【文章內(nèi)容簡介】 第 5 頁 2 礦井通風(fēng)機(jī)相關(guān)原理及變頻調(diào)速原理介紹 礦井通風(fēng)機(jī)相關(guān)原理 礦井通風(fēng)機(jī)初步介紹 礦井通風(fēng)機(jī)按其服務(wù)范圍和所起的作用分為三種： ⑴ 主要通 風(fēng)機(jī) 為 整個(gè)礦井或者 大片 區(qū)域 通風(fēng) 的通風(fēng)機(jī)被稱為礦井的主要通風(fēng)機(jī)。主要通風(fēng)機(jī)必須 24 小時(shí)不間斷運(yùn)行 ，對(duì)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(jī)是煤礦生產(chǎn)中耗電最大的設(shè)備，所以對(duì)其選用必須考慮到安全、經(jīng)濟(jì)方面。 ⑵ 輔助通風(fēng)機(jī) 用來幫助礦井主要通風(fēng)機(jī)克服風(fēng)阻力，增加風(fēng)量的通風(fēng)機(jī)。 ⑶ 局部通風(fēng)機(jī) 為了滿足礦井下某一局部點(diǎn)通風(fēng)需要的通風(fēng)機(jī)。 本設(shè)計(jì)論文主要圍繞礦井主通風(fēng)機(jī)進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)，而礦用主要通風(fēng)機(jī)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(jī)和軸流式通風(fēng)機(jī)，其中軸流式通風(fēng)機(jī)又可以分為普通式和對(duì)旋式兩種通風(fēng)機(jī)。對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)是在同等條件下對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的全風(fēng)壓要高于普通的軸流式風(fēng)機(jī)，因此經(jīng)濟(jì)效益更加好。目前我國生產(chǎn)的對(duì)旋軸流通風(fēng)機(jī)主要有 FCBDZ 系列和 FCDZ 等系列。本設(shè)計(jì)主要研究的控制對(duì)象是對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)，為了更好的說明其優(yōu)越性，我們需要下面對(duì)通風(fēng)機(jī)的原理進(jìn)行一定的了解。 主要礦井通風(fēng)機(jī)運(yùn)行特性曲線說明 主要通風(fēng)機(jī)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(jī)的運(yùn)行特性和狀況。每一 臺(tái)主通風(fēng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速 和 一定的風(fēng)量條件下，就 會(huì) 有一定的風(fēng)壓、功率和效率 與之對(duì)應(yīng) 。如果風(fēng)量發(fā)生了變動(dòng)，那么其他的參數(shù)也會(huì)發(fā)生改變，因此可以將主通風(fēng)機(jī)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(jī)的運(yùn)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(jī)和軸流式通風(fēng)機(jī)的特性曲 運(yùn)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(jì) 第 6 頁 NHηQ圖 軸流式通風(fēng)機(jī) 運(yùn)行 特性曲線 NHηQ圖 離心式通風(fēng)機(jī) 運(yùn)行 特性曲線 通過觀察軸流式通風(fēng)機(jī)和離心式通風(fēng)機(jī) 運(yùn)行 特性曲線可以得到兩種風(fēng)機(jī)特性上的不同： ⑴ 軸流式通風(fēng)機(jī)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(jī) 在此區(qū)域工作會(huì)導(dǎo)致其有較強(qiáng)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(yùn)行會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī) 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(jī)的風(fēng)壓特性曲線相對(duì) 比較平緩， H 隨著風(fēng)量 Q 的變化 程度 不大。 ⑵ 當(dāng)風(fēng)量由小到大增加時(shí)，主要通風(fēng)機(jī) 工作效率 也逐 慢慢升高 ，當(dāng) 增至 最大值后 隨著風(fēng)量增加逐步下降 。 每一臺(tái)通風(fēng)機(jī)的個(gè)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(jī)工中國礦業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁 作的工況點(diǎn)，選擇合適的工況點(diǎn)要考慮到經(jīng)濟(jì)方面和安全方面。因此通風(fēng)機(jī)的特性曲線就顯得十分重要，但是個(gè)體特性曲線往往都是通過實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)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(jìn)行模擬。然而在通風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定工 作區(qū)域內(nèi)其變化相對(duì)不穩(wěn)定區(qū)域較小，復(fù)雜程度也較小，因此風(fēng)機(jī)運(yùn)行在穩(wěn)定工作區(qū)域 時(shí) 可以對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)擬合。