并网闭环远程智能永磁变频局部通风系统

并网闭环远程智能永磁变频局部通风系统的矿用主永磁变频通风机及其配套高低压电控、自动化风门风窗、矿井通风智能化管理系统、在线监控与故障诊断系统、主通风机无人值守系统；智能局部通风成套装备、局部通风机集中控制系统；非煤矿山和隧道永磁变频风机；兼本质安全型真空电磁起动器逻辑控制部分采用了可编程控制器，双起动器联机情况下使用。

并网闭环远程智能永磁变频局部通风系统采用PLC与变频器组成的控制系统，以瓦斯、粉尘浓度的变化为主要参量来调节风机转速，实现了按需供风、安全通风，从而使矿井局部通风瓦斯、粉尘自动排放稀释，降低瓦斯、粉尘事故率，净化施工环境，并实现节能的目的，解决了矿山开采掘进巷道或釆掘工作面的智能通风问题，灾变时期风流应急调控。以“安全可靠、节能环保”为目标，以兼容“模块单元、个性组合、实时监测、智能控制”为联动自动，达到“实时预警、人机双控、按需供风、净化环境、防灾减灾”的效果。

地下开采智能自动化通风系统承担着向掘进工作面提供新鲜风流，稀释巷道内有害气体、粉尘浓度以及改善工作面环境等任务，能够对井下各种有毒有害气体、粉尘浓度、各地点风量进行实时监测，通过智能化大数据分析，将采集到的数字信息进行深度处理，并采取可靠的防控措施，有效防止风流异常和有害气体超标等情况。

井下主要大巷及采掘工作面粉尘及车辆尾气浓度分布、采掘工作面多源粉尘基础理化性质、采掘工作面风流与粉尘耦合流动矢量流线、粉尘流动扩散规律，粉尘防控与尾气治理是职业安全健康监管工作的重点，完善的降尘措施及空气质量在线监测与智能预警平台的建设，必将从源头上改善井下空气质量，最大限度地预防和减少职业病危害。

并网闭环远程智能永磁变频局部通风系统由永磁变频局部通风机、流道式变频器、智能开关、分风器、风筒、工控机等单元组成，其中永磁变频局部通风机、流道式变频器、智能开关分主备机。智能开关可以外接井下各种传感信号，并配有以太网接口，方便装备进行闭环控制和远程监控（见图1 ）

1、 主体配置：永磁变频局部通风机（FBDY）、流道式变频器（BPB）、智能控制开关（QJZ）、 控制开关（QBZ）、支架、自动分风器、工控机、上位机软件（组态）。

2、 附件配置：传感器（风速、压力、瓦斯、甲烷、粉尘、温度、振动、综合电量）、甲烷断电仪、光电转换器、温度巡检仪、PLC可编程控制、行程开关、电磁阀、集控系统、风筒接头。

3、可选配置：风量风圧检测装置、集控平台，其中永磁变频局部通风机，流道式变频器，远程定量调节自动风窗，智能开关分主备机。智能开关可以外接井下各种传感信号，并配有以太网接口，方便装备进行闭环控制和远程监控。

并网闭环远程智能永磁变频局部通风系统基本工作流程：各个传感器釆集到数据发送至PLC分析处理，PLC按照程序计算以通讯的方式将控制命令发送给变频器，控制变频器工作给局部通风机供电，调频、调速从而实现智能通风。

1、地下开采智能自动化通风系统结构组成

并网闭环远程智能永磁变频局部通风系统由永磁变频局部通风机、流道式变频器、智能开关（或普通开关）等单元组成。系统 釆用带PLC的智能控制开关，风量实现自动调节。

1.1永磁变频局部通风机釆用我公司生产的BDY系列矿用隔爆型永磁变频对旋轴流通风机，该系列风机采用一体式 （永磁电机机座与风机壳体一体式焊接成型），大大降低了流道阻力和流道涡流损失，电动机散热可靠，运行平稳，永磁电机本身噪音很低，釆用嵌板式消声结构，噪声更低，二代局部通风机釆用径向环形进风消声装置，噪声低于75dB（A）o该系列风机结构紧凑、风压高、效率高、运行稳定、噪音低、高效区应用范围宽。

