【文章內(nèi)容簡介】 第 5 頁 2 礦井通風(fēng)機相關(guān)原理及變頻調(diào)速原理介紹 礦井通風(fēng)機相關(guān)原理 礦井通風(fēng)機初步介紹 礦井通風(fēng)機按其服務(wù)范圍和所起的作用分為三種： ⑴ 主要通 風(fēng)機 為 整個礦井或者 大片 區(qū)域 通風(fēng) 的通風(fēng)機被稱為礦井的主要通風(fēng)機。主要通風(fēng)機必須 24 小時不間斷運行 ，對礦井安全生產(chǎn)和礦井下工作人員的身體健康、生命安全關(guān)系重大。主通風(fēng)機是煤礦生產(chǎn)中耗電最大的設(shè)備，所以對其選用必須考慮到安全、經(jīng)濟方面。 ⑵ 輔助通風(fēng)機 用來幫助礦井主要通風(fēng)機克服風(fēng)阻力，增加風(fēng)量的通風(fēng)機。 ⑶ 局部通風(fēng)機 為了滿足礦井下某一局部點通風(fēng)需要的通風(fēng)機。 本設(shè)計論文主要圍繞礦井主通風(fēng)機進行相關(guān)設(shè)計，而礦用主要通風(fēng)機按照其構(gòu)造和工作原理的不同可以分 為離心式通風(fēng)機和軸流式通風(fēng)機，其中軸流式通風(fēng)機又可以分為普通式和對旋式兩種通風(fēng)機。對旋式軸流通風(fēng)機的特點是在同等條件下對旋式軸流通風(fēng)機產(chǎn)生的全風(fēng)壓要高于普通的軸流式風(fēng)機，因此經(jīng)濟效益更加好。目前我國生產(chǎn)的對旋軸流通風(fēng)機主要有 FCBDZ 系列和 FCDZ 等系列。本設(shè)計主要研究的控制對象是對旋式軸流通風(fēng)機，為了更好的說明其優(yōu)越性，我們需要下面對通風(fēng)機的原理進行一定的了解。 主要礦井通風(fēng)機運行特性曲線說明 主要通風(fēng)機工作的基本參數(shù)是風(fēng)量、風(fēng)壓、功率和效率，這些基本參數(shù)能夠反應(yīng)礦井通風(fēng)機的運行特性和狀況。每一 臺主通風(fēng)機在額定轉(zhuǎn)速 和 一定的風(fēng)量條件下，就 會 有一定的風(fēng)壓、功率和效率 與之對應(yīng) 。如果風(fēng)量發(fā)生了變動，那么其他的參數(shù)也會發(fā)生改變，因此可以將主通風(fēng)機的風(fēng)壓，功率和效率與風(fēng)量的關(guān)系分別用曲線表示出來，這些曲線便稱為通風(fēng)機的運行特性曲線。特性曲線包括全壓 流量曲線（ HQ） ,功率 —流量曲線（ NQ） ,效率 流量曲線（ η—Q）。離心式通風(fēng)機和軸流式通風(fēng)機的特性曲 運行 線如圖 和圖 所示 中國礦業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)設(shè)計 第 6 頁 NHηQ圖 軸流式通風(fēng)機 運行 特性曲線 NHηQ圖 離心式通風(fēng)機 運行 特性曲線 通過觀察軸流式通風(fēng)機和離心式通風(fēng)機 運行 特性曲線可以得到兩種風(fēng)機特性上的不同： ⑴ 軸流式通風(fēng)機的風(fēng)壓特性曲線變化較大，比較陡，并且有一段區(qū)域成 “馬鞍形 ”的 “駝峰 ”，隨著風(fēng)量的變化，風(fēng)壓的改變比較大。在 “駝峰 ”左面的區(qū)域是不穩(wěn)定工作區(qū)域，風(fēng) 機 在此區(qū)域工作會導(dǎo)致其有較強的震蕩，產(chǎn)生噪音； N， H在此區(qū)域隨著風(fēng) 量 Q 的變化 程度大 ， 此條件下 運行會對風(fēng)機 造成損害 。 “駝峰 ”右面的區(qū)域是穩(wěn)定工作區(qū)域。離心式通風(fēng)機的風(fēng)壓特性曲線相對 比較平緩， H 隨著風(fēng)量 Q 的變化 程度 不大。 ⑵ 當風(fēng)量由小到大增加時，主要通風(fēng)機 工作效率 也逐 慢慢升高 ，當 增至 最大值后 隨著風(fēng)量增加逐步下降 。 每一臺通風(fēng)機的個體特性曲線都有所不同，我們可以通過特性曲線在一定轉(zhuǎn)速條件下，已知通風(fēng)量 Q，可以求得功率 N，效率 η，風(fēng)壓 H 來選擇適合風(fēng)機工中國礦業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)設(shè)計 第 7 頁 作的工況點，選擇合適的工況點要考慮到經(jīng)濟方面和安全方面。