采用二次或者三次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合的方程可以滿足工程實(shí)際的需要。下面在通風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定工作區(qū)域內(nèi)進(jìn)行 HQ 曲線二次多項(xiàng)式的擬合。 γβα ??? H 2 （ ） 式中： H——主通風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓 ， Pa； Q——主通風(fēng)機(jī)的流量， m179。/s。 對(duì)于不同的礦井主通風(fēng)機(jī)其擬合出來的二次多項(xiàng)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(shí)驗(yàn)測得通風(fēng)機(jī)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(jìn)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(jìn)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(huì)利用到另一個(gè)通風(fēng)機(jī)的重要定律：通風(fēng)機(jī)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(jī)在相似的工況點(diǎn)，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(jī) 兩種不同運(yùn)行 轉(zhuǎn)速 ,r/min H1,H2——主通風(fēng)機(jī)在兩種轉(zhuǎn)速下的不同風(fēng)壓 ,Pa； Q1,Q2——主通風(fēng)機(jī)在兩種轉(zhuǎn)速下的不同流量， m179。/s； N1,N2——主通風(fēng)機(jī)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(shí)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(jī)轉(zhuǎn)換到額定轉(zhuǎn)速下來進(jìn)行計(jì)算，這樣大大簡化計(jì)算分析過程，有利于我們?nèi)シ治鲈O(shè)計(jì)通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)。 變頻調(diào)速原理及變頻器簡介 交流異步電機(jī)調(diào)速原理簡介 在如今的工業(yè)生產(chǎn)中交流電機(jī) 應(yīng)用 越來越廣泛，交流電機(jī)的體積小，重量輕，運(yùn)行穩(wěn)定等性能特點(diǎn)值得人們青睞。但是交流異步電機(jī)不同于直流電機(jī)，它的調(diào)速不如直流電機(jī)那樣簡單，是因?yàn)榻涣鳟惒诫姍C(jī)是定子通入三相對(duì)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(dòng)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(dòng)勢，維持電機(jī)的旋轉(zhuǎn)。交流異步電機(jī)旋轉(zhuǎn)原理決定了它調(diào)速的復(fù)雜性，在電機(jī)與拖動(dòng)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(jì) 第 8 頁 流異步電機(jī)轉(zhuǎn)速的公式： p sfn )1(60 ?? () 式中： n——電機(jī)的轉(zhuǎn)速， r/min。 f——定子電源的頻率， Hz。 s——交流異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差率； p——交流異步電機(jī)的極對(duì)數(shù)。 由式 可知，交流異步電機(jī)調(diào)速有三種方法，改變定子電源的頻率，改變電機(jī)的轉(zhuǎn)差率， 改變電機(jī)的極對(duì)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(jī)的轉(zhuǎn)速，但是在實(shí)際變頻調(diào)速時(shí)通常要考慮一個(gè)重要的因素，希望可以保持電機(jī)中磁通量并不發(fā)生改變，維持定值。由電機(jī)學(xué)知識(shí)可知，在改變交流異步電動(dòng)機(jī)電源頻率時(shí)，應(yīng)該對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)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(jī)的額定工作頻率。下面通過具體的公式來進(jìn)行變壓變頻的分析。 mKNNfE ? （ ） 式 中： Eg——為氣隙磁通在每項(xiàng)定子感應(yīng)的電動(dòng)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(dāng)變頻調(diào)速時(shí)需要同時(shí)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(dāng)?