通风机的变频调速驱动及爱惜Word格式.docx
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还有一部份轴流式通风机,在改良装置后,性能曲线已无驼峰。
因离心式通风机的特性曲线较平缓,一样没有驼峰,适用于风量转变较小而阻力转变不大的矿井,因此,离心式通风机可用闸门调剂风量,应用范围较广。
尽管离心式通风机最高效率比轴流式通风机要高,但离心式通风机的平均效率不如轴流式通风机高。
通风机运行工况点的调剂
在运行中,用户人为地去改变系统的平稳工作点确实是工况的调剂。
实现调剂的途径:
一是改变管网特性,使风机特性迁移转变;
二是改变风机特性,使工作点沿管网特性曲线迁移转变。
前者可通过调剂闸门开度实现,方便但不经济;
后者与前者相较有必然的节能性。
调剂风机转速对离心式通风机和轴流式通风机都适用,经济性能良好,但投入较大。
轴流式通风机性能还可通过改变更叶或静叶安装角度、改变叶轮级数、改变叶轮数量等方式进行调剂,经济性能良好。
离心式通风机性能调剂一样采纳闸门调剂法,通风阻力较大,经济性能较差,尽管也可通过调剂转速和采纳导流器调剂的方式,但有必然的局限性或较复杂性,还未普遍采纳。
总之,离心式通风机的可调性不如轴流式通风机。
对现代大型轴流通风机的叶轮叶片和导叶叶片的安装角能够做成可调剂的,如此可提高风机的运行范围,使它在经济性能方面比离心式通风机有了更广的适应性。
固然,由于性能参数上的不同特点,二者必然有彼此不可取代的地址。
R为工作风阻H为风压Q为风量M为工况点
二、调速系统
在煤矿的平安生产中,矿井通风系统起着极为重要的作用,它是煤矿平安生产的关键环节"
而矿井局部通风机又是矿井通风系统的要紧设备之一,因此对其进行PLC操纵的变频调速系统的设计和研究,不仅能够大大提高煤矿生产的机械化!
自动化水平,还能节省大量的电能,具有较高的经济效益"
本课题的研究目的是利用PLC操纵技术、变频调速技术和组态监控技术,设计局部通风机的变频调速操纵系统"
当井下掘进巷道延伸时,风机的管网阻力增加,风机的出气风量随之减少"
为了解决这一问题,本课题通过对风机实验特性曲线的研究,提出了一种操纵风机风量的算法"
该操纵算法利用压力传感器搜集管道的出气风压信号,依照风机的比例定律求出风量达到设定值时风机需要达到的转速,再依照变频器模拟输入电压与风机转速的线性关系,求出变频器模拟输入电压与风机出气风压的理论拟合关系"
依照此拟合关系,就能够够由传感器搜集的风压信号求出相应的变频器模拟输入电压,从而改变风机输入电源电压的频率,调整风机的转速,操纵风机的出气风量"
矿井通风机按结构来分,有离心通风机和轴流通风机,目前矿上利用最多的是轴流通风机"
轴流通风机是气体沿轴向进入旋转叶片通道,由叶片与气体的彼此作用,使气体被紧缩并沿轴向排出的通风机"
在两级的轴流通风机中,有一种性能比较好的轴流通风机）对旋式轴流通风机,它的一个叶轮装在另一个叶轮的后面,同时两个叶轮的旋转方向彼此相反"
它具有结构尺寸短,效率高,反风性能好的特点,在矿井中的应用最为普遍"
矿井通风机假设按其具体作用来分,有
两种:
一种是主通风机（主扇）,用来向井下输送新鲜空气,其流量较大,多采纳轴流式的,也有效离心式的;
另一种是局部通风机（局扇）,用于矿井中掘进工作面的通风,其流量!
压力均小,多采纳防爆轴流通风机。
由于矿井通风机是煤矿通风系统的要紧设备之一,其运行状况直接阻碍着煤矿的平安生产"
目前,许多煤矿的主通风机操纵系统采纳继电器操纵,而局部通风机采纳防爆开关直接操纵供电"
风机的启动!