因此通風(fēng)機的特性曲線就顯得十分重要，但是個體特性曲線往往都是通過實驗的方法進行繪制的，很難通過一定的數(shù)學(xué)方法找出數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系來進行模擬。然而在通風(fēng)機的穩(wěn)定工 作區(qū)域內(nèi)其變化相對不穩(wěn)定區(qū)域較小，復(fù)雜程度也較小，因此風(fēng)機運行在穩(wěn)定工作區(qū)域 時 可以對其進行數(shù)學(xué)擬合。采用二次或者三次多項式進行擬合的方程可以滿足工程實際的需要。下面在通風(fēng)機的穩(wěn)定工作區(qū)域內(nèi)進行 HQ 曲線二次多項式的擬合。 γβα ??? H 2 （ ） 式中： H——主通風(fēng)機的風(fēng)壓 ， Pa； Q——主通風(fēng)機的流量， m179。/s。 對于不同的礦井主通風(fēng)機其擬合出來的二次多項式是不同的，因此相關(guān)的參數(shù)也是不同的，即 α， β， γ的值也是不同的。通過實驗測得通風(fēng)機在穩(wěn)定區(qū)域 的特性曲線可以利用相關(guān)的數(shù)學(xué)軟件進行數(shù)據(jù)擬合分析，借助數(shù)學(xué)分析軟件MATLAB,采用最小二乘法可以求出擬合方程，進而求得 α， β， γ。 由于在后面的算法分析和變頻調(diào)速節(jié)能原理闡述中會利用到另一個通風(fēng)機的重要定律：通風(fēng)機比例定律。在這里做簡要的說明。在礦井通風(fēng)與安全這門課程中提到同類型風(fēng)機在相似的工況點，它們的風(fēng)壓 H，流量 Q 和功率 N 與其轉(zhuǎn)速 n 成比例關(guān)系： Q1/Q2=n1/n2 （ ） H1/H2=(n1/n2)178。 （ ） N1/N2=（ n1/n2） 179。 （ ） 式中 :n1,n2——主通風(fēng)機 兩種不同運行 轉(zhuǎn)速 ,r/min H1,H2——主通風(fēng)機在兩種轉(zhuǎn)速下的不同風(fēng)壓 ,Pa； Q1,Q2——主通風(fēng)機在兩種轉(zhuǎn)速下的不同流量， m179。/s； N1,N2——主通風(fēng)機在兩種轉(zhuǎn)速下的不同功率， W。 通 過以上這三條公式可以實現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速下的物理量之間的轉(zhuǎn)換，可以將非額定轉(zhuǎn)速下的風(fēng)機轉(zhuǎn)換到額定轉(zhuǎn)速下來進行計算，這樣大大簡化計算分析過程，有利于我們?nèi)シ治鲈O(shè)計通風(fēng)機系統(tǒng)。 變頻調(diào)速原理及變頻器簡介 交流異步電機調(diào)速原理簡介 在如今的工業(yè)生產(chǎn)中交流電機 應(yīng)用 越來越廣泛，交流電機的體積小，重量輕，運行穩(wěn)定等性能特點值得人們青睞。但是交流異步電機不同于直流電機，它的調(diào)速不如直流電機那樣簡單，是因為交流異步電機是定子通入三相對稱交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，切割轉(zhuǎn)子產(chǎn)生感應(yīng)電流，然后電磁力帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，但是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) 的轉(zhuǎn)速比旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速低，這樣才能保證產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，維持電機的旋轉(zhuǎn)。交流異步電機旋轉(zhuǎn)原理決定了它調(diào)速的復(fù)雜性，在電機與拖動這門課程中介紹過交中國礦業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)設(shè)計 第 8 頁 流異步電機轉(zhuǎn)速的公式： p sfn )1(60 ?? () 式中： n——電機的轉(zhuǎn)速， r/min。 f——定子電源的頻率， Hz。 s——交流異步電機的轉(zhuǎn)差率； p——交流異步電機的極對數(shù)。 