基于plc的风机监控系统(共53页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上毕业设计（论文）（说明书）题目： 基于plc的风机监控系统设计 姓名： 赵永强 编号： 2 河南理工大学成人教育学院专心-专注-专业河南理工大学成人教育学院毕业设计（论文）任务书站别 平顶山函授站 年级专业2012电气工程自动化4班 学生姓名赵永强一、设计(论文)题目： 基于plc的风机监控系统设计 二、设计（论文）任务与要求1、收集原始资料，对主通风机选型。2、对plc进行选型。3、对变频器进行选型。4、对上位机软件进行选择。三、设计（论文）时间 2014年 3 月 1 日 至 2013年 5 月 4 日指导教师（签名） 沈占彬 成教院院长（签名） 河南理工大学成人

2、教育学院毕业设计（论文）评定书站别 平顶山函授站 年级专业2012电气工程自动化4班 学生姓名赵永强一、设计(论文)题目： 基于plc的风机监控系统设计 二、设计（论文）说明书 47 页，附图 0 张。三、审阅意见及评语按照设计任务书的要求，基本完成了设计任务。根据学院毕业设计管理的有关规定，同意（不同意）参加毕业设计（论文）答辩。指导教师（签名） 沈占彬 职 称 教授 工 作 单 位 平顶山工业职业技术学院 河南理工大学成人教育学院毕业设计（论文）答辩委员会记录平顶山函授站 年级专业2012电气工程及自动化1班 学生姓名 宋乐天 的（论文）于 2014 年 5 月 日进行答辩。设计(论文)题

3、目： 煤矿6Kv变电站供电系统设计 答辩学生向毕业设计答辩委员会（小组）提交以下资料：一、设计（论文）说明书 共 47 页二、设计（论文）图纸 共 0 张三、指导教师评阅意见 共 1 张根据学生所提供的毕业设计（论文）材料和指导教师意见以及在答辩过程中学生回答问题的情况，毕业设计（论文）答辩委员会（小组）作出如下决议：一、毕业设计（论文）的总评语：二、毕业设计（论文）的总评成绩：毕业答辩委员会主任（组长）签字：委员（成员）签字：年 月 日摘要在煤矿的安全生产中，矿井通风系统起着极其重要的作用，它是煤矿安全生产的关键环节。而矿井主通风机又是矿井通风系统的主要设备之一，它担负着向井下输送新鲜空气的

4、重要作用，因此对其进行PLC控制的变频调速系统的设计和研究，不仅可以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。本文利用传感器技术、PLC控制技术、变频调速技术和组态监控技术，对矿井主通风机进行了PLC控制的变频调速系统的设计和研究。首先，根据主通风机监控系统的功能要求，选择了合理的系统控制方案；然后，根据选定的控制方案，设计了系统的控制电路，并对PLC、变频器、传感器等硬件进行了选型配置和接线；接着，在硬件结构上，利用STEP-Micro/WIN编程软件完成了系统PLC控制程序的流程设计；最后，根据系统的整体功能要求，结合组态王软件和PLC的应用，完成了主通

5、风机监控系统的功能设计。监控系统可实现风机的自动启/停、两台风机的自动切换、参数的实时采集以及根据给定的风量值实时调节风机转速等功能。结合上位机界面，可实现各重要参数的显示、主要设备的故障报警、数据的存储和报表输出以及曲线绘制等功能，为工作人员提供良好的操作界面。关键词：主通风机； PLC控制； 变频调速技术； 上位机目 录第一章 绪论1.1 课题研究背景及研究意义近年来，随着国家经济的发展，能源危机越来越成为了制约国家经济发展的一个突出问题。煤矿的生产和安全也愈显的重要，煤矿一方面向国家提供能源，另一方面煤矿生产的同时也存在着设备运行效率低下，电力等能源浪费严重的现象。矿井设备的节能减排就显

6、得尤为重要。主通风机是矿井四大固定设备之一，它被称为“矿井肺脏”，负责向矿井井下输送新鲜空气、冲淡有害气体的浓度和带走飞扬的煤尘；主通风机一般功率较大，处于连续运转状态，因而耗能大，耗电量一般占全矿井总耗电量的17%以上，因此其性能如何关系到工作人员的人身安全和运行是否经济。然而，我国煤矿通风机监控系统虽然有了较长时间的发展，但是总体看来，整体发展还比较落后，很多矿井通风机带病运转，严重威胁着矿工生命安全。据统计，煤矿事故70%以上是由于通风设备故障、通风管理不善等所造成。另外煤矿的重大安全事故中，约50%以上是由瓦斯爆炸而引起的，而在这些瓦斯爆炸事故中，造成瓦斯积聚的原因主要有10余种，其中