停止仍然采纳人工完成,不能做到依照故障情形自动开停风机,这无益于通风机机房治理水平的提高和煤矿的自动化平安生产[3]"
另外,为了操纵掘进工作面上的风量,传统的方式多采纳增阻法!
减阻法和辅助通风机调剂法"
当掘进巷道开始掘进时,管网阻力比较小,风机的出气风量比较大,可减小局部通风机橡胶管道的直径,从而间接增加管网的阻力,减小风机的出气风量;
当井下掘进巷道延伸时,通风管网的阻力不断增加,掘进巷道中的风量随之不断减少,可增加局部通风机橡胶管道的直径,从而间接减小管网的阻力,增加风机的出气风量"
假设橡胶管道的直径恢复到原始大小,仍不能知足掘进工作面上风量的要求时,需要串级局部通风机或改换大功率的局部通风机"
不管利用何种传统的调剂方式,风机仍然处于工频恒速运行,使得大量的能量从流中损失掉了,这无益于能源的节约利用,而且这种调剂只适合较长时期的风量调剂,不能依照井下掘进工作面的状况进行风量的及时调剂"
随着可编程操纵器（PLC）和变频技术的快速进展,PLC和变频器己经普遍应用于各类自动化操纵领域"
在煤炭行业中,利用PLC操纵的变频器驱动局部通风机运行,不仅能够实现局部通风机的无级滑腻调速,还能够依照管网阻力和瓦斯浓度的转变大小进行风量的及时调剂,降低风机的能耗,节省大量的电能"
同时,该操纵系统具有较高的靠得住性和较完善的报警功能"
假设再利用组态监控技术和网络通信技术对局部通风机的运行进行监控,可使其达到高效!
节能!
平安运行的成效,大大提高煤矿自动化平安生产的水平"
变频调速技术在矿井通风机上的应用概述
变频调速技术是依照交流电机电源频率与转速的关系,通过改变电源频率来改变电机转速的一种技术"
它是随着现代电力电子技术和运算机操纵技术的进展,而进展起来的一种高效节能的操纵技术"
这项技术自上个世纪80年代投入工业应用以来,显示了强劲的竞争力和专门大的进展空间,此刻已经普遍地应用到各类工业生产领域,取得了显著的高效节能成效"
。
变频器是变频调速技术高度进展的结果"
近几年来,随着电力电子技术和运算机操纵技术的迅速进展,变频器的价钱不断下降,可选择的类型不断增多,其靠得住性和功能性取得了不断提高和完善,使其在水泵!
风机!
电梯!
空调等设备上取得了普遍的应用"
目前国内耗电量最大的电机,几乎一半为风机!
泵类负载,因此变频器在它们上的应用和推行,有利于能源的节约利用"
通风机在煤矿上的利用占有专门大的分量,是煤矿生产中最大的耗电设备"
采纳传统的方式调剂风量,使得大量能量从节流中损失掉了"
据统计,利用传统的方式调剂风机的风量,运行效率一样为40%~60%,只有少数能达到70%,有的仅是30%,乃至更低,因此变频器在矿井通风机上的应用很有必要"
一样地来讲,将变频器应用在矿井通风机上,具有以下的功能和优势。
（l）能够实现风机的无级滑腻调速,及时知足矿井生产的风量需求,提高
风机的运行效率,节省大量的电能损耗"
（2）限制风机的启动电流,减少启动时的峰值功率损耗,排除电机起动和
停止时,对机械和电气元件的冲击,延长其利用寿命"
（3）PLC操纵技术和变频器结合利用,能够使通风系统具有完善的监控功
能和高靠得住性,减少通风机的检修和保护的工作量,节约设备的费用"
（4）变频器自身的爱惜功能齐全,有欠电压爱惜!
过电压爱惜!
