基于PLC控制的通風機變頻調速試驗研究

楊 光

（平煤神馬集團平煤股份 一礦，河南 平頂山467000）

礦井通風機依靠電機進行拖動運轉，通風機風量一般按照礦井最大風量進行設定，這樣會促使通風機在礦井生產過程中經常處于低負荷運行〔1－2〕。風機低負荷運行會造成電機大馬拉小車效率降低、風機故障率高、通風系統穩定性差等問題，這樣會一定程度的增加礦井生產成本。實踐表明，通過改變通風機電機轉速可以實現通風機風量的改變，進而促使通風機處于最佳運行狀態，目前調速技術主要包括定子電壓調速、串級調速、轉子串電阻調速、變頻調速等，其中變頻器調速已經證明是最為直接、有效的調速方式，不僅可以有效地實現風機電機的無級變頻調速和恒壓、恒風量控制，對于降低風機耗電量也有起著較好的作用〔3－5〕。現以軸流式風機為研究對象進行通風機變頻調速改造試驗研究，通風機所配電機功率為2×250kW，通風機最大風量12600m3／min。

1 風機變頻調速節能原理

通風機運行需要電機拖動來實現，風機所配電機為交流異步電機，雖然該類電機具有體積小、運行性能可靠、成本低等優點，但是其相比于直流電機存在的問題是調速復雜。隨著交流電機調速技術的發展，調速技術已經發展為定子電壓調速、串級調速、轉子串電阻調速、變頻調速等，其中轉子串電阻調速為目前最為廣泛的調速方式，其缺點控制方式復雜，電阻器、電刷等設備損壞率高，調速性能較低，靜差率高、啟動沖擊電流大，對于提高通風機運行性能較為不利；同時，因通風機往往依照最大設計所需風量進行供風，故其電能消耗量大。變頻調速已經被證明是調速效果最好的調速方式，也越來越被普及。根據電機拖動原理可知，對于異步電機而言，通過改變輸入到電機定子繞組電源頻率可以改變該電機同步轉速和轉子轉速，而電機轉速隨同步轉速變化而變化，即當電源頻率降低時，同步轉速降低，電機轉速也隨著降低，反之亦然。通過改變電源頻率來達到電機調速的技術稱為變頻調速，變頻調速的基本原理是向電機提供頻率可變的供電電源，進而改變電機的轉速。理論和實踐表明，單靠改變電源頻率會因影響電機機械性能而不能實現電機正常調速，故在實踐中可通過恒磁通調壓變頻調速、恒功率調速和轉差頻率調速等調速方式進行控制。

圖1為礦井軸流式通風機壓力（H）－流量（Q）特性曲線圖，A、B、C分別為軸流式通風機工況點。圖1中曲線1為調節前H－Q特性曲線，A點風量為Q1，當風量由Q1減至Q2時，工況點由A變為B，軸功率面積BH2OQ2相應減少；曲線2為變頻調速后的H－Q特性曲線，工況點由A變為C，軸功率面積CH3OQ2明顯BH2OQ2更小，且兩者之差即為節省所得氣體功率。理論研究表明，軸流式通風機正常運行過程中，風量與轉速成正比，功率與轉速的三次方呈正比。故通過變頻調速來實現電機轉速的降低可大幅度降低風機的輸入功率，例如風機轉速將低1／2，則風量為原來風量的1／2，功率僅為原來的1／8，節能效果顯著，而這一過程的實現可以利用變頻器來實現。

圖1 軸流式通風機風壓（H）－風量（Q）特性曲線

2 PLC控制變頻調速方案

2.1 變頻器的結構和選擇

變頻器可分為交－交變頻器和交－直－交變頻器兩種，前者可直接將工頻交流電變為可控交流電，后者通過整流器、逆變器等組件后方可變為可控交流電。結合礦井風機和通風系統實際情況，決定選用由西門子公司生產的MM430型變頻器，該型變頻器具有2個模擬輸入、6個隔離帶數字輸入和多個繼電器輸入，電機驅動數據組、信號源等參數設定值可實現自動相互切換，同時具有15個可編程固定頻率、4個跳轉頻率和集成通信接口等。變頻器具有良好的過載、過壓、過熱、防失速等保護功能，另外，還可通過二進制互聯技術在數字、通信等輸入與輸出之間建立布爾關系式，進行其他功能的編程。