由式 可知，交流異步電機調(diào)速有三種方法，改變定子電源的頻率，改變電機的轉(zhuǎn)差率， 改變電機的極對數(shù)，其中第一種方法即變頻調(diào)速的效果最好 ， 較為常用。 變頻調(diào)速簡介 雖然改變定子的電源頻率可以改變電機的轉(zhuǎn)速，但是在實際變頻調(diào)速時通常要考慮一個重要的因素，希望可以保持電機中磁通量并不發(fā)生改變，維持定值。由電機學(xué)知識可知，在改變交流異步電動機電源頻率時，應(yīng)該對電動機進行電壓協(xié)調(diào)控制。一般情況下電壓協(xié)調(diào)變頻控制分為基頻以下和基頻以上，基頻即電機的額定工作頻率。下面通過具體的公式來進行變壓變頻的分析。 mKNNfE ? （ ） 式 中： Eg——為氣隙磁通在每項定子感應(yīng)的電動勢； f1——電源頻率； N1——為定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)； K——與繞組結(jié)構(gòu)相關(guān)的常數(shù)； Φm——每極氣隙磁通。 由式 可知，要想保持磁通 Φm不變，當變頻調(diào)速時需要同時改變 Eg 的大小，使得 Eg/f1=常值。去改變 Eg 的值需要去改變定子電壓 U1，而這種近似的處理效果的原理需要用到下面的公式來說明 jx 1) I 1+( r 1+Eg=U1 () 式中： U1——定子電壓； r1——定子電阻； x1——定子漏電抗； I1——定子電流。 如果在變壓變頻控制中適當?shù)奶岣叨ㄗ与妷?U1，克服定子阻抗壓降后便可以保障 U1≈Eg，因此保持 U1/f1=常值可以維持磁通不變。這種恒定 U1/f1 的方式 使 它的變頻機械特性是平行的曲線， 且 硬度較好，能夠滿足基本的調(diào)速要求，具有恒轉(zhuǎn)矩的特性。然而在基頻以上進行調(diào)速時由于需要定子電壓維持在額定電壓，此時就不能保證電機的磁通不變，這種調(diào)速方式屬于恒功率調(diào)速。 中國礦業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)設(shè)計 第 9 頁 變頻 器的簡介 通過提出了改變定子電源頻率的調(diào)速方法，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻器這種電氣設(shè)備便問世了。變頻器是把 電壓和頻率均為固定值的交流電 變換成電壓，頻率均可 變化值 的交流電，是變頻調(diào)速 中 的控制裝置。 變頻器按照其結(jié)構(gòu)的不同可以分為交 直 交變頻器和交 交變頻器。交流變頻器是將電網(wǎng)的交流電通過整流電路整流成直流電，經(jīng)過中間的儲能環(huán)節(jié)，最后 通過 逆變電路將直流電 變換 成頻率和電壓均可變 化 的交流電。交 交變頻器是將電網(wǎng)的工頻交流電轉(zhuǎn)換成另一種頻率的交流電，不經(jīng)過中間任何儲能環(huán)節(jié)。圖 為交 直 交變頻器的主電路 的結(jié)構(gòu)圖，圖 為交 交變頻器 主 電路結(jié)構(gòu)圖 。 AC恒壓恒頻整流 逆變DC中間直流環(huán)節(jié)AC變壓變頻 圖 交 直 交變頻器主電路結(jié)構(gòu) 負載正向組 反向組u0ui 圖 交交變頻器電路結(jié)構(gòu) 交 —交變頻器多用于低速大功率系統(tǒng)中，而礦井通風(fēng)機要求轉(zhuǎn)速較高，因此礦井通風(fēng)系統(tǒng)中使用的變頻器為交 直 交變頻器。變頻器按照變頻電源的的性質(zhì)還可以分為電壓型和電流型， 由于對本設(shè)計作用不大， 此處不作詳細介紹。 變頻調(diào)速節(jié)能原理分析 通過以上章節(jié)中講述的礦井通風(fēng)機相 關(guān)原理，交流異步電機變頻調(diào)速的原理，我們可以進行如何通過變頻調(diào)速原理來實現(xiàn)礦井通風(fēng)機節(jié)能運行的理論分析。為了便于用數(shù)學(xué)方法來分析礦井主通風(fēng)機的功率與流量和風(fēng)壓之間的關(guān)系，我們需要知道礦井主通風(fēng)機物理量計算的另一個公式： 中國礦業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)設(shè)計 第 10 頁 Q/1000*H=N () 式中： N——風(fēng)流功率， KW。 H——礦井主通風(fēng)機的風(fēng)壓， Pa。 Q——通過主要風(fēng)機的流量， m179。/s。 