改变管网特性曲线调节法Fig.2-3 To change the pipe curve adjustment method2变速电机结合风门控制：变速电机的基本原理是通过改变三相异步的磁极对数来改变电机的转速，根据改变磁极对数的方法也可进行双速或多速控制。因此，该方案比恒速电机结合风挡控制多了一个风机的电机控制，其余部分相同。根据风量的大小来改变风机的转速，当所需风量较大时，电机高速运行，当所需风量较小时，

40、电机低速运行，这种调速是分级调速。图2-4 变速电机结合风门控制法Fig.2-4 variable speed motor combined with throttle control law如图2-4所示，假设所使用的风机采用双速电机，n为全速运行时的流量曲线，当流量从额定流量的100%(Q点)减少至75%(Q点)时，靠调节风挡使系统工作点沿着n曲线从A点移至B点，当风量小于75%时，电机减到全速的3/4运行（n曲线)，当减小到50%时，系统工作点沿着n曲线从C点移至D点，比较面积OPQO和OPQO可看出，风机消耗的轴功率减小的幅度较大。3变频器控制：该方案是根据所需风量和风压大小通过变频器

41、来调节风机的转速。如图6所示，该方案不需调节风挡，当负荷减小，风管内压力随之提高，为保持其压力恒定，风挡控制器获得压力信号后，通过内置的PID调节器输出信号，以改变交流电机频率，降低电机转速以减少流量。回风也采取同样的调节方法，但变频器采集到的是送风和回风两个风道的流量值。从图2-5中可看出，管网的阻力特性没有变化，是通过调节转速来改变风机的性能曲线，当流量从Q降Q时，系统工作点从A点沿着管网特性曲线移动到C点，比较面积OPQO和OPQO可以看出，风机消耗的轴功率减小的幅度更大。图2-5 变频器控制法Fig.2-5 Inverter Control Method通过上述定性分析可知，采用变频调

42、速比阀门节省功率，那么实际工程中，变频调速的节能定量情况又怎样呢，具体受到哪些因素影响，风机功率与转速的三次方成正比吗?我们再进一步分析：2.4.2 变频节能实际计算以6kV，2x 315kW对旋轴流式风机为例，根据风机参数，在容易期风量为Q=95.3 m/s，在困难期Q=147.8 m/s。而电机设计选型应以最困难时期选型，这样在设备安装初期就会有很大余量。如果采用变频调速，可有很大的节电空间。按风机特性可知： (2-28)根据风机采用变频调速后的特性可知，Pn，那么在容易得，电机实际(理论)消耗功率为： (2-29)试中：电机额定功率： (2-30) (2-31)其节电率为73，考虑到效率

43、和电机固定损耗，在容易期，其节电率也应在60，以上按60 （2-32）按电价O.68元计，则每天可节省电费7148元，如果每年按160天工作计算，则可节电114.3万。3 系统结构与硬件选型3.1 系统结构图通风机控制系统主要由通风机组，可编程控制器(PLC)、空气压力变送器，变频器、瓦斯浓度传感器、温度传感器，接触器、中间继电器、热继电器、断路器等系统保护电器等组成。通风机由2台通风机组成，每台通风机有2台电机，每台电机驱动一组扇片，2组扇片是对旋的，1组用于吸风，一组为增加风速，对井下进行供风。根据井下用风量的不同，采用不同型号的风机。本设计以风机组230Kw为例，选用1台西门子S7-20

44、0可编程控制器(PLC)，空气压力变送器等组成一个完善的闭环控制系统。温度传感器、实现对电机和PLC的有效保护，以及对电机的切换控制。硬件功能框架图如图3-1所示。通过传感器完成对通风机入口、出口风压风量，轴承温度及风机振动强度以及电机的转速，绕组及轴承温度等物理量和电气量的参数采集、转换、并最终通过以开关量或模拟量送给PLC经过运算、处理并输出控制量或直接输出报警信号。图3-1 硬件功能框架图Fig.3-1 Functional block diagram of hardware3.2 通风机组部分本系统选用KXJT型矿用通风机，主要适用于煤矿井下局部通风机正常通风及排放瓦斯两种生产过程全自

45、动化控制。由变频调速器、自动控制系统组成。外接瓦斯浓度传感器、断电仪和通风机，实现了按设定瓦斯浓度值，自动调节通风机转速，达到按需定量通风的目的。同时实现在瓦斯积聚后，安全、有效、快速地排放瓦斯，防止“一风吹”，实现了对瓦斯浓度最大效率的安全排放。为煤矿的安全生产需要提供一种一机多用、高效节能的自动化控制装备。3.2.1 KXJT型矿用通风机结构结构特征：本型产品具有结构紧凑、噪声小、风压高、风量大、效率高等特点，其结构紧凑方便运输和安装。对旋局部通风机与普通轴流通风机相比，在产生同样的风量和风压，使用对旋局部通风机可减少通风机数量或增加通风距离，亦可在根据不同的通风要求，采用分级使用以节省能

46、源。结构主要由隔爆箱体、散热器、人机操作界面、进出线接线腔、变频控制系统、PCD1控制系统、瓦斯信号采集、转换及处理等单元组成。如图3-2所示。图3-2 KXJT型矿用通风机结构Fig.3-2 KXJT type of mine ventilation structure试中：1：隔爆箱体；2：进出线接线；3：PCD1 控制系统；4：变频控制系统；5：瓦斯信号采集，转换，处理单元；6：散热器；表3-1 KXJT型矿用通风机技术参数Tab.3-1 KXJT type technical parameters电源输入电压660 V AC输出电压18V/360mA DC输入频率4852Hz输出频率范