2.2 PLC的選擇和應用

可編程控制器（PLC）主要由中央處理器、I／O接口、輸入電源、存儲器等元件組成。其中，中央處理器是可編程控制器的核心組件，由控制器、運算器等元件組成，主要起到控制、接收和存儲程序和數據的作用，同時可對故障和錯誤進行診斷和處理；存儲器主要起到數據的存儲作用，I／O接口是起到接收和發送數據的接口組件。結合試驗條件決定選用S7－200系列可編程控制器，該型號PLC具有結構緊湊、可靠性高、通信功能強、成本低等優點，其核心組件采用CPU226，運算速度和存儲能力相比于以往的CPU224提高了近30%，且可實現在線程序編輯。目前，采用PLC對變頻器進行控制主要有頻率輸出控制端子的邏輯組合方式、通過通訊監視變頻器方式和模擬量控制方式三種，考慮到現場試驗中采用2臺變頻器控制2臺軸流式風機，為一對一控制，且通訊距離較短，故決定采用模擬量控制方式來實現PLC對變頻器的控制。

3 PLC變頻調速系統設計

PLC控制程序包括主控制程序、各子程序和中斷程序等部分（見圖2）。主程序可以實現風機的變頻、各子程序和中斷程序的控制，實現PLC控制系統的各保護功能；在主程序執行前，需對風機自動變頻進行判斷，若風機自動變頻則逐步啟動初始化和檢查子程序，若其余各子程序運行正常，且變頻器無故障，使用現場安全可靠，則啟動風機變頻調速控制，根據現場瓦斯情況進行程序的中斷和持續；當風機不能自動變頻時，則判斷其是否為手動變頻，然后根據是否手動變頻進行變頻器故障診斷和瓦斯濃度判斷，若濃度不超限則進行工頻運行，若瓦斯超則控制中斷。

《煤礦安全規程》要求，礦井電機、開關工作所處地點附近20m范圍內瓦斯濃度超過1.5%時必須切斷電源，以防瓦斯事故?？紤]到礦井條件的復雜性，決定采用模糊控制法對瓦斯濃度進行區域劃分，在不同瓦斯濃度區域范圍內制定變頻器模擬供電電源頻率和電壓值，進而通過改變輸入電壓頻率來實現通風機的調速。根據礦井實際情況，設定瓦斯濃度為0～0.5%時，供電電源頻率為30Hz，變頻器輸入電壓為6.0V；瓦斯濃度為0.5%～0.8%時，供電電源頻率為34Hz，變頻器輸入電壓為6.8V；瓦斯濃度為0.8%～1.0%時，供電電源頻率為40Hz，變頻器輸入電壓為8V；瓦斯濃度為1.0%～1.3%時，供電電源頻率為46Hz，變頻器輸入電壓為9.2V；瓦斯濃度為1.3%～1.5%時，供電電源頻率為50Hz，變頻器輸入電壓為10V。

圖2 PLC主控制程序流程框圖

4 應用效果分析

通過技術改造實現了礦井通風機的基于PLC控制的變頻調速，有助于提高通風機運行穩定性和使用壽命。同時，通過變頻調速實現了通風機平滑無級啟動和自動調速，對于提高通風機節能降耗也有著積極的意義，根據近期運行效果可知，自通風機改造以來，礦井每月可節約用電45000kWh，折合人民幣約3.25萬元。我國《節約能源法》已經將變頻調速技術作為節能重點推廣技術，且隨著國內煤炭形勢的不斷下滑，通過PLC控制的變頻技術可有效實現通風機節能，提高通風機使用性能和使用壽命，對于實現礦山節能降耗和提高經濟效益具有重要的意義。

〔1〕趙永剛，許愛娟 .變頻器在煤礦主通風機系統中的應用〔J〕.煤礦機電，2010，（2）：89－91.

〔2〕尹成勇 .高壓變頻器在煤礦通風機的應用〔J〕.山東煤炭科技，2009，（1）：133.

〔3〕賈永偉 .變頻器在煤礦主通風機系統中的應用〔J〕.內蒙古煤炭經濟，2013，（1）：79.

〔4〕梁南丁，李焱琳 .基于高壓變頻器技術的礦井通風機節能改造〔J〕.機電產品開發與創新，2010，23（3）：166－167.

〔5〕李佳睿 .礦井通風機中壓變頻器調速系統設計及應用〔J〕.機械管理開發，2013，（2）：102－104.