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(jī)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(jìn)行調(diào)速時(shí)由于需要定子電壓維持在額定電壓，此時(shí)就不能保證電機(jī)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(jì) 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(chǔ)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(chǔ)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(fù)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(jī)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(duì)本設(shè)計(jì)作用不大， 此處不作詳細(xì)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(jī)相 關(guān)原理，交流異步電機(jī)變頻調(diào)速的原理，我們可以進(jìn)行如何通過變頻調(diào)速原理來實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)機(jī)節(jié)能運(yùn)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(jī)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(jī)物理量計(jì)算的另一個(gè)公式： 中國礦業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 10 頁 Q/1000*H=N () 式中： N——風(fēng)流功率， KW。 H——礦井主通風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓， Pa。 Q——通過主要風(fēng)機(jī)的流量， m179。/s。 因?yàn)榈V井主通風(fēng)機(jī)的電功率主要是對(duì)風(fēng)流做功所得，所以礦井主通風(fēng)機(jī)的功率 可以認(rèn)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(jī)的工作風(fēng)阻特性曲線，通過改變軸流式通風(fēng)機(jī)的葉片安裝角度，調(diào)節(jié)風(fēng)門來改變風(fēng)阻進(jìn)而改變通風(fēng)量。但是礦井開采過程中，由于不斷進(jìn)行生產(chǎn)量的擴(kuò)大，礦井通風(fēng)機(jī)的負(fù)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(jì)中設(shè)備的經(jīng)濟(jì)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(fèi)了很多電能。下面通過主通風(fēng)機(jī)的特性曲線來比 對(duì)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(jī) QH 及風(fēng)阻特性曲線。 ① 號(hào)曲線對(duì)應(yīng)主風(fēng)機(jī)在 n1 轉(zhuǎn)速下的 QH 特性曲線， ② 號(hào)曲線對(duì)應(yīng)主風(fēng)機(jī)在 n2 轉(zhuǎn)速下的 QH 特性曲線，其中 n1n2。 ③ 號(hào)曲線對(duì)應(yīng)的是主通風(fēng)機(jī)在風(fēng)阻為 R1 下的風(fēng)阻特性曲線， ④ 號(hào)曲線對(duì)應(yīng)的是主通風(fēng)機(jī)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(jī) QH 及工作風(fēng)阻特性曲線 設(shè)主通風(fēng)機(jī)在 B 點(diǎn)，工作風(fēng)阻特性曲線最小（風(fēng)機(jī)的風(fēng)阻最?。?，達(dá)到最大風(fēng)量 Q1，此時(shí)主通風(fēng)機(jī)的工作效 率最高，對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)功率與矩形 BH2OQ1 的面積成正比?，F(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(jī)轉(zhuǎn)速不變，那么其工況點(diǎn)還是在 ① 號(hào)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(shí)主通風(fēng)機(jī)的風(fēng)阻特性曲線變?yōu)?④ 號(hào)，恰好風(fēng)量減小到 Q2。因?yàn)檫\(yùn)行需要同時(shí)滿足 QH 特性曲線和風(fēng)阻特性曲線，所以這時(shí)候主通風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)應(yīng)該為 ① 號(hào)與 ④ 號(hào)曲線的交點(diǎn) C，在中國礦業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 11 頁 工作點(diǎn) 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(diǎn)和 C點(diǎn)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(fèi)。 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(jī)的轉(zhuǎn)速，假設(shè)由 n1減小到 n2 時(shí)，通風(fēng)機(jī)的 QH 特性曲線變?yōu)?② 號(hào)曲線，在風(fēng)阻為 R1 的條件下，恰好滿足此時(shí)通風(fēng)量為 Q2，那么此時(shí)的工作點(diǎn)為 ② 號(hào)曲線與 ③ 號(hào)曲線的交點(diǎn) A。在 A 點(diǎn)通風(fēng)機(jī)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(jī)功率明顯減小，具有很明顯很徹底的節(jié)能效果。為了進(jìn)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