1.2流道式变频器。釆用隔爆式壳体，内置于通风机的流道中，与消声器做成一体化结构（见图 3）,在不影响风机使用性能的前体下，隔爆壳体的外径与配套电机的外径及轮毂直径一致，利用流道中的气流带走变频器产生的热量，从而实现变频器的散热要求。

1.3流道式变频器总成设计成局扇主机组型式，外筒按局部通风机系列化尺寸设计，并可独立装拆，从而实现与局扇的组合。

1.4流道式变频器控制操纵盒与变频器设计成一体，可本地操作，同时具有与智能控制开关联接的端口，方便用户个性化需求。

1.5永磁变频电机功率因素和效率两高，损耗和温升两低；启动电流小平缓，对电网冲击小；对转矩大，起动力矩大、噪音小，结构更简单，体积小，适应能力强；可带载启动，过载能力强，跟随输入频率瞬间达到额定转速；控制更方便，更适合变频，多功能保护，故障率更低寿命更长；永磁功率因素可达95.5%，达到E4的效率等级，耗散功率小，功率因数高优异特点，不受电机极数的影响，效率利用比普通电机高5-8%；永磁最大动力距与额定距之比可达3倍以上，而一般电机仅有1.6倍；极低的运行温度和能量转换损失，永磁电机的响应时间<50ms，可在瞬间大范围调节；风机或泵类负载电机通常工作在轻载区，对感应电机来讲，其在轻载时效率是很低，而永磁电机在轻载区，仍能保持较高的效率，其效率要高于异步电机20%以上。

1.6智能开关。开关内部的安装与线缆连接进行优化，实现了PLC控制模块、信号釆集模块和主回路电路强、弱电的合理布置，减少强、弱电路之间的干扰，使系统运行更加稳定、可靠；并充分利用了开关内部的空间。开关外部设备分别实现机械、电气联锁，避免了使用中的操作失误。智能开关采用隔爆壳体，主腔门盖釆用快开门结构，元件安装釆用推拉式小车结构，方便检修维护。见图4。

永磁变频同步电动机运行原理

2、地下开采智能自动化通风系统功能

并网闭环远程智能永磁变频局部通风系统是一个闭环控制系统，它的主要功能是通过井下传感器、井下分站釆集的实 时参数自动确定供风量的多少，避免了现有局部通风机供风的“一风吹”现象，解决矿井局部通风按需 供风的问题。系统从安全和节能的要求出发，釆用PLC与变频器组成的控制系统，对风机转速实时调控，达到“实时预警、人机双控、按需供风、防灾减灾”的效果，从而使矿井局部通风、瓦斯粉尘自动排放高效安全，降低瓦斯粉尘事故，节能省电。其主要功能有：

2.1风电闭锁功能

主机故障时，主智能开关停机，风机停止，同时对外输出的风电闭锁控制接点断开，掘进工作面馈电开关跳闸，动力电源断电，实现风电闭锁。

2.2主备机自动切换功能

主备机同时送电，主机按下起动后运行，当主机出现故障或人工停止，主机停机，同时发送信号给备机，备机收到信号自动启动。当备机出现故障或人工停止，备机停机，同时发送信号结主机，主机收到信号自动起动，实现自动切换。主备机联络切换电源为DC24V （双风机双电源技术），使用更加安全。

2.3报警功能

地下开采智能自动化通风系统可配接一个声光报警装置，当出现故障和瓦斯或粉尘超限时，及时提醒现场工作的人员。当智能开关检测到瓦斯超限或风机故障时，智能开关的报警输出节点会接通声光报警器，发出声光报警，从而提示工作人员采取相应措施，解决异常情况。

2.4自动调节风速功能

并网闭环远程智能永磁变频局部通风系统可根据现场瓦斯粉尘浓度、风速、温度，自动调节风速。其中T1为掘进面迎头瓦斯浓度值、T2为掘进巷道回风流瓦斯浓度值、T3为回风巷混合处瓦斯浓度值、T4为风机入口瓦斯浓度值、F1为掘进面风速值、W1为掘进面粉尘监测值、W2为掘进面温度值。

