矿井主通风机变频节能系统设计(编辑修改稿)

矿井主通风机变频节能系统设计(编辑修改稿)内容摘要：

第 5 页 2 矿井通风机相关原理及变频调速原理介绍 矿井通风机相关原理 矿井通风机初步介绍 矿井通风机按其服务范围和所起的作用分为三种： ⑴ 主要通 风机 为 整个矿井或者 大片 区域 通风 的通风机被称为矿井的主要通风机。 主要通风机必须 24 小时不间断运行 ，对矿井安全生产和矿井下工作人员的身体健康、生命安全关系重大。 主通风机是煤矿生产中耗电最大的设备，所以对其选用必须考虑到安全、经济方面。 ⑵ 辅助通风机 用来帮助矿井主要通风机克服风阻力，增加风量的通风机。 ⑶ 局部通风机 为了满足矿井下某一局部点通风需要的通风机。 本设计论文主要围绕矿井主通风机进行相关设计，而矿用主要通风机按照其构造和工作原理的不同可以分 为离心式通风机和轴流式通风机，其中轴流式通风机又可以分为普通式和对旋式两种通风机。 对旋式轴流通风机的特点是在同等条件下对旋式轴流通风机产生的全风压要高于普通的轴流式风机，因此经济效益更加好。 目前我国生产的对旋轴流通风机主要有 FCBDZ 系列和 FCDZ 等系列。 本设计主要研究的控制对象是对旋式轴流通风机，为了更好的说明其优越性，我们需要下面对通风机的原理进行一定的了解。 主要矿井通风机运行特性曲线说明 主要通风机工作的基本参数是风量、风压、功率和效率，这些基本参数能够反应矿井通风机的运行特性和状况。 每一 台主通风机在额定转速 和 一定的风量条件下，就 会 有一定的风压、功率和效率 与之对应。 如果风量发生了变动，那么其他的参数也会发生改变，因此可以将主通风机的风压，功率和效率与风量的关系分别用曲线表示出来，这些曲线便称为通风机的运行特性曲线。 特性曲线包括全压 流量曲线（ HQ） ,功率 —流量曲线（ NQ） ,效率 流量曲线（ η—Q）。 离心式通风机和轴流式通风机的特性曲 运行 线如图 和图 所示 中国矿业大学 20xx 届本科毕业设计 第 6 页 NHηQ图 轴流式通风机 运行 特性曲线 NHηQ图 离心式通风机 运行 特性曲线 通过观察轴流式通风机和离心式通风机 运行 特性曲线可以得到两种风机特性上的不同： ⑴ 轴流式通风机的风压特性曲线变化较大，比较陡，并且有一段区域成 “马鞍形 ”的 “驼峰 ”，随着风量的变化，风压的改变比较大。 在 “驼峰 ”左面的区域是不稳定工作区域，风 机 在此区域工作会导致其有较强的震荡，产生噪音； N， H在此区域随着风 量 Q 的变化 程度大 ， 此条件下 运行会对风机 造成损害。 “驼峰 ”右面的区域是稳定工作区域。 离心式通风机的风压特性曲线相对 比较平缓， H 随着风量 Q 的变化 程度 不大。 ⑵ 当风量由小到大增加时，主要通风机 工作效率 也逐 慢慢升高 ，当 增至 最大值后 随着风量增加逐步下降。 每一台通风机的个体特性曲线都有所不同，我们可以通过特性曲线在一定转速条件下，已知通风量 Q，可以求得功率 N，效率 η，风压 H 来选择适合风机工中国矿业大学 20xx 届本科毕业设计 第 7 页 作的工况点，选择合适的工况点要考虑到经济方面和安全方面。 因此通风机的特性曲线就显得十分重要，但是个体特性曲线往往都是通过实验的方法进行绘制的，很难通过一定的数学方法找出数学函数关系来进行模拟。 然而在通风机的稳定工 作区域内其变化相对不稳定区域较小，复杂程度也较小，因此风机运行在稳定工作区域 时 可以对其进行数学拟合。 采用二次或者三次多项式进行拟合的方程可以满足工程实际的需要。 下面在通风机的稳定工作区域内进行 HQ 曲线二次多项式的拟合。 γβα  H 2 （ ） 式中： H——主通风机的风压 ， Pa； Q——主通风机的流量， m179。 /s。 对于不同的矿井主通风机其拟合出来的二次多项式是不同的，因此相关的参数也是不同的，即 α， β， γ的值也是不同的。 通过实验测得通风机在稳定区域 的特性曲线可以利用相关的数学软件进行数据拟合分析，借助数学分析软件MATLAB,采用最小二乘法可以求出拟合方程，进而求得 α， β， γ。 