7、因煤矿风机造成的事故占49.6%。与此同时，多数通风机运行效率偏低，据统计，我国煤矿共有1000多台主通风机，其运转平均效率低于50者占将近一半，平均效率在5060者约占48，平均效率大于60者仅占2。主要原因：首先，系统设计时，容量选择得较大，系统匹配不合理，这种“大马拉小车”的状况造成了大量的能源浪费；其次，通风机多数运行工况点偏离设计点，致使运行效率偏低。为此，必须对运行中的通风机进行有效的监测和控制，对通风机的各个参数和运行的工况建立一个完备的档案，为现场的管理和维护提供依据,以解决通风机运行中的安全性和经济性问题。随着煤矿生产规模的扩大、生产效率的提高，井下通风系统对通风设备的监测监

8、控也必须提出了更高的要求。利用设备在线监测监控等相关技术，实时调节风机运行状态，及早发现故障隐患十分必要。高压变频技术、智能控制技术、传感器技术、现场总线技术以及工业以太网技术的迅速发展，为满足煤矿生产的上述要求提供了可能。本监控系统就是在此背景下提出的。1.2变频调速技术在矿井通风机上的应用变频调速技术是根据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计算机控制技术的展，而发展起来的一种高效节能的控制技术。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很大的发展空间，现在已经广泛地应用到各种工业生产领域，取得了显著的高效

9、节能效果。变频器是变频调速技术高度发展的结果。近几年来，随着电力电子技术和计算机控制技术的迅速发展，变频器的价格不断下降，可选择的类型不断增多，其可靠性和功能性得到了不断提高和完善，使其在水泵、风机、电梯、空调等设备上得到了广泛的应用。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广，有利于能源的节约利用。通风机在煤矿上的使用占有很大的份量，是煤矿生产中最大的耗电设备。采用传统的方法调节风量，使得大量能量从节流中损失掉了。据统计，使用传统的方法调节风机的风量，运行效率通常为40%60%，只有少数能达到70%，有的仅是30%，甚至更低，因此变频器在矿井通风机上的

10、应用很有必要。一般地来讲，将变频器应用在矿井通风机上，具有以下的功能和优点：1、可以实现风机的无级平滑调速，及时满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，消除电机起动和停止时，对机械和电气元件的冲击，延长其使用寿命。3、PLC控制技术和变频器结合使用，可以使通风系统具有完善的监控功能和高可靠性，减少通风机的检修和维护的工作量，节约设备的费用。4、变频器自身的保护功能齐全，有欠电压保护、过电压保护、过电流保护、短路保护、风机轴承过热保护等，使风机安全运行的可靠性得到大大提高。基于以上的优点，国内有许多研究所和高校都在致力于变

11、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控制在矿井局部通风机上应用，以及重庆煤研所设计的KXJT型矿用通风机自动调速装置，在煤矿的安全生产中都具有比较好的节能、自动化控制效果。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，还大大提高了煤矿安全生产的自动化、机械化水平。1.3PLC控制技术在矿井通风机上的应用可编程控制器(Programmable Logical controller简称PLC)是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体技术、自动控制技术、数字技术和网络通信技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。它具有其它控制器所无法相比的特点，简单的概括起

12、来主要有以下的特点：1、可靠性高，抗干扰能力强PLC控制系统中，大量的开关动作是由无触点的半导体电路来完成的，加上PLC充分考虑了工业生产环境的电磁、粉尘、温度、噪声等各种干扰，在硬件和软件上采取了一系列抗干扰措施，使PLC具有极高的可靠性。2、通用性强，配置方便由于PLC产品已经系列化和模块化，用户可以根据应用控制系统的要求，进行灵活选用不同的模块配置，不需要制作硬件装置，只要设计不同的程序，就可以满足不同的控制功能要求。3、编程语言简单，方便PLC的编程语言主要使用是梯形图语言，它与传统的继电器、接触器控制电路极为相似，直观易学，易于掌握。4、功能齐全，扩展能力强PLC的输入输出系统功能完