因為礦井主通風(fēng)機的電功率主要是對風(fēng)流做功所得，所以礦井主通風(fēng)機的功率 可以認為與 Q 和 H 的乘積成正比。那么在下面的分析過程中，功率 N 的大小可以等效為 QH 曲線中的相關(guān)矩形所包圍面積的大小，這樣就可以從數(shù)學(xué)圖像的角度來分析節(jié)能問題。 傳統(tǒng)的風(fēng)量調(diào)節(jié)方式是恒速下改變主通風(fēng)機的工作風(fēng)阻特性曲線，通過改變軸流式通風(fēng)機的葉片安裝角度，調(diào)節(jié)風(fēng)門來改變風(fēng)阻進而改變通風(fēng)量。但是礦井開采過程中，由于不斷進行生產(chǎn)量的擴大，礦井通風(fēng)機的負載是不斷發(fā)生改變的，恒速調(diào)節(jié)風(fēng)量的方式不足以滿足風(fēng)量需求。在礦井通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計中設(shè)備的經(jīng)濟問題同樣重要，而這種傳統(tǒng)恒速調(diào)節(jié)風(fēng)量的方式浪費了很多電能。下面通過主通風(fēng)機的特性曲線來比 對恒速調(diào)節(jié)與變頻調(diào)速調(diào)節(jié)的能耗。圖 為主通風(fēng)機 QH 及風(fēng)阻特性曲線。 ① 號曲線對應(yīng)主風(fēng)機在 n1 轉(zhuǎn)速下的 QH 特性曲線， ② 號曲線對應(yīng)主風(fēng)機在 n2 轉(zhuǎn)速下的 QH 特性曲線，其中 n1n2。 ③ 號曲線對應(yīng)的是主通風(fēng)機在風(fēng)阻為 R1 下的風(fēng)阻特性曲線， ④ 號曲線對應(yīng)的是主通風(fēng)機在風(fēng)阻為 R2 下 的風(fēng)阻特性曲線，其中 R2R1。 QHR1R2n1n2ABCH1H2H3O①②③④Q1Q2圖 主通風(fēng)機 QH 及工作風(fēng)阻特性曲線 設(shè)主通風(fēng)機在 B 點，工作風(fēng)阻特性曲線最?。L(fēng)機的風(fēng)阻最?。?，達到最大風(fēng)量 Q1，此時主通風(fēng)機的工作效 率最高，對應(yīng)的風(fēng)機功率與矩形 BH2OQ1 的面積成正比。現(xiàn)在假設(shè)由于工程的需求需要將通風(fēng)量由 Q1 減小到 Q2，如果是傳統(tǒng)的方法，保持主通風(fēng)機轉(zhuǎn)速不變，那么其工況點還是在 ① 號曲線上，為了減小通風(fēng)量需要增加其風(fēng)阻，假設(shè)將風(fēng)阻由 R1 增加到 R2，此時主通風(fēng)機的風(fēng)阻特性曲線變?yōu)?④ 號，恰好風(fēng)量減小到 Q2。因為運行需要同時滿足 QH 特性曲線和風(fēng)阻特性曲線，所以這時候主通風(fēng)機的工作點應(yīng)該為 ① 號與 ④ 號曲線的交點 C，在中國礦業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)設(shè)計 第 11 頁 工作點 C 的功率與矩形 CH1OQ2 的面積成正比。比較矩 形 BH2OQ1 和矩形CH1OQ2 的面積大小，發(fā)現(xiàn)通過增加工作風(fēng) 阻的方式來減小風(fēng)量，在 B 點和 C點功率大小差別不明顯，有可能 NCNB，不具有明顯的節(jié)能效果，還可能增加功率，造成電能的浪費。 而采用變頻調(diào)速的方式，為了減小通風(fēng)量，降低通風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，假設(shè)由 n1減小到 n2 時，通風(fēng)機的 QH 特性曲線變?yōu)?② 號曲線，在風(fēng)阻為 R1 的條件下，恰好滿足此時通風(fēng)量為 Q2，那么此時的工作點為 ② 號曲線與 ③ 號曲線的交點 A。在 A 點通風(fēng)機的功率與矩形 AH3Q2 成正比，通過比較矩形 AH3Q2 和矩形CH1OQ2 面積大小，可以發(fā)現(xiàn)矩形 AH3Q2 的面積明顯要小于矩形 CH1OQ2 和矩形矩形 BH2Q1 的面積，即 NANC,NANB。通過變頻調(diào)速的方式減小了通風(fēng)量，相比傳統(tǒng)調(diào)節(jié)工作風(fēng)阻的方式，通風(fēng)機功率明顯減小，具有很明顯很徹底的節(jié)能效果。為了進一步說明變頻調(diào)速控制通風(fēng)量的節(jié)能效果，我們假設(shè) Q1/Q2=2,就是需