过电流保
护、短路爱惜、风机轴承过酷爱惜等,使风机平安运行的靠得住性取得大大提高"
基于以上的优势,国内有许多研究所和高校都在致力于变频调速技术在矿井通风机上的应用和研究"
如变频调速技术结合模糊操纵在矿井局部通风机上应用,和重庆煤研所设计的KXJT型矿用通风机自动调速装置,在煤矿的平安生产中都具有比较好的节能!
自动化操纵成效"
最近几年来,有些老煤矿在引进矿井通风机的成套通风设备时,还对旧的通风机继电器操纵系统进行变频调速操纵系统地改造"
如神火煤炭公司杨村矿南风井的主通风机,实施变频调速技术改造后,每一年可节约电费约56万元],大同市马口煤矿和常圈沟煤矿对井下轴流通风机进行变频调速改造后,风机启动平稳,无冲击电流,并可及时调剂风压,风量。
总之,许多己经改造过的矿井通风系统,通过量年的投入运行说明,变频调速技术在矿井通风机上的应用,不仅节省了大量的资金和电能,还大大提高了煤矿平安生产的自动化!
机械化水平"
风机变频调速原理及系统设计
变频调速技术的原理及应用
变频调速的大体原理
在工业生产的进程中,生产机械需要电机拖动来知足生产工艺的要求"
交流异步电机以其体积小!
重量轻!
价钱低廉!
运行性能稳固等优势,在机械的电力传动中应用最为普遍"
可是交流电机不象直流电机那样,能够很方便地进行调速,它的调速问题一直比较困难"
通过几十年的研究和进展,显现了许多交流电机的调速方式,如异步电机的变极调速!
定子电压调速!
转子串电阻调速!
串级调速!
变频调速等"
目前,利用最普遍,成效最好的仍是变频调速,变频调速技术的迅速进展,使交流电机调速困难的问题得以解决"
由电动机的拖动原理,可知交流异步电机的转速表达式为:
f1——定子电源频率;
1——相应的角频率;
p——异步电机的磁极对数;
f——电动机的转差率"
ns——异步电机的同步转速;
——固有角频率"
能够看出,若是改变输入到异步电机定子绕组的电源频率厂,就能够够改变异步电动机的同步转速n:
和转子转速"
"
由电机学知识可知,交流异步电动机的转速"
老是小于同步转速n:
而且它是随着同步转的转变而转变的"
当电源频率五增加时,同步转速n:
增加,交流异步电机的实际转速"
也增加"
反之,当电源频率厂降低,同步转速n,降低,交流异步电机的实际转速n也降低"
这种通过改变电源频率来改变交流电动机转速的调速方式称为变频调速"
在变频调速技术中,利用变频器向电动机提供频率可变的电源,去改变电动机的转速。
变频调速的驱动
变频调速的驱动一样用IGBT来驱动，IGBT是一个三端器件，具有栅极G、集电极C和发射极E。
图3-3给出了一种由N沟道VDMOSFET（VirticalDoubleDiffusedMOSFET）与双极型晶体管组合而成的IGBT的大体结构。
通过比较能够看出，IGBT比VDMOSFET多了一层P+注入区，因此形成了一个大面积的P+N+结J1。
如此使得FIGBT具有很强的通流能力，其等效简化电路如图3-4所示，能够看出这是双极型晶体管与MOSFET组成的达林顿结构，相当于一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。
图中RN为晶体管基区内的调制电阻。
因此，IGBT同MOSFET一样是场控器件。
其开通和关断是由栅极和发射极间的电压UGE决定的，当UGE为正且大于开启电压UGE（th）时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流使其导通。
当栅极和发射极施加反相电压或不加电压时，MOSFET内的沟道消失，晶体管舞基极电流，IGBT关断。
在电力电子电路中，IGBT工作在开关状态，因此在正向阻断区和饱和区来回转换。