13、善，性能可靠，除了能进行大量开关量的逻辑控制外，还能进行多路模拟量的运算与控制。它可以很方便地与各种类型的输入、输出量接口，实现D/A、A/D转换及PID运算。另外，通过PLC的通信联网功能，还可以对控制对象实现远程监控和远程诊断。5、系统设计、安装、调试周期短进行PLC控制系统的设计只是进行模块的适当配置，不用自己去设计具体的硬件装置，因此大大缩短了设计的周期。用软件编程代替大量的继电器和接触器硬接线，可以使PLC控制系统中的接线工作大大减少，只要把设备与PLC相应的FO端口相连即可。由于PLC软件的设计和调试大多可以在实验室进行，调试好以后，再进行现场连机调试，这样可以节省大量的时间。6、

14、体积小，维护操作方便PLC的体积小，重量轻，使用和安装起来非常方便。另外，PLC内部具有完善的自诊断和故障显示功能，一旦发生故障，我们可以根据报警信息，迅速查明原因，及时排除故障，维护和操作起来非常方便。由于PLC具有以上一系列的优点，使得其在冶金、能源、化工、交通、电力等领域中得到了广泛的应用。PLC在矿井通风机上的应用，主要使用的是PLC的逻辑控制、过程控制、模拟量控制、数据处理和通讯联网的功能。使用PLC的逻辑控制，可以实现风机变频和工频的切换以及风机有故障时的调换等；使用PLC的过程控制，可以实现对风机风量、风压等的PID调节，使其实时的满足井下的作业要求；使用PLC的模拟量控制，可以

15、把风机运行时的压力、流量、温度等模拟量信号采集到A/D转换模块，然后转换成PLC可以处理的数字量。这些数字量可以在PLC内部进行逻辑比较或数据运算，也可以根据一定的控制算法或拟合关系，对数字量进行运算处理，并把处理的结果经过D/A转换成模拟量，输出控制外部智能设备；使用PLC的数据处理功能，主要是在控制过程中，对一些设定参数进行转换、传送、比较、运算等处理，实现对矿井通风机某些参数的实时监控、修改以及与各种外部设备之间的通讯等功能；使用PLC通讯联网功能，可以使用不同的协议，如PPI协议、MPI协议、Profibus协议、自用通讯协议，USS协议，实现PLC与计算机、PLC与PLC、以及PLC

16、与各种外部智能设备如变频器、智能仪表等的通讯连接。总之，PLC控制技术以其独特的特点和功能，可以大大提高矿井通风机的自动化控制程度，特别是PLC和变频器的结合使用，可以使矿井通风机取得明显的高效、安全、节能的运行效果。1.4本论文研究的主要内容本论文以矿井轴流式主通风机为控制对象，用PLC控制变频器去驱动通风机变频运行，以满足井下安全生产所需的风量。同时，还利用PLC和组态软件实现通风机运行的在线监控，以及实现风机、变频器的在线控制和故障报警功能。具体地来说，本论文的主要研究内容如下：1、了解轴流式通风机的性能特点及变频调速的基本原理2、矿井主通风机PLC控制变频调速系统的设计该控制系统包括变

17、频器接入的主电路和PLC接入的控制电路两部分。要求能实现手动和自动的切换，使风机处于工频或变频运行。无论风机处于变频或工频运行，都能在需要时顺利实现反风。在变频运行时，该系统能根据上位机给定的风量值，自动调整风机的转速，满足安全生产所需的风量。当变频器出现故障时，系统能自动甩掉变频器，实现工频运行。两台风机自动切换运行，当一台运行时，另一台作为备用。还要实现变频器和风机运行的实时在线监控，以及出现故障及时报警，及时处理的功能。3、可编程控制器和变频器硬件部分的设计根据系统的功能要求，完成其硬件电路的设计。系统电路设计好以后，首先要根据系统的要求进行PLC、变频器、传感器及其它电气元件的选型，然

18、后根据系统的整体要求，确定PLC控制变频器的方式。最后，完成系统硬件部分的接线工作。4、可编程控制器和变频器软件部分的设计整个控制系统的硬件部分设计好以后，要进行系统软件部分的设计，包括系统主程序的设计，静压差、温度以及振动等模拟量采集处理，以及风机自动切换运行程序的设计。5、上位机的监控功能及主界面设计结合PLC和组态王软件，在上位机(PC)上完成主通风机在线监控系统的主界面的设计。 1.5本章小结本章详细地介绍了课题的选题背景和选题意义，阐述了变频调速技术在矿井通风机上应用的必要性和其所能起到的作用和优点，同时，还介绍了PLC控制技术的特点和应用功能，以及其在矿井通风机上的应用现状。最后，