由于在后面的算法分析和变频调速节能原理阐述中会利用到另一个通风机的重要定律：通风机比例定律。 在这里做简要的说明。 在矿井通风与安全这门课程中提到同类型风机在相似的工况点，它们的风压 H，流量 Q 和功率 N 与其转速 n 成比例关系： Q1/Q2=n1/n2 （ ） H1/H2=(n1/n2)178。 （ ） N1/N2=（ n1/n2） 179。 （ ） 式中 :n1,n2——主通风机 两种不同运行 转速 ,r/min H1,H2——主通风机在两种转速下的不同风压 ,Pa； Q1,Q2——主通风机在两种转速下的不同流量， m179。 /s； N1,N2——主通风机在两种转速下的不同功率， W。 通 过以上这三条公式可以实现不同转速下的物理量之间的转换，可以将非额定转速下的风机转换到额定转速下来进行计算，这样大大简化计算分析过程，有利于我们去分析设计通风机系统。 变频调速原理及变频器简介 交流异步电机调速原理简介 在如今的工业生产中交流电机 应用 越来越广泛，交流电机的体积小，重量轻，运行稳定等性能特点值得人们青睐。 但是交流异步电机不同于直流电机，它的调速不如直流电机那样简单，是因为交流异步电机是定子通入三相对称交流电产生旋转磁场，切割转子产生感应电流，然后电磁力带动转子旋转，但是转子旋转 的转速比旋转磁场的转速低，这样才能保证产生感应电动势，维持电机的旋转。 交流异步电机旋转原理决定了它调速的复杂性，在电机与拖动这门课程中介绍过交中国矿业大学 20xx 届本科毕业设计 第 8 页 流异步电机转速的公式： p sfn )1(60  () 式中： n——电机的转速， r/min。 f——定子电源的频率， Hz。 s——交流异步电机的转差率； p——交流异步电机的极对数。 由式 可知，交流异步电机调速有三种方法，改变定子电源的频率，改变电机的转差率， 改变电机的极对数，其中第一种方法即变频调速的效果最好 ， 较为常用。 变频调速简介 虽然改变定子的电源频率可以改变电机的转速，但是在实际变频调速时通常要考虑一个重要的因素，希望可以保持电机中磁通量并不发生改变，维持定值。 由电机学知识可知，在改变交流异步电动机电源频率时，应该对电动机进行电压协调控制。 一般情况下电压协调变频控制分为基频以下和基频以上，基频即电机的额定工作频率。 下面通过具体的公式来进行变压变频的分析。 mKNNfE  （ ） 式 中： Eg——为气隙磁通在每项定子感应的电动势； f1——电源频率； N1——为定子每相绕组串联匝数； K——与绕组结构相关的常数； Φm——每极气隙磁通。 由式 可知，要想保持磁通 Φm不变，当变频调速时需要同时改变 Eg 的大小，使得 Eg/f1=常值。 去改变 Eg 的值需要去改变定子电压 U1，而这种近似的处理效果的原理需要用到下面的公式来说明 jx 1) I 1+( r 1+Eg=U1 () 式中： U1——定子电压； r1——定子电阻； x1——定子漏电抗； I1——定子电流。 如果在变压变频控制中适当的提高定子电压 U1，克服定子阻抗压降后便可以保障 U1≈Eg，因此保持 U1/f1=常值可以维持磁通不变。 这种恒定 U1/f1 的方式 使 它的变频机械特性是平行的曲线， 且 硬度较好，能够满足基本的调速要求，具有恒转矩的特性。 然而在基频以上进行调速时由于需要定子电压维持在额定电压，此时就不能保证电机的磁通不变，这种调速方式属于恒功率调速。 中国矿业大学 20xx 届本科毕业设计 第 9 页 变频 器的简介 通过提出了改变定子电源频率的调速方法，随着电力电子技术的发展，变频器这种电气设备便问世了。 变频器是把 电压和频率均为固定值的交流电 变换成电压，频率均可 变化值 的交流电，是变频调速 中 的控制装置。 变频器按照其结构的不同可以分为交 直 交变频器和交 交变频器。 交流变频器是将电网的交流电通过整流电路整流成直流电，经过中间的储能环节，最后 通过 逆变电路将直流电 变换 成频率和电压均可变 化 的交流电。 交 交变频器是将电网的工频交流电转换成另一种频率的交流电，不经过中间任何储能环节。 