图3－3IGBT结构图
图3－4IGBT等效简化图
电力电子器件的驱动电路是电力电子主电路与操纵电路之间的接口，对整个装置的运行效率、靠得住性和平安性都有重要的意义，因此电力电子器件都有必然的驱动要求，依照IGBT的工作特性，能够将IGBT驱动电路的要求归纳如下：
1）IGBT是电压型驱动器件，栅射极之间存在数千皮法左右的极间电容。
因此，驱动电路的内阻应尽可能小，以提供足够大的充放电电流，缩短开关时刻和降低开关损耗。
因此驱动电路与IGBT的连线应尽可能的短。
2）用内阻小的驱动源对栅极电容放电，以保证栅极操纵电压UGE足够陡的前后沿，降低IGBT的开关损耗；
IGBT开通后，栅极驱动源应能提供足够电压，使IGBT工作在饱和状态，减少损耗。
3）驱动电平UGE要综合考虑，当UGE正向增大时，IGBT通态压降和开通损耗均下降，但负载短路时的集电极电流IC增大，IGBT能经受短路电流的时刻减小，对其平安不利，因此UGE不能过大，一样选15～20V。
在IGBT反向关断时，为尽快抽取PNP管的存储电荷，须施加一负偏压UGE，但它受IGBT的栅射极间最大反向耐压限制，一样取－1～－10V。
4）需要提供良好的过电压和过电流爱惜功能，同时du/dt爱惜和di/dt爱惜也是必要的。
IGBT的栅极驱动电路应尽可能利用简单，并有很强的抗干扰能力。
驱动电路同时还要提供操纵电路与主电路之间的电气隔离环节。
栅极电压进入稳固时期，栅极几乎不从驱动电路取电流，因此场控器件所要求的驱动功率不大，人们把门极驱动电路集成在一片芯片内，同时也增加了各类爱惜功能和与微处置器接口的逻辑电路。
目前，对IGBT都有现成的驱动模块可供选用，如三菱公司专门为IGBT设计的专用集成驱动电路M579系列。
日本富士电机公司的EXB驱动电路和西安的HL402等驱动电路也有普遍的应用。
市场上还有一种专用的驱动器，能够驱动一个桥臂上的两个IGBT，如美国IR公司的IR2100。
本文采纳富士电机公司的EXB841作为IGBT的驱动电路，EXB841与IGBT的实际接线图如图3－5所示，EXB841的原理图如图3－6所示，驱动电路由信号隔离器、驱动放大器、低速过流切断电路、栅极关断电源等五部份组成，下面简单介绍一下其原理。
图3－5EXB841接线图
1）正常开通进程
当操纵电路使EXB841输入端脚14和脚15有10mA的电流流过时，图中光藕器ISOl就会导通，A点电位迅速下降到0V，使V1和V2截止，V2截止使D点电位上升到接近20V,V4导通，V5截止，EXB841通过V4及栅极电阻RG向IGBT提供电压及极间电容的充电电流，使之迅速导通。
图3－6EXB841原理图
2）正常关断进程操纵
电路使EXB841输入端脚14和脚15无电流流过，光藕合器ISOl不通，A点电位上升使V1和V2导通；
2导通使V4截止，V5导通，IGBT栅极电荷通过V5迅速放电，使EXB41的脚3电位迅速下降至0V（相关于EXB841脚1低5V），使IGBT靠得住关断，UCE迅速上升，使EXB841的脚6“悬空”。
与此同时，V1导通，C2通过V1更快放电，将B点和C点电位钳在0V左右，使VZ1仍不通，后继电路可不能动作，IGBT正常关断。
3）IGBT的过流爱惜
IGBT模块的耐压值高、电流通断能力强，但它的过流能力却比较差，过流爱惜显得极为重要。
IGBT通常只能经受l0µ
s的短路电流，因此，必需要有快速爱惜电路才能有效地爱惜IGBT，EXB841驱动模块内含爱惜电路，在以上原理图中，过流爱惜部份由V一、V3、VD六、VZI、C二、R4、R五、R六、C3、R7、R八、C4等组成，它们实现过流检测和延时爱惜功能，EXB841的脚6通过快速二极管VD7接至IGBT的集电极，显然它是通过检测电压UCE的高低来判定是不是发生短路。