19、在此基础上，提出了本课题主要的研究内容和任务。第二章 轴流式通风机的运行特性和理论2.1轴流式通风机的工作特点轴流风机主要用作矿井主通风机，用来往井下输送新鲜空气。主要由集流器、流线罩、前导流器(P)、叶轮(R)、后导流器(s)、机壳和扩散器组成，其中前导流器(P)、叶轮(R)、后导流器(S)组成轴流风机一个完整的级。轴流式通风机叶轮上的叶片做成螺旋面，叶轮旋转时，气体从轴向吸入，在叶片的作用下又沿着轴向吸入和排出，获得动能及压力势能。轴流式通风机的转速较高，气流沿轴向吸入和排出，转折较小；而且根据气体动力学的计算，可使叶轮叶片有最佳的翼型，故在流量较大的情况下，仍有较高的效率。因此，轴流式通

20、风机的效率比离心式风机的高，结构上也比较紧凑。宜在要求风量大，风压低的情况下使用。2.2轴流式通风机的性能曲线轴流式风机在设计工况下，基本上能消除气流的径向流动，但当流量大于设计值时，叶轮下游侧气流将由内向外朝直径较大处偏斜；反之，气流将朝较小处偏转，情况严重时，会发生二次回流现象。轴流式风机的性能曲线特点如下：1、Q-H线大都属于陡降型曲线流量偏小时，气流将部分地发生二次回流现象，回流的液体被叶轮二次加压，是流量较小的情况下，压头上升的缘故。2、Q-N曲线在流量为零时最大当流量增大时，H下降很快，轴功率也有所下降，这样往往使轴流式风机在零流量下启动时的轴功率为最大。因此与离心式风机相比，轴流

21、式风机应当在管路畅通下开动，尽管如此当启动与停车时，总是会经过最低流量的，所以轴流式风机所配用电机要有足够的裕量。3、Q-曲线在最高效率点附近迅速下降流量不在设计工况下的气流情况迅速变坏，以至效率下降很快，所以轴流式风机的最佳工作范围较窄，一般都没有调节阀门来调节流量。因此，Q-H曲线和Q-N曲线都是在流量从小到大增加时先下降，再上升，然后再下降，有两个拐点，正常工作工况点应选在Q-H曲线的二次下降段，也就是驼峰点的右侧，它可近似用三次方程来拟合，但在整个趋势中它和Q-H曲线的拟合方法一样，选用有两个拐点的三次方程，能很好的反映风机工作情况的性能。Q-曲线在整个流量变化过程中轴流式通风机运行特

22、性和理论是先增大后减少，为此可用二次方程来拟合它的形状。一般工作的工况点选在效率大于60%的曲线段。 图2-1 轴流式通风机的一般性能曲线 至此，由Q-H曲线和Q-曲线也就决定了轴流式风机的正常工作范围，即在Q-H曲线驼峰点右侧和Q-曲线效率大于60%的公共部分。同样是由于在风量较小的情况下，风机二次回流现象的影响，使得到某一流量时，在风机转速的增大和减小的回复，这也就是风机喘振点，在风机性能测试过程中，一般由此点开始或到此点结束，所以大多数的风机性能曲线的流量不是从零开始。轴流式风机的性能曲线如图2-1所示。2.3通风机性能参数相关计算、处理本系统中通过传感器和测量仪器、仪表和执行机构，采集

23、风机系统的工况参数：如静压差、温度、机械振动、以及电压、电流、功率因数、功率和开关状态等。采集的数据远传给上层监控管理层的工控机。通风机的流量、压力、功率、效率和转速是用以表示通风机性能的主要参数，统称为通风机的性能参数。在绘制曲线以及进行分析处理时要用到如下相关理论和公式。1、参数换算 l) 实测状态与标准状态的换算 通风机的性能参数或性能曲线总是在给定的进气状态下给出的，即通风机的性能与进气状态有关。当进气状态变化时候，即使同一台通风机，其性能参数或性能曲线也是不一样的。描述通风机性能时最常用的状态是所谓的标准进气状态。标准进气状态规定通风机进口气流的状态参数如下：空气温度： 20绝对压力

