變頻控制技術在回坡底煤礦洗煤廠風機中的應用

秦玉龍

（山西焦煤霍州煤電汾河焦煤公司回坡底煤礦洗煤廠,山西 霍州 031400）

1 概況

回坡底煤礦是山西汾河焦煤股份有限公司下屬礦井。礦井相對瓦斯涌出量為2.48m3/t，絕對瓦斯涌出量為3.69m3/t，瓦斯涌出量呈逐增趨勢，旗下洗煤廠年洗選能力為150萬t/年。

回坡底礦采出原煤后會儲存在地面洗煤廠的煤倉中，在洗煤廠集中進行貯存和洗選作業。由于儲煤倉多為封閉或半封閉立式結構，在原煤進入儲煤倉的過程中，會封堵掉煤倉的下口，這樣煤倉的上倉口與煤倉儲煤之間會形成一個獨立的封閉空間即盲倉，當底部儲存的原煤不斷釋放出瓦斯后，會積聚在此封閉的空間內，隨著煤倉內瓦斯濃度的不斷上升，當發生瓦斯超限時必定會發生安全事故。為了有效解決這一安全隱患，回坡底礦洗煤廠采取強制通風的措施，利用風機將煤倉內的瓦斯排出倉外。本文針對回坡底礦洗煤廠現有風機耗電量大及自動化控制水平較低的技術缺陷，提出了有效的變頻控制技術方案，以實現節能減排的目的。

2 變頻控制技術在洗煤廠風機中的應用

在洗煤廠中，風機具有抽放瓦斯及吸塵的功能，在風機運行過程中，要想實現節能降耗的目的，必須要根據環境的實際需求，有效調節風機風量的大小，有效減少風機空轉的時間。

2.1 變頻控制風機的方案設計

變頻器的作用主要是通過改變電源頻率來控制風機電動機的轉速，進而實現風機風量的自動化控制。本設計方案采取閉環控制系統，利用瓦斯傳感器來檢測煤倉內瓦斯濃度的變化情況，并將采集后的瓦斯濃度作為反饋信號通過A/D轉換為數字信號后傳送至PLC (可編程控制器)內，可編程控制器接收信號后通過與設定值進行對比分析，并根據分析結果作出相應的控制措施，進而來調節變頻器對風機轉速的控制，實現瓦斯抽放的目的。

本系統的主要組成結構有風機電動機、變頻器、PLC（可編程控制器）、瓦斯傳感器、供電模塊等等。其中PLC主要選用德國西門子公司的S7-200系列PLC，CPU選用的是224型號，該小型可編程控制器具備單獨使用和組網的功能，能夠順利完成相對復雜的控制，性價比較高。其CPU的輸入口和輸出口分別為14個和10個；具有較強的擴展功能，能夠匹配多個外接功能模塊，多達168個數字I/O接口和35個模擬I/O接口；能夠快速計算出高達30kHz的脈沖信號；其具有很強的控制能力，且便于安裝。系統可輸出兩個控制點，分別是變頻控制模式和工頻工作模式。其主電路圖如下圖1所示。

圖1 變頻控制系統主電路圖

2.2 控制電路設計

變頻控制系統的控制電路如下圖2所示，本設計控制方案具備兩個工作模式：一是當系統在50Hz或60Hz頻率情況下運行時，KA2開關會斷開電路；二是在輸入頻率為50Hz或60Hz，而輸出頻率可以控制的情況下運行時，KA2開關閉合電路。因此，我們可以通過控制KA2開關的斷開和閉合來實現風機工作模式的切換。

圖2 系統控制電路示意圖

2.3 變頻器的選型及接線

在挑選變頻器的過程中，應優先考慮變頻器的控制方式。目前市場上常用的變頻器控制方式如下表1所示，通過表格可知，在矢量控制中通過添加編碼器后，速比可以達到1∶1000，靜態精度達到最高值。當采用U/f=C的正弦脈寬調制（SPWM）控制方式時，在低頻率情況下負載的電流較小，可以有效避免因負載電流過大而燒壞電機。

表1 變頻器控制方式對比參數表

通過對比篩選，最終確定選用西門子公司的MICRO MASTER 430變頻器，該變頻器是用于控制三相交流電動機速度的變頻器系列，特別適用于水泵和風機的驅動。該變頻器的電源電壓及功率范圍：3AC 380至480V±10%，47Hz至63Hz，7.5kW至250kW。在電磁環境應用過程中不對其他機電設備產生干擾；其內部具有比例增益、積分系數、微分系數等控制器；可有效控制過快電流的變化，避免過度跳閘發生；其具備的集成RS485聯網通信接口可提高響應速度。此外變頻器的保護功能也十分全面，具有過電壓、欠電壓、過載、接地、短路、過溫等多種保護功能，其結構如圖3所示。

瓦斯傳感器的型號主要選擇的是GJ40型甲烷濃度傳感器，其檢測范圍在0～10%內，可持續將檢測到的瓦斯信號轉換為電信號并通過RS485通信接口上傳到上位機，動態顯示監測數據的變化，當瓦斯超限時會發出報警信號。

圖3 變頻器接線結構示意圖

3 風機改造前后的效果分析

（1）對回坡底煤礦洗煤廠改造后的風機設備進行了半個月的穩定運行測試，在沒有改造以前，測試半個月（總工作時間為290h）總電量為26530kWh，即每小時用電91.48kWh。改造以后，共測試13天（共190h）總用電量為9939.5kWh，每小時用電約為52.31kWh。通過改造前后對比可知，改造后每小時的用電量減少了39.17kWh，這樣如果一個月兩班制工作，每天工作16h的話，每年將節約電量約225619.2kWh。按現在電價0.5元/kWh計算的話，一年將節約電費約112809.6元，這樣一年就能收回變頻器的成本，企業長遠經濟效益顯著。

（2）在未采取變頻控制技術前，當工頻直接驅動時，驅動電流較大，對風機電動機的機械沖擊和損耗較大，造成風機風量的浪費，在調節過程中需要人工去調節閥門增加勞動力。通過變頻改造后，風機可以根據生產的實際情況調節風量的大小，同時還有利于設備的平穩啟動和運行，減少電網沖擊和設備的機械損耗，節能減排，降低工人的勞動強度。