变频调速技术在矿井主通机上的应用与研究.pdf

M 臻 舌 a 舢 内 [ t u r 。n g 变频调速技术在矿井主通机上的应用与研究 马世伟 ，杜 中军 ，杜 斌 微 山湖矿业集团有限公司永胜煤矿 ， 山东 济宁 2 7 7 6 0 0 摘要 本文综合利用采 用先进 的工业计算机 、 工业 自动化技术， 使用上位机监控 系统，实时监控主通机的运行状 态 。 上位机动 态模拟显示及故障闭锁 ； 可进行故障报警、 数据查询、 报表打印； 故障声光指示、 上位机 紧急处理。 解决矿 井通 风统存在的问题 ， 对传统系统进行革新和数字化改造 ， 降低 了成本 ， 加强 了系统稳定性。 关键词 变频器 ； P L C； 调速 ； 智能控制 中图分类号 T D 6 3 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 2 5 0 6 5 2 0 1 7 1 3 0 0 4 5 2 Ap pl i c a t i on an d r e s ea r c h o f va r i ab l e f r eq ue nc y s p ee d r e gul a t i on t ec hn ol o gy i n mi n e mai n pa s s MA S h i we i， DU Zh o n g - j u n ． DU B i n We i s h a n L a k e Mi n i n g G r o u p Co ． ， L t d ． Y o n g s h e n g c o a l mi n e J i n i n g 2 7 7 6 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e u s e o f i n d u s t r i a l c o m p u t e r a n d a d v a n c e d i n d u s t r i a l a u t o ma t i o n t e c h n o l o g y i n t h i s p a p e r ， u s i n g t h e P C m o ni t or i ng s y s t e m，r e a l t i m e mo ni t or r unn i n g s t a t e of t h e ma i n m a c h i ne ，a na l o g d i s pl a y a nd f a ul t l o c ki ng d y na mi c PC； f o r f a u l t a l a r m ，d a t a q ue r y，r e por t pr i n t ；e me r ge n c y f a u l t a c ou s t oo pt i c ，PC．To s o l ve t h e pr ob l e m s e xi s t i ng i n t he mi ne v e nt i l a t i on s ys t e m，t o i n no va t e a n d di g i t i z e t he t r a d i t i o na l s y s t e m，r e d uc e t he c os t a nd s t r e ng t he n t he s t a bi l i t y o f t he s y s t e m ． Key wor ds fr e q u e n c y c o n v e r t e r ； P L C； s p e e d r e g u l a t i o n ； i n t e l l i g e n t c o n t r o l 1 矿井概况 鲁西金属矿位于济宁市区北 1 5 公里， 2 0 0 0年建矿 ， 2 0 0 2 年投产， 设计能力4 5 万吨 ／年， 综合核定能力9 0 万吨 ／年。 矿井通风采用中央并列集中通风方式， 现装配有两套同等能 力的防爆轴流式通风机， 拟将其改造为轴流对旋防爆式通风 机， 同时准备对电控技术进行升级改造 ’ 。 2 问题的提出与技术方案的确定 2．1 问题的提出为 随着矿井下采矿面的进一步延伸， 需风量的增加， 风机 叶片角度已调至最大位置 ， 现用风机已不能满足井下风量供 给 ， 这为矿下一步的巷道开拓及采矿生产带来安全隐患。