47、围F10.0F50.0Hz适配通风机功率230(kW)额定容量70(kVA)3.2.2 风压、风量参数的检测1风压(这里主要测静压)：是由相应的风压测量装置传送给PLC的模拟量模块进行处理。HM23Y矿井专用型压力变送器用于检测矿井的井巷气压。2风量：风量参数是利用风机入口静压差及入口温度计算得来的。计算公式： （3-1）式中为CP201测量到静压，为入口压力CP202(表压)的绝对值(正值)，互为入口温度，系数172只对本系统监测的风机有效。3.2.3 振动参数检测通过风机振动位移和振动周期可以反映风机潜在的故障，避免风机停机等严重故障发生。在振动测量时，应合理选择测量参数。如振动位移是研究

48、强度和变形的重要依据；振动加速度与作用力或载荷成正比，是研究动力强度和疲劳的重要依据；振动速度决定了噪声的高低，人对机械振动的敏感程度在很大频率范围内是由振动速度决定的，振动速度又与能量和功率有关，并决定了力的动量。根据上述依据和环境要求，本系统把风机主轴承的振动的速度作为测量的主要参数。当风机主轴承振动大于1.7mm/s(均方根值)时报警，大于4.4mm/s(均方根值)时则跳闸停机。常用的振动测量传感器有电涡流式传感器、速度式传感器、加速度式传感器。根据所需测量的参数要求，一般在选用时应考虑以下因素：若需测量振动位移值则应选用电涡流式传感器；若需测量振动速度或烈度值则应选用速度式传感器；若需

49、测量振动加速度值则应选用加速度式传感器。经过比较之后，本系统选择南京东大测振仪器厂生产的MT3T型电磁式速度传感器。其技术指标如下： 测量范围：151000Hz灵敏度：30mv/mm/s精度：线性误差：0.5%测量方向：水平或垂直电源：+12VDC， 20mA 容许加速度：沿工作方向：10g连续横向：30g短时此外，在检测机械振动参数时，还需要有变送器和检测仪表将测量的振动参数转换成4-20mA的电流信号或0-5V的电压信号，以便于传送给PLC的模拟量模块。本系统考虑到现场安装的需要，以及增强报警和显示等功能，又选择了南京东大测振仪器厂生产的与MT-3系列磁电式振动速度传感器配套使用的ZXP.

50、J210型振动速度监控装置。该装置是一种高精度、多功能双通道的智能化盘装式仪表，用于测量和分析各种旋转机械的振动烈度和位移，该监控仪主要用于对转速6006000转/分旋转机械的振动烈度进行长期监测(低于600转的可特制)。振动烈度或位移值大小由高分辨率LCD显示，同时具有标准的电流输出，可与各种DCS、PLC系统配接，当振动值超限时，本仪器可外接声光报警器以提示现场操作人员采取防范措施，并有报警、危险开关量输出，保护机器安全可靠运行。其具体参数如下：(1)量程：010mm/s，020mm/s，050mm/s(均方根值)(2)频率范围：101000Hz(3)信号输入：MT-3系列磁电式振动速度传

51、感器的信号(4) 灵敏度：30mV/mm/s3%(5)仪表显示显示方式：高分辨率LCD显示，精确度士1%(6)信号输出：电流输出420mA，输出负载500(7)精确度：0.5%(8)报警输出：警告、危险两极报警；(9)继电器节点容量：DC30V/1A，ACl25V/0.3A(10)使用电源：AC220V/50HZ10%20W3.2.4 温度参数检测连续监测风机工作时的轴承温度和电机的轴承温度，也是风机工况监测的一项重要任务。温度参数检测时，主要由温度检测元件和变送器、电压调理电路构成的检测电路与PLC进行通信，将温度参数上传至工控机。如图3-3所示。常用的温度检测传感器有热电阻式热电传感器、热

52、电偶式传感器和热敏电阻传感器等。图3-3 温度参数检测Fig.3-3 Detection of the temperature parameter因此，结合本系统的监测要求，选择热电阻式热电传感器检测风机温度。在目前广泛使用的热电阻中，Pt100铂电阻温度传感器是利用金属铂在温度变化时自身电阻值也随之改变的特性来测量温度的，能够准确的测出轴承或定子的温度并将它们传给PLC模数转换电路。当被测介质中存在温度梯度时，所测得的温度是感温元件所在范围内介质层中的平均温度。它的特点：耐振动、可靠性高，同时具有精确灵敏、稳定性好、产品寿命长和安装方便等优点。按照不同测点对温度测量范围的要求，本系统选择日本

53、林电的PTl00铂电阻，具体型号选择如表3-2示：表3-2 温度传感器的选择Tab.3-2 Temperature sensors choice测点（以1#风机为例）传感器型号测量范围数量风机主轴承温度STT-S-A1-T(指定)0150C3电机轴承温度STT-S-A1-T3-50200C2电机三相绕组温度STT-S-A1-T3-50200C3入口温度STT-S-A1-T(指定)-5050C1油箱和油管温度STT-T-A1-T(指定)-50150C2另外，在检测温度参数时，还需要有变送器将测量的温度参数转换成4-20mA的电流信号或0-5V的电压信号，以便于传送给PLC的模拟量模块。本系统考虑到现场安装的需要，选择性能价格比较高的日本林电的STWB系列温度变送器模块，其技术参数如下：输入信号：Ptl00、Pt1000、Cu50、K、E、S供电电压：24V负载电阻：0500输出信号：DC420mA电压误差：0.005%/V精度：O.1%，0.2%，0.5%功耗：0.5W工作环境：温度：-20C80C；湿度：95%RH电气参数的检测由安装在各开关柜内的智能仪表单元与PLC以通讯的方式进行信息传送，传送的电