60米中深孔大直径小型遥控轮胎式采矿钻车

2.5自动排放瓦斯粉尘功能

当T1≥1.5% 或T2≥1.5% 时，装备进入自动排瓦斯粉尘状态，输出频率由T3控制。T3≥1%，输出频率由当前运行频率逐渐减小至最低设定频率；0.7%<T3<1%，输出频率保持当前运行频率；T3≤0.7%，输出频率由当前运行频率逐渐增大至最高设定频率。

2.6智能自动通风功能

当T3<1%时，装备进入自动通风状态，输出频率由T1和T2中的最大者Max ( T1, T2)和F1、 W1、W2联合控制，Max (T1, T2) ≤0.5%且F1大于最低风速设定值、W1小于最高温度设定值，或F1大于最大风速设定值且Max (T1, T2 ) <0.7%, W1小于最高温度设定值，输出频率由当前运行频率逐渐减 小至最低设定频率，0.5%<Max (T1, T2) <0.7%,输出频率保持当前运频率保持当前运行频率。 Max (T1, T2) >0.7%或Fl小于最低风速设定值或W1大于最高温度设定值，输出频率逐渐增加至最大设定频率。

铝合金锻造可调角度风叶

2.7手动调节风速功能

通过变频器操纵盒按扭或智能开关加减速按钮调节变频器输出频率，实现手动调节风量。

2.8瓦斯粉尘电闭锁功能

瓦斯或粉尘电闭锁输出：智能开关釆集瓦斯、粉尘各传感器数据，当传感器数值高于设定闭锁值时，瓦斯、粉尘电闭锁输出触点闭合。反之则断开。

瓦斯或粉尘电闭锁输入：瓦斯或粉尘浓度达到闭锁值时，井下分站输出断开触点，控制系统停机，系统无法启动。瓦斯浓度达到复电值时，井下分站输出闭合触点，系统正常启停。

2.9永磁变频电动机功能

永磁变频电机得电，按下起动按钮；变频器输出频率逐渐由0上升到设定运行频率，实现低电流起动，整个起动过程，电流限制在1.4倍额定电流以内，风速逐渐增加。

2.10参数设置

地下开采智能自动化通风系统为了适应各种矿山地下开采的需求，用户可能根据使用地点的实际情况自行设定：T1、T2、T3报警、闭锁、复电值，最高、最低风速值，最高温度值，最高、最低频率值等，这些值的设定被限制在 《煤矿安全规程》《矿山安全规程》范围内。

2.11远程监控

并网闭环远程智能永磁变频局部通风系统配备有以太网口和地面工控机，可以在地面监控中心进行遥测、遥信、遥控功能，具有故障记录，历史数据查询等功能。

2.12集中控制

并网闭环远程智能永磁变频局部通风系统及其配电系统、传感器、馈电开关、组合开关、远程定量调节自动风窗等可通过远程集中监控平台进行集中管理，软件平台系公司独立开发控制平台。

地下开采智能自动化通风系统特点

1、 最大效率排放瓦斯或粉尘。因意外停电、计划停风或瓦斯、甲烷、有毒气体大量涌出而导致掘进工作面瓦斯、粉尘等超限时，地下开采智能自动化通风系统能自动以最快速度、安全地稀释瓦斯、粉尘；

2、 可防止“一风吹”，风机转速可控制，风量按需调节，节能高效；

3、 在风机选型时可根据巷道最大需风量一次定型，一步到位；

4、 主机故障或停机时，自动切换备机供风，供风更可靠，保障连续安全生产；

5、 改善作业现场工作环境。正常通风情况下，根据掘进工作面瓦斯涌出量的大小自动控制风速调节风量，避免风量过大造成扬尘，同时大幅度降低噪音；

6、 风机起动为软起动，可避免因风机全压启动而引发的风筒故障，以及电流冲击引起的电源故障；

7、 装备可以与矿井网络兼容，进行远程监控，安全可靠，也符合矿山特别是煤矿智能化趋势；

8、 具有优良的EMC性能，可以在矿井稳定的工作，同时也不会影响其它设备的运行。

BPB系列煤矿风机用隔爆型变频器（简称流道式变频器）为我公司研发和生产的局部通风机专用变频器，主要由外筒和变频器本体两部分组成，体积小，结构简单方便。与局部通风机组成一体化变频风机，改进和提升了原有风机的性能，可通过调节频率来改变局部通风机风量，其结构简单方便、节能效果好，配套智能局部通风成套装备使用。可釆用手动操作或系统指令控制的方法来对通风机的永磁变频同步电动机进行直接或远距离的起动、停止及变速控制。同时永磁变频电机自身进行过流、过压、欠压、温控等多功能保护。