由 于金属矿通风机是轴流式的 ， 所以只有当风门半开和全开的 情况下才能运行 负载运行 。 因为通风机的旋转部件运行 时惯性比较大较大 ， 且风机负载特性为 T o c n 2 见图 1 ，导 致风机启动困难， 需要消耗极大的电量 ， 所以风机启动成为 了通风机设备的重要操作管理环节 ’ 。 金属矿风机启动方 式为电机定子串电抗启动 ， 启动中电机电流跳动大， 启动时 间长。电抗器长期发热 ， 不利于风机连续启动， 因此需要对 风机及电控进行技术升级改造m 。 金属矿在生产时， 井下开发对风量的需求时常改变 ，由 于通风网络的阻力不断变化， 需要随时调节风机工作状态来 达到生产通风的标准 ， 金属非金属地下矿山安全规程 针 对矿井通风量有明确规定。 矿现用的风机电控技术根本不可 能对风机的工况点进行实时跟踪调节。 收稿 日期 2 0 1 7 一 O 7 作者简介 马世伟， 生于 l 9 7 1 年， 男，山东济宁人， 工程师， 研究方向 矿山机电技术及现场管理。 2_ 2 方案的制定 1 矿井通风常见的调节方法是改变风门开度 ， 这种方 法容易浪费能源 ， 不利于可持续发展 ； 通过调节叶轮叶片的 安装角度进行调整 ， 这种方法需要断电停机完成 ， 并且容易 让风机的效率产生变化， 仅限于调整大幅度效率变化的风 机 ； 若调节转速不影响风机效率， 可以安装调节风机转速的 装置， 这样实现风机不断电调节方式。而小幅度的调节需要 转速调节的方式 变频调速是利用电源频率变化达到电机无 级调速的工作状态。 b 图 1 风机负载特 性 2 我 们 知 道 ， 交 流 电动 机 的 转 速 N用 公 式 表 示 为 N 6 0 f 1 一 s ／ p； N为电机每分钟转速 ， f 为电机接受频 率。 P为电机磁极对数， S 为电机转差率 。由此可知交流电 机的转速与接受频率成正比， 通过改变电机的供电频率可达 到调整电机转速的目的。 3 由风机的工作原理可知 风机一般属于二次方转 矩负载， 其机械轴功率随转速的下降而急剧降低 ， 因此 ， 调 速系统输入的电功率也急剧降低 。 根据风机比例定律， 风机 的转速从n 1 变到n 2时， 风机的风量与转速的一次方成正 比。 风压与转速的二次方成正比， 轴功率与转速的三次方成 正比， 风机的效率基本不变。 既 Q 1 ／ Q 2 n 1 ／ n 2 ；H1 ／ H 2 n ／ n ； P 】 ／ P 2 n ／ n 2 。 。当需要小风量时， 用变频器降低 风机转速，电动机的输入功率将按三次方的关系大幅度降 2 0 1 7 7 月上世界有色金属4 5 M 舌 ⋯ g 低 ， 达到节能 的 目的 。 4 现 阶段 ， 随着元 器件 制造行 业发 展 ， 元 器件 制作成 本不 断降低 ， 变频 调速 装置的应用 范 围也越来越 大 ， 通过 与 矢量 控制技 术结合 ， 使 交流调速 性能逐 渐达到 直流效果 。 变 频调速技术从原来仅限中小设备使用的状况， 发展到广泛应 用 于大型设备 。 矿 井主通风设备 的作用是调整 井下温度和 湿 度、稀释井下有害气体及输送新鲜空气， 需要2 4小时连续 工作， 所以对于金属矿安全生产， 矿井主通风设备具有重要 意 义。 3实施效 果 图 2 变频 调速机械特征 变频调速不会将交流电动机的硬性特征改变。 针对通风 机设备需要通过恒转矩的方式进行调速 ， 在调速时必须保证 定子的频率和电压比例不发生变化， 以此得出变调速机械特 性曲线图 图2 。 其中最大的转矩随着频率降低而减小 ， 风 机负载遵循转速越低负载越小的原则， 平常工作时的负载值 稳定 ， 旷 用风机不需要 反复启动 ， 所以对过 载能力要求宽松 。 变频调速能够在通风工作时随时调节速度 ， 达到通风机 的无级调速工作方式， 这样不仅可以更好地配合各种工作情 况的要 求 ， 也符合风 机的启动 标准 ， 和其他 的调节方 法或添 加启动装置相比效率高、 节约能源。由于采用变频调速装置 技术成熟， 运行平稳 ， 能提高主通风机运转可靠性 ， 减少维 护工作量。 由于风机一、 二级之间采用P L C编程控制 ， 可以方便地 实现自动控制， 即当一级电机故障时二级电机可以自动投入 运行 ， 这可避免风机因故障而停机。 启动方式既可手动调节 频率启动， 亦可根据预先设定的频率自动启动。运行方式可 以根据供风需要采取单机或双机运行 ， 确保风机运行安全可 靠 。 