图 为交 直 交变频器的主电路 的结构图，图 为交 交变频器 主 电路结构图。 AC恒压恒频整流 逆变DC中间直流环节AC变压变频 图 交 直 交变频器主电路结构 负载正向组 反向组u0ui 图 交交变频器电路结构 交 —交变频器多用于低速大功率系统中，而矿井通风机要求转速较高，因此矿井通风系统中使用的变频器为交 直 交变频器。 变频器按照变频电源的的性质还可以分为电压型和电流型， 由于对本设计作用不大， 此处不作详细介绍。 变频调速节能原理分析 通过以上章节中讲述的矿井通风机相 关原理，交流异步电机变频调速的原理，我们可以进行如何通过变频调速原理来实现矿井通风机节能运行的理论分析。 为了便于用数学方法来分析矿井主通风机的功率与流量和风压之间的关系，我们需要知道矿井主通风机物理量计算的另一个公式： 中国矿业大学 20xx 届本科毕业设计 第 10 页 Q/1000*H=N () 式中： N——风流功率， KW。 H——矿井主通风机的风压， Pa。 Q——通过主要风机的流量， m179。 /s。 因为矿井主通风机的电功率主要是对风流做功所得，所以矿井主通风机的功率 可以认为与 Q 和 H 的乘积成正比。 那么在下面的分析过程中，功率 N 的大小可以等效为 QH 曲线中的相关矩形所包围面积的大小，这样就可以从数学图像的角度来分析节能问题。 传统的风量调节方式是恒速下改变主通风机的工作风阻特性曲线，通过改变轴流式通风机的叶片安装角度，调节风门来改变风阻进而改变通风量。 但是矿井开采过程中，由于不断进行生产量的扩大，矿井通风机的负载是不断发生改变的，恒速调节风量的方式不足以满足风量需求。 在矿井通风系统设计中设备的经济问题同样重要，而这种传统恒速调节风量的方式浪费了很多电能。 下面通过主通风机的特性曲线来比 对恒速调节与变频调速调节的能耗。 图 为主通风机 QH 及风阻特性曲线。 ① 号曲线对应主风机在 n1 转速下的 QH 特性曲线， ② 号曲线对应主风机在 n2 转速下的 QH 特性曲线，其中 n1n2。 ③ 号曲线对应的是主通风机在风阻为 R1 下的风阻特性曲线， ④ 号曲线对应的是主通风机在风阻为 R2 下 的风阻特性曲线，其中 R2R1。 QHR1R2n1n2ABCH1H2H3O①②③④Q1Q2图 主通风机 QH 及工作风阻特性曲线 设主通风机在 B 点，工作风阻特性曲线最小（风机的风阻最小），达到最大风量 Q1，此时主通风机的工作效 率最高，对应的风机功率与矩形 BH2OQ1 的面积成正比。 现在假设由于工程的需求需要将通风量由 Q1 减小到 Q2，如果是传统的方法，保持主通风机转速不变，那么其工况点还是在 ① 号曲线上，为了减小通风量需要增加其风阻，假设将风阻由 R1 增加到 R2，此时主通风机的风阻特性曲线变为 ④ 号，恰好风量减小到 Q2。 因为运行需要同时满足 QH 特性曲线和风阻特性曲线，所以这时候主通风机的工作点应该为 ① 号与 ④ 号曲线的交点 C，在中国矿业大学 20xx 届本科毕业设计 第 11 页 工作点 C 的功率与矩形 CH1OQ2 的面积成正比。 比较矩 形 BH2OQ1 和矩形CH1OQ2 的面积大小，发现通过增加工作风 阻的方式来减小风量，在 B 点和 C点功率大小差别不明显，有可能 NCNB，不具有明显的节能效果，还可能增加功率，造成电能的浪费。 而采用变频调速的方式，为了减小通风量，降低通风机的转速，假设由 n1减小到 n2 时，通风机的 QH 特性曲线变为 ② 号曲线，在风阻为 R1 的条件下，恰好满足此时通风量为 Q2，那么此时的工作点为 ② 号曲线与 ③ 号曲线的交点 A。 在 A 点通风机的功率与矩形 AH3Q2 成正比，通过比较矩形 AH3Q2 和矩形CH1OQ2 面积大小，可以发现矩形 AH3Q2 的面积明显要小于矩形 CH1OQ2 和矩形矩形 BH2Q1 的面积，即 NANC,NANB。 通过变频调速的方式减小了通风量，相比传统调节工作风阻的方式，通风机功率明显减小，具有很明显很彻底的节能效果。 为了进一步说明变频调速控制通风量的节能效果，我们假设 Q1/Q2=2,就是需。