适用范围，主要适用于有甲烷及煤尘爆炸危险的煤矿井下，在工频交流50Hz、电压为660V/1140V的供电线路中使用；各种矿山地下开采通风系统以及长大隧道工程的智能通风，大型水电站地下工程智能通风系统。

流道式变频器结构特点

1、 本体的外形为圆柱体，壳体由钢板焊接结构成，由于安装在风机流道内，利用风流散热，无需另设散热器，体积小、结构简单、便于维护（见图13）；

2、 外筒上部设置了主回路的进出线接线盒和操纵盒，操纵盒可以实现本地操作的起动、停止、调频等功能，方便手动操作（见图13）；

3、 壳体底部电气元器件安装板为铜板，具有良好的导热性，可使元器件快速散热，延长使用寿命；

4、机芯釆用模块化设计，分别装有整流模块、逆变桥模块、电压传感器、电流传感器、电阻模块、电容、开关等电器元件，连接线釆用铜排连接，增加可靠性。

流道式变频器技术参数

1、主要技术参数

1.1变频器的技术指标：

额定工作电压：三相AC： 660V, 1140V;

额定容量：37kW/55kW/75kW/132kW/185kW ；

额定频率：50 Hz；

容许电压波动：+10%, -20%;

容许电网频率范围：47 ~ 63Hz；

容许电网不平衡度：＜5%;

控制方式：空间矢量SVPWM控制；

运行指令方式：面板控制、端子控制、配套的QJZ-D/1140 (660) F!^矿风机用隔爆兼本质安全型真空电磁起动器控制；

频率给定方式：面板给定、端子给定、配套的QJZ-Q/1140 (660) F!^矿风机用隔爆兼本质安全型真空电磁起动器给定；

线性斜坡时间：20秒~255秒；

防护等级：IP54O

1.2变频器的性能指标

频率分辨率：0.01Hz；

载波频率：1~4kHz；

输出频率调节范围：0Hz~50Hz；

瞬时过载力矩：电机额定力矩的200%;

最大瞬时电流：变频器额定电流的150%，持续60秒。

QJZ系列煤矿风机用隔爆兼本质安全型真空电磁起动器（以下简称起动器）是我公司专门为并网闭环远程智能永磁变频局部通风系统的控制研发的起动器，起动器的核心逻辑控制部分采用了可编程控制器（PLC），提高了系统的可靠性，降低了故障率，简化了控制线路，节省了空间，增加了控制功能。同时，PLC的所有输入、输出都有发光二极管、显示屏指示，便于判断故障，方便调试和维修。

适用范围，主要适用于电源电压为1140V或660V，额定频率为50Hz，额定电流80A、160A、200A及以下的供电线路中，用于地下开采智能自动化通风系统变频器控制的双风机双电源自动切换场所，也可作单台起动器控制单台风机，还能对电机及有关电路进行保护。主要在含有爆炸性气体（甲烷）和煤尘矿井的环境中使用，也可用于非煤地下开采环境中以及各种地下工程施工通风系统。

兼本质安全型真空电磁起动器结构及功能特点

1、 起动器壳体釆用钢板焊接结构，売体为隔爆型防爆结构（见图17）；

2、 起动器采用快开门结构，并设有机械闭锁装置，方便使用及检修；

3、 起动器由主腔、接线腔、前端盖、底托架、元件安装板等部分组成。操纵手柄和机电闭锁螺栓安装在主腔体上、元件安装板安装在主腔体内（见图17、18）；

4、 接线腔内为电源进线和变频器的输入线，接线端子排，接地螺栓，九芯接线柱、30芯接线柱等 （见图19）；

5、 主腔装有真空交流接触器、可编程控制器（PLC）、电机综合保护器、电平转换盒（本安 盒）、继电器、高压熔断器、接线端子排等（见图20 ）；

6、 前端盖上及内侧分别装有显示屏窗口、增加按钮、减少按钮、排瓦斯按钮、操作显示屏等控制按钮（见图21 ）；

7、 核心逻辑控制部分采用了可编程控制器（PLC），提高了系统的可靠性，降低了故障率，简化了控制线路，节省了空间，增加了控制功能。同时，PLC的所有输入、输出都有发光二极管，便于判断故障，方便调试和维修；