蹿 1 】 朱卫 国 ，尤 弧 ，余陶 ．矿井主通风机 变频 渊速技 术研究 与应 用f 『 】 ．安 徽建 筑大学学报 ，2 0 0 8 ，1 6 5 7 2 - 7 4 ． [ 2 ] 商 坤 ．矿井通风 机应用变频调速技 术的研究 [ J ] ．科技 研究 ，2 0 1 4 ． 【 3 】 郑 文杰 ，叶志强 ．变频调速技 术在矿井提升机上 的应用研 究 [ j 】 ．技术 与市场 ，2 0 1 5 7 I 6 0 -1 6 O ． 【 4 】 喻存俊 ．变 频调速技术 在主通 风机节能 上的应 用及分析 [ ． 能源 与节 能 ，2 O l 4 2 9 0 - 9 2 ． f 5 】 李文涛 ．矿井主趟风机变频调速监控系统研究与开发f D 】 ．青岛科技大 学 2 O1 3 ． 上接 4 4页 3 措施 分析 1 增强操作人员的业务技能。在机电设备的保养维修 管理中， 最主要的主体是人， 为了减少设备故障， 延长设备 的使用时间增强操作人员的业务技能十分必要。 冶金企业需 要在日常管理中 ， 加大对机电设备操作人员专业知识的培训 力度， 并采取鼓励性措施让机电人员自己去增强 自身技能。 让机电操作人员在在机 电设备保养维修管理中深入钻研自 己的专业技术， 并让本企业与其他机电设备技术相关单位之 间建立 良好关系， 深化与技术单位之间的沟通和合作， 全面 提高工作人员的技能。在冶金行业经营生产中， 机电工作人 员是设备的主要使用者， 机电工作人员的操作行为和自身理 念以及技能技巧都会对机电设备的使用 、 保养、 维修产生一 定影响。为了减少机电操作人员对设备的影响， 减少不正当 操作行为， 需要对机电工作人员进行业务技能的培训。让其 科学的使用冶金机电设备 ， 爱护设备 ， 尽可能减少设备故障， 延长设备的使用效率 ， 减少设备故障为整个企业发展所带来 的经济损失 。 2 强化预防性养护。为了改变冶金机电设备保养维修 管理现状， 减少养护成本， 需要改变之前的不恰当管理方式 ， 对整个机电系统进行经常性的维护和检修。为了让冶金机电 设备一直处于正常运转状态， 延长设备的使用时间， 需要及 时养护设备， 并根据设备的具体使用情况进行周期性和预防 性检 修 。 在冶 金企业 中 ， 机 电设 备管理部 门要对 每一 台机 电 设备都制定详细的巡检计划 ， 并严格按照计划执行各项保养 和维修工作 ， 对每一次的养护处理都做好记录 ， 填报好相关 资料 ， 做好机电设备养护情况资料管理工作。 强化冶金机电 设备的预防性养护 ， 能够有效降低其维修成本， 让冶金企业 投入相对少的资源获取较多的经济效益， 减少设备故障而带 来的直接和间接经济损失。 预防性养护能够有效规避设备的 中断， 规避零部件更换成本， 并降低专项维修所带来的时间 成 本。 3 做好机电设备维护知识的宣传工作。 在冶金企业中， 做好机电设备保养维护管理知识的宣传工作十分重要， 让所 有的机电工作人员都树立自觉保养、 维护并爱惜机电设备的 意识， 便能够有效做好机电设备养护管理工作。 具体而言 ， 冶金企业可以在空闲时间将机电职工召集起来 ， 向其普及设 备的维护知识， 告知他们常见的设备问题和应对策略， 并为 其演练正确的操作方法 ， 让他们习得机电设备维护技能。 其 次 ， 冶金企业还可以在公司规童制度中， 明确对机电设备维 护的职责 ， 并将其与员工 自身的报酬结合起来， 此外 ， 冶金 企业还要充分利用各种宣传栏， 宣传普及机电设备保养和维 修知识 ， 让工作人员耳濡 目染提高其专业技能水平。 4结语 冶金机电设备保养维修管理离不开先进的思想指引， 离 不开机电工作人员的日常行为。 要想改变现状 ， 提升管理效 果 ， 就必须要不断增强机电人员的业务技能、 强化预防性养 护理念并做好机电设备维护知识的宣传工作。 四 日盈圜 f J 】 张 玉 杰 ． 机 电 设 备的 维 修 保 养跚山 东 煤 炭 科 技 ， 2 0 1 6 ， 0 8 l 5 ] 1 5 2 1 5 8 ． [ 2 ] 张炜 生浅谈机 电设 备运 行管理 与维修 【 J 】 ． 科技风 ， 2 01 6． 01 3 2． [ 3 ] 单 达 ． 冶 金机 电设 备保 养维修 管理 分析 『 J j ． 机 电信 息 ， 2 0 1 3 ， 2 4 7 3 7 4 ． 4 6 世界有色金属2 0 1 7 年 7 J 9