24、：Pa 101.325相对湿度：% 50气体常数:J/(KgK) 288.5气体密度：Kg/m 1.2目前国内多数矿用轴流式通风机(如2K60，2K58，KZS等)其性能参数和性能曲线均是在上述状态下给定的。实测状态是指对通风机进行试验时，通风机进口气流状态，为了便于对通风机性能进行比较，应将通风机实测进气状态下的参数换算到标准进气状态下的参数。在叶轮直径D保持不变的条件下，换算公式如下：= （2-1）= （2-2）= （2-3）= （2-4）式中：标准进气状态下的通风机转速，r/min；标准进气状态下的通风机流量，m/s；标准进气状态下的通风机全压，Pa；标准进气状态下的通风机静压，Pa；标

25、准进气状态下的通风机轴功率，KW；标准进气状态下通风机的进口气流密度，Kg/m2) 有因次参数与无因次参数的换算无因次性能参数用来表达同类通风机的共同特性，实用中有时需要进行有因次性能与无因次性能参数之间的相互换算。有因次性能参数与无因次性能参数之间具有如下关系：= （2-5）= （2-6）= （2-7）= （2-8）式中：、分别为通风机装置的流量系数、全压系数、静压系数和功率系数；标准状态下通风机的流量，m/s；标准状态下通风机的全压，Pa；标准状态下通风机的静压，Pa；标准状态下通风机的轴功率，KW；通风机叶轮外径，m；通风机叶轮外圆线速度，m/s；标准状态下通风机进口气流密度，Kg/m；

26、在对通风机的特性曲线进行换算时可采用坐标变换法。方法如下：有因次特性曲线变换为无因次特性曲线时，风压坐标值统一除以，功率坐标值统一除以，流量坐标值统一除以，效率坐标不变，这样即得通风机的无因次特性曲线。由无因次特性曲线变换为有因次特性曲线，其方法与上述过程相反。2、参数的计算和处理根据记录的数据，可以按下列公式进行整理与计算。1) 空气密度(1)大气密度 （2-9）式中：大气密度，Kg/m大气压力，Pa大气绝对温度，K；环境气体常数，按下式计算，J/(KgK)= （2-10）空气相对湿度；水蒸气饱和压力，其数值可查有关资料得，Pa。当测定地点环境温度为-1540时，空气常数可取R=288.5。

27、(2)通风机进口空气密度当对备用通风机进行测试时，通风机抽入得是地面短路风，通风机进口空气密度由下式计算： （2-11）式中：通风机进口气流密度，；通风机进口绝对全压，Pa。当通风机进口相对全压不大于500Pa时，。另外，当对生产条件下的通风机进行测定时，应由井下的环境条件确定： （2-12）式中通风机进口侧风洞内气流绝对温度，K;通风机进口侧风洞内气流相对湿度，无因次。(3)通风机装置出口空气密度本系统中研究的通风机以抽出式方式工作，因此进行测定时，计算公式为： （2-13）式中：环境大气绝对温度，K；通风机出口处绝对温度，K。当通风机进口侧静压测定位置处相对静压的绝对值不大于2500Pa时

28、，可取。2）通风机风量（1）在通风机进风侧测得平均风速时： （2-14）式中：通风机风量，；通风机进口侧测风断面的断面积，m/s；通风机进口侧测风断面上的平均风速，m/s。（2）在通风机进风侧测得平均动压时： （2-15）式中：通风机进口侧测风断面上的平均动压，Pa。（3）在通风机出口侧测得平均风速时： （2-16）式中：通风机出口风量，；通风机出口侧测风断面的断面积，；通风机进口侧测风断面上的平均风速，m/s。（4）在通风机出口侧测得平均动压时： （2-17）式中：通风机出口侧测风断面上的平均动压，Pa。3）通风机风压（1）通风机装置进口动压 （2-18）式中：通风机装置进口动压，Pa；通风

29、机集流器进口发蓝处断面积，。（2）通风机装置出口动压 （2-19）式中：通风机装置出口动压，Pa；扩散器出口处断面积，。（3）通风机装置进口静压把静压测定断面直接取在通风机进口处，则测得的平均静压即为通风机进口静压，即 （2-20）（4）通风机装置出口静压把静压测定断面直接取在通风机出口处，则测得的平均静压即为通风机出口静压，即 （2-21）对于抽出式通风机，常常在通风机装置出口侧不设静压力测量断面，实际上相当于将静压测量断面设在排风硐出口。该处为大气压，其相对静压（5）通风机进口相对全压 （2-22）式中：通风机装置进口相对全压，Pa。（6）通风机装置出口全压 （2-23）式中：通风机出口相