当IGBT正常导通，那么V1和V2截止，V4导通，V5截止，B点和C点的电位稳固在8V左右，VZl不被击穿，V3不通，E点电位维持为20V，二极管VD6截止。
当发生短路时，IGBT经受大电流而退饱和，UCE上升很多，二极管VD7截止，那么EXB841的脚6“悬空”，B点和C点电位开始由8V上升，当上升至13V时，VZ1被击穿，V3导通，C4通过R7和V3放电，E点电位慢慢下降，二极管VD6导通时，D点电位也慢慢下降，从而使EXB841的脚3电位也慢慢下降，缓慢关断IGBT。
爱惜电路的设计
在变频调速系统的主电路中，由于电力电子器件频繁工作在开通和关断中，逆变器工作在一个电流电压脉动比较大的环境下，为了爱惜这些电力电子器件，同时也为了调试上的方便，需要设计许多爱惜电路，如泵升回路、过压和欠压爱惜电路，过流爱惜电路。
泵升回路和过压、欠压爱惜电路共用一个采样点，而过压、欠压爱惜电路、过流爱惜电路共用一个LM339模块。
泵升回路的设计
在主回路中，直流电源电压Ud两头并联较大容量的电解电容，它除能够减少直流电源电压的脉动外，还可做储能用。
由于逆变器直流侧采纳三相不可控整流，感应电动机减速或停车时，存储在电动机转子和负载中的机械能不可能回馈给电网。
大部份机械能变成电能反馈到电容中，电容吸收了这些电能后，它两头的电压就会升高产生所谓的泵升电压△U，如图3－7所示。
若是不对此电压进行限制，它将造成IGBT的永久性损害。
发生泵升电压是电动机制动进程不可幸免的现象，为此要给制动进程提供一条能量释放的途径（见主电路3－2的R4、Q2,）检测、操纵泵升电压的电路如图3－9所示。
图3－7泵升电压现象
图3－8泵升环宽上下限
图3－9泵升电压限制电路
泵升电压操纵电路中滞环比较器的上、下限是十分重要的，如图3－8所示，滞环的作用是保证功率管Q2的开关频率在许诺的范围内。
滞环的选择原那么是：
泵升环宽的上下限U2取正常直流电压的倍（即泵升电压限制在15%Ud，亦即618V）同时环宽上限要低于过电压整定值（本系统过电压整定值为670V）。
下限U，整定值略高于电网许诺向上波动的最大值（即为10%）。
因为电压波动属于正常现象，不能误以为是泵升。
图3－9的工作原理：
当回馈的能量使电容两头电压超过设定值的上限值U2时，比较器的输出为高电平，通过Bensh_OUT驱动功率开关Q2使其饱和导通，把反馈到电容C上的能量消耗在分流电阻R4上。
R4阻值的选择以分流电流大于或等于电动机许诺的最大制动电流为标准。
当电容两头电压小于U1时，分流电路不能马上关断，而是继续分流，直到其电压小于U1时，比较器的输出为正信号，关断功率管Q2。
假设能量回馈没有终止，电容电压还会上升，当再次超过U1时，Q2将再次导通。
当没有泵升现象发生时，泵升管Q2截止，放电电阻不消耗能量。
过压及欠压爱惜电路的设计
如前所述，系统中设置了直流电压过压、欠压爱惜电路。
因为IGBT集射极耐压及经受反压的能力有限，而我国电网电压的线性度较差，在重负荷时线电压通常小于380-10%，而在用电低谷期线电压高达440V，如此大的电压转变范围，会致使直流回途经压或欠压，因此应设置直流电压过压、欠压爱惜电路，如图3-10所示。
直流电压爱惜信号取自主回路滤波电容器两头，经电阻R2，R3分压和光耦隔离后送入操纵电路。
光电耦合器是用来抑制输入信号的共模干扰。
利用光电耦合器把各类模拟负载与数字信号源隔离开来，也确实是把“模拟地”与“数字地”断开。
被测信号通过光电耦合取得通路，而共模干扰由于形不成回路而取得有效抑制。