8、 当主/备起动器联机时，可实现风机双电源自动无源切换，提高供风系统的可靠性；

9、 起动器在手动工作状态下，可通过增大、减小按钮控制变频器输出频率，从而改变风机风量；

10、起动器具有远程控制功能；

11、 起动器对被控制对象的综合保护功能（具有欠压、过载、短路、断相、主电路漏电闭锁等保护等功能）；

12、起动器具有瓦斯信号浓度显示的功能。

兼本质安全型真空电磁起动器技术参数

1、 额定电压：1140V、660V；

2、 额定电流：80A、160A、200A;

3、 电源额定频率：50Hz；

4、 回路数：一回路；

5、 工作制:S1；

6、 使用类别：AC-3；

地下开采智能自动化通风系统节能分析

风机类负载多是根据满负载工作需风量来选型，实际应用中大部分时间并非满负荷工作状态。当电机在额定转速的80%运行时，理论上其消耗的功率为额定功率的（80% ）3，即51.2%，去除机械损耗、电机铜、铁损等影响，节能效率也接近40%。

由于变频器可实现大功率永磁电动机的停、起，避免了启动时的电压冲击，减少永磁电动机故障率，延长使用寿命，同时也降低了对电网的容量要求和无功损耗。

（—）系统节能原理

当风机的转速从几变为、时，Q、H、P大致变化关系为：

Q1 = 0（〃2 1） = （n2 /%）2 P2 — （〃2 /〃1）3

Q—风量；H—风压；P—风机功率

由上式可知风机流量与转速的一次方成正比，压力与转速的二次方成正比，而轴功率与转速的三次 方成正比。

（二）系统节能效果

Paf为不同频率下风压与风量曲线。Ps伪不同频率下风机输入功率与风量曲线，两者是根据实测数

据绘制。Pres为直径800mm的风筒，在不同送风距离下的风阻曲线。假设工作面需风量为400m3/mino

1、 送风距离300m时，变频风机可以工作在1点，运行频率约36Hz，消耗功率P1，工频风机工作在

1'点，消耗功率P1'，节约功率P1 -P1 =39.4-16.8=22.6kW，节电率22.6/39.4x 100%=57.3%o

2、 送风距离900m时，变频风机可以工作在2点，运行频率约39Hz，消耗功率P2，工频风机工作在

2'点，消耗功率P2'，节约功率P2-P2=51.6-29.1=22.5kW，节电率22.6/51.6x 100%=43.6%o

3、 送风距离1800m时，变频风机可以工作在3点，运行频率约46.5Hz，消耗功率P3，工频风机工

作在3'点，消耗功率P3'，节约功率P3'-P3=58-50.9=7.1kW，节电率7.1/58 x 100%=12.2%o

如果已知一个巷道长L，釆掘时间T，风筒直径D，工作面需风量Q，百米漏风率P100，假设采掘速度恒定为V，使用变频风机，则有功功率P与时间t的函数：

a为风筒I a p y摩擦阻力系数，根据风筒直径可查；

V等于L/T；

P100为100m漏风率；

n为系统效率(0.45 ~ 0.65)。

巷道长1800m,，一年采完，风筒800mm,工作面需风量400m7min,百米漏风率0.0044，釆用变频风机，则全年用电量W,：

W=1志MlxlWx竺竺骅"xQ3(l —%。)丄* = 2.4214x1()5度采用工频按平均 3600Drj

50kW/h计算，全年用电量W2：

=50x365 x 24 = 4.38 xl0⁵ 度

全年节约电能：

W= 4.38×105 -2.4214×l0⁵ =1.9586xl0⁵度

每度电按0.7元计算,每年节约电费：

¥ = 1.9586×l05 ×0.7 =13.7万元。