30、对全压，Pa。（7）通风机装置进口绝对全压 （2-24）式中：通风机装置进口绝对全压，Pa。（8）通风机装置出口绝对全压 （2-25）式中：通风机装置出口绝对全压，Pa。（9）通风机装置动压 （2-26）式中：通风机装置动压，Pa。（10）通风机装置静压 （2-27）式中：通风机装置静压，Pa。（11）通风机装置全压 （2-28）4）通风机装置效率（1）通风机装置全压效率 （2-29）全压压缩修正系数，用下式计算： （2-30）式中：绝热指数，对空气。当，可取。（2）通风机装置静压效率 （2-31）式中：静压压缩修正系数，用下式计算： （2-32）当时，。2.4本章小结本章主要阐述了轴流式通风

31、机的性能特点，结合其性能曲线，对其运行特性做了详细说明。在此基础上，介绍了轴流式通风机的流量、气流密度、静压、动压以及效率的计算方法，为通风机的自动控制奠定了理论基础。第三章 风机变频调速的原理及系统设计3.1变频调速技术的原理及应用3.1.1变频调速的基本原理由电动机的拖动原理，变频调速原理是基于以下这个公式的： （3-1）式中：定子电源频率；相应的角频率；异步电动机的磁极对数；电动机的转差率。 （3-2）异步电动机的同步转速；固有角频率。 （3-3）由上式（3-1），（3-2）和（3-3）可以看出，如果改变输入到异步电机定子绕组的电源频率，就可以改变异步电动机的同步转速和转子转速。由电机学

32、知识可知，交流异步电动机的转速总是小于同步转速，而且它是随着同步转速的变化而变化的。当电源频率增加时，同步转速增加，交流异步电动机的实际转速也增加。反之，当电源频率降低，同步转速降低，交流异步电动机的实际转速也降低。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，使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。3.1.2变频调速的基本控制方式根据以上的分析可知，只要改变异步电动机的输入电源频率就可以改变电机的转速，但实际上，只改变并不能实现正常的调速。这是因为的改变会引起电动机的一些物理量的变化，从而影响到电动机的机械特性和转差率等调速指标的变化，所

33、以我们必须采取一些控制方式来处理这个问题。一般来说，交流变频调速有以下三种最基本的控制方式。1、电源频率低于工频范围调节电机定子绕组内的感应电动势公式： （3-4）式中：电机定子绕组匝数的常数；绕组系数； 电机每极磁通。电机定子电压与定子绕组感应电动势的关系为： （3-5）式中：定子绕组毎相阻抗；定子绕组相电流。若忽略定子压降,则可简化为： （3-6） （3-7） （3-8）又由异步电机的电磁转矩与磁通的关系： （3-9）式中：电动机转矩常数；转子电流折算到定子一侧的电流有效值；转子电路各相的功率因数。由公式（3-8）和（3-9）可知，异步电动机的电磁转矩与磁通成正比，若降低电源频率，同时也降

34、低，使保持为恒量，则磁通不变，异步电动机的电磁转矩也不变，这种控制方式称为恒磁通调压调速。2、电源频率高于工频范围调节由于不能高于异步电动机的额定电压，当电源频率增加时，使得小。若保持不变，由公式（3-9）可知，定子磁通变小，电机电磁转矩也变小，使得电动机的实际转速增加。由于电动机的功率，其中电动机的转动角速度，调节的过程中，若使频率与转矩的变化保持一定的关系，可以使电动机功率保持恒定，这种升频定压的调速方式称为恒功率调速。3、转差频率控制异步电动机在稳态运行时，转差率很小，此时，只要控制定子电流使得电动机的气隙磁通保持不变，异步电机的电磁转矩就近似与转差角频率成正比。因此，在异步电机中，只要