注意在那个地址此隔离光耦是工作在线性工作区内。
电压爱惜电路的工作原理如下：
正常状态下，采样电压小于给定电压，比较器输出高电平，当故障发生时，采样电压大于给定电压，比较器输出低电平,发光二极管D1点亮。
欠压爱惜电路的工作原理如下：
正常状态下，采样电压高于给定电压，比较器输出高电平，当故障发生时，采样电压低于给定电压，比较器输出低电平，发光二极管D2点亮。
OV_OUT为过压爱惜输出端子，UV_OUT为欠压爱惜电路输出端子，再经与门送中断信号到操纵电路。
图3－10过压、欠压爱惜电路及限流启动电路
过流爱惜电路的设计
IGBT虽可经受短时刻的过流，但一旦超出平安区，那么将被永久性地损坏，因此要设置快速的过流爱惜电路。
系统在变频器直流回路设置一个电流霍尔元件LA509P，把电流转换成电压信号后接入图3-11所示的爱惜电路中，形成过流爱惜。
当发生过流故障，OC_OUT输出低电平，发光二极管D4被点亮，与其它故障信号相与后送入微处置器的中断口，响应中断效劳程序，封锁SPWM的输出。
3－11过流爱惜电路
限流启动电路的设计
此电路是用来避免在电机起动进程中，电容充电电流过大损坏硅堆，如图3-10所示。
当电机起动时，起动电流专门大，为了爱惜整流硅堆，在主电路上串接入限流电阻R1，当滤波电容上电压达到电机正常运行的65%时，电压继电器常开触头闭合，将电阻R1短路，终止限流起动进程，进入正常运行状态。
限流启动电路工作原理与过压、欠压爱惜相类似。
操纵信号也是从主回路滤波电容器两头掏出，经电阻R10,R11分压和光耦隔离后送入比较电路的。
当采样信号高于参考电压，那么运放输出高电平，驱动管Q1导通，电压继电器动作，其常开触点闭合，将主回路中的限流电阻R1短路。
在继电器吸合到断开的刹时，由于线圈中的电流不能突变，将在线圈产生感应电压，使晶体管集电极经受很高电压，有可能损害驱动管，为此在线圈两头并接一个续流二极管。
变频调速的大体操纵方式
变频调速分为基频以下调速和基频以上调速，基频以下调速属于恒转矩调速方式，基频以上调速属于恒功率调速方式。
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能操纵装置。
变频器分为V/f操纵变频器、转差频率操纵变频器和矢量操纵变频器，咱们此刻利用的变频器要紧采纳交—直—交方式（VVVF变频或矢量操纵变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压都可操纵的交流电源以供给电动机。
变频器的电路一样由整流、中间直流环节、逆变和操纵4个部份组成。
整流部份为三相桥式不可控整流器，逆变部份为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能缓和冲无功功率。
依照以上的分析可知,只要改变异步电动机的输入电源频率厂就能够够改变电
机的转速,但事实上,只改变厂并非能实现正常的调速"
这是因为不的改变会引发电动机一些物理量的转变,从而阻碍到电动机的机械特性和转差率等调速指标的转变,因此咱们必需采取一些操纵方式来处置那个问题"
一样地来讲,VVVF变频有以下三种情形的操纵方式。
1.电源频率低于工频范围调剂
电机定子绕组内的感应电动势公式:
W——电机定子绕组匝数的常数
——绕组系数
——电机每极磁通
定子电压认与定子绕组感应电动势月的关系为：
——定子绕组每相阻抗
——定子绕组相电流
假设忽略定子压降
，那么
，可简化为：
（2-6）
（2-7）
（2-8）
又由异步电机的电磁转矩Te与磁通
的关系:
（2-9）
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