35、控制频率，就能够达到间接控制电磁转矩的目的，这就是转差频率的控制方式。3.1.3矿井通风机变频调速的节能原理矿井通风机的管网阻力与风量的关系为：式中：通风机的管网阻力损失，；管网的总阻力系数，对于一定的管网R为定值；通风机管网的风量，。图2为一矿井通风机的压力-流量(H-Q)特性曲线图，其中曲线a、b为管网阻力的特性曲线()，曲线1、2为风机在转速为和时压力-流量特性曲线（），交点A、B、C为矿井通风机的工况点。OABC12图3-1 风机及管网的H-Q特性曲线图3-1中曲线1为风机开始调节前的风压-风量(H-Q)特性曲线，曲线a为管网风阻特性曲线(管网阻力最小)。假设风机设计工作在A点效率最高

36、，输出风量为100%，对应的轴功率与风量和风压的乘积成正比。如果生产要求风量从减少到时，若采用减小风门开度的方法调节，相当于增加管网阻力，使管网阻力特性曲线变化到b，系统工况点也由A点变到B点。从图中可以看出，风量虽然减小了，风压反而增加了，代表轴功率的面积比调节前减少不多。若采用变频调速控制通风机的运行，随着风机转速的下降，风压-风量特性变为曲线2，系统工况也由A点变到C点，代表轴功率的面积前一种方法调节显著减少，两者之差即是节省的气体功率。当通风机稳定运行时，风机的风量、风压、功率与转速有以下比例关系：式中：通风机调节前后的转速，r/min；通风机转速调节前后的风压，Pa；通风机转速调节前

37、后的功率，W。由以上的比例关系，可以看出风机的风量与转速成正比，风压与转速的平方成正比，功率与转速的三次方成正比。如果通风机的转速降低为原来的50%，则风量也变为原来的50%，功率降低为原来的12.5%，这说明通过改变通风机的转速的方式，可以改变通风机的功率输入，可以节省大量的电能。根据上述变频调速的原理，矿井通风机的转速n的改变，可以通过改变通风机输入电源的频率厂来改变，这一过程可以通过变频器来完成。3.1.4变频器的结构和选型变频器按结构来分，分为交-交变频器和交-直-交变频器两种。交-交变频器可将工频交流电直接转变成频率和电压均可控制的交流电，又称为直接变频器。交-直-交变频器是把工频交

38、流电经整流器先转换成直流电，然后经滤波环节后，再把直流电转换成频率、电压可控制的交流电，又称为间接变频器。目前，使用最多的通用变频器多是交-直-交变频器，它由主电路，包括整流器、中间直流环节、逆变器和控制电路组成。1、整流器整流器即是网侧变流器，它的作用是把三相或单相交流电整流成直流电。整流电路有可控整流电路和不可控整流电路两种。2、逆变器逆变器即是负载侧的变流器，它的主要作用在控制电路的控制下将直流电转变成频率、电压调节后的交流电，输出给外部设备。六个半导体主少干关器件组成的桥式电路是常见的逆变电路，通过控制电路控制开关器件的通、断，可以得到所需频率的交流电输出。3、中间直流环节中间直流环节

39、又称为中间储能环节，这是因为逆变器的负载多为感性负载，其功率因数小于1，使得在中间直流环节和电动机之间存在着无功率的交换。这种无功能量需要中间直流环节中的电容器或电抗器来进行缓冲。4、控制电路控制电路是变频器的核心，它通常由运算电路、检测电路、门极驱动电路、外部接口电路和保护电路等组成，其作用主要是完成对逆变器的开关控制和频率控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能等。另外，变频器按调制方法来分，分为PAM型变频器和PWM型变频器；变频器按用途来分，又分为通用变频器和专用变频器。目前，市场上变频器的品牌很多，国外的有ABB、Siemens、Lenze、Vacon、Danfoss、KEB、LG、Samco等，国内的有佳灵、阿尔法、森林、时代等。在工程中使用变频器，我们如何对其进行选型，一般有以下的步骤：（1）分析负载类型，是恒转矩负载、恒功率负载还是平方转矩负载；（2）根据负载类型和控制任务，确定变频器的类型和数目；（3）根据电动机的额定电流和额定功率，确定变频器输出频率和额定电流；（4）进行市场调研，确定合适的变频器品牌；（5）根据变频器的输出频率和额定电流，对该品牌的变频器进行选型；（6）变频器选择好以后，要进行相关的校验。总的来说，变频器的选型可以通过以上的步骤进行，但对于有工作经验的工程师，也可以根据工作经验，直接快速地进行变频器的选型。3.1.5微能高压变