矿井通风机双电机功率平衡控制技术的应用

矿井通风机双电机功率平衡控制技术的应用

于倩

山东天勤石油科技有限公司 山东东营 257300

摘要：风机的运行特性直接决定了矿井通风系统的运行安全性和经济性。对旋式通风机采用了双风机运行结构，一级风机主要是保证等级运行时的风量供应，二级风机主要是确保风机运行时的通风压力，由于通风系统在运行时需要根据通风距离来调整风机的运行特性，因此导致不同状态下两级风叶驱动电机的功率分配失衡，使二级风叶电机过载烧毁，给煤矿井下的通风安全造成了极大的隐患[1]。本文以流体动力学为基础，对不同风机叶片安装角情况下两级电机的功率匹配度进行了分析，具有极大的应用推广价值。

关键词：对旋式风机功率平衡安装角

引言

为了确保各驱动电机工作时的稳定性和使用寿命，在进行驱动载荷分配时均采用了等功率分配的方案。但因煤矿井下巷道内的工作条件恶劣，输送机系统在启动时的振动、冲击、输送带跑偏等情况时常发生，造成输送机系统各驱动电机的功率分配发生了较大的变化，使电机长期处于功率负载不均衡的状态，频繁造成驱动电机在长期超负荷工作时的运行故障，因此对输送机的功率平衡控制系统进行研究。

1风机仿真分析模型的建立

以FBCD型对旋式风机为研究对象，利用三维建模软件，建立起仿真分析模型，为确保分析结果的准性，风机模型的建立应按照实物风机进行1∶1的等比例建模。该风机的第一级风机叶片为13片，第二级风机的叶片为11片，两级风机叶片均采用蝉翼型薄叶片。风机在运行时为对旋运行，额定转速为1000r/min，风机第一级叶片的安装角为46°，第二级叶片的安装角为32°。在风机进行网格划分时，采用了不规则的四面体网格划分模式，在两个风叶处采用加密网格划分，提高运行分析结果准确性，最终在该风机上的网格单元总数量为230万个，对旋式通风机的三维网格模型。由于风机在运行时内部流场结构相对复杂，因此为了在保证分析精度情况下简化分析流程，经过多次验证，以质量连续性方程作为仿真分析方程，在分析的过程中假设气流在风机内是不进行热交换且处于稳定流动的状态，以有限体积法对不同工况下风机内部的流场特性进行研究。

2多电机功率平衡控制原理

带式输送机在工作过程中其负载情况不断变化，造成各驱动电机的驱动功率发生变化。因供电电网的电压是维持不变的，因此当输送机的驱动功率发生变化时会相应造成驱动电机的工作电流发生变化，此时利用设置在各电机上的电流传感器设备对各驱动电机的工作电流进行不间断监测，并将监测结果实时输入到电控系统的控制中心与系统的理论平衡电流值进行对比，根据对比的结构对驱动电机的工作过程进行调整，实现了实时的闭环控制过程，确保了功率调节的稳定性和准确性。

3带式输送机多电机功率平衡控制系统

输送机系统的功率平衡主要是指输送机在带载传输的过程中各个驱动电机输出功率或牵引力之比与理论设计确保一致，新型的功率平衡控制系统在执行控制时是以驱动电机运转时的实际电流和输送带在运行过程中的运动速度作为基本控制量，将这些基本控制量经过传感器监测转换为电流或者电压信号传输到微机处理器中。在多电机驱动的输送机控制系统中，采用了电动机定子驱动电流，此情况下电流的大小直接对应了各驱动电机输出功率的大小，因此可根据各驱动电机对应的工作电流的情况对相应的电机调速装置的液力耦合器控制杆的位置进行调节，当驱动电机的输入电流大于系统逻辑控制值时，使液力耦合器控制杆动作，将耦合器内的油量降低，从而使驱动电机的负载降低到系统的逻辑控制值；当驱动电机的输入电流小于系统的逻辑控制值时，控制耦合器内的油量增加，从而使电机的负载增加，使电机的负载升高到逻辑控制值处，进而实现了对各电机运行输出功率平衡的控制。

4风机电机功率匹配分析

根据对旋式风机的运行特性，在通风距离短的情况下，第一级驱动电机的输出功率偏大，第二级电机的功率相对降低，随着送风距离的增加，风机系统内的运行风阻逐渐加大，因此第一级电机的负载功率首先达到最高，然后风量降低、风压升高，随着二级电机运行功率的逐渐增大，当送风距离超过一定限度时，就会造成二级风机电机的过载运行，使风机运行时的发热量增加、轴承温度迅速上升，最终导致风机电机的烧毁。因此需要合理地分配风机运行时的功率，在确保通风稳定情况下的提升电机安全性，不同风叶安装角情况下的功率分配如图3所示。由仿真分析结果可知，两级电机的安装角度越大，风机运行时两级电机的匹配度越高，电机输出的功率同步增加，因此在对风机进行设计时，可以根据仿真分析结果，针对性地选择风机对应的风叶安装角，以提升矿井通风系统的通风安全。

通过仿真分析可知，该方案能够真实地模拟风机运行时的状态特性，对不同风机叶片安装角下的通风特性进行了研究，为优化风机设计，提升运行稳定性和经济性奠定了基础。

5功率平衡效果评价与提升

5.1功率平衡模拟仿真

为验证以上功率平衡方案的可行性，采用ＡＭＥＳｉｍ和ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ建立联合仿真模型，其中，软启动控制装置及带式输送机模型在ＡＭＥＳｉｍ中搭建。总模拟时间设置为６０ｓ，软启动时间约２０ｓ左右，为进一步对功率平衡的效果进行对比分析，在设备启动４０ｓ后加载功率平衡模块。

在液体黏性软启动装置保护下，两台电机均平稳启动，过程无冲击，超调量较小，但随着启动时间延长，功率不平衡现象逐渐明显；在２０ｓ～４０ｓ内，由于未加载功率平衡模块，两电机出现了严重的功率不平衡现象，不平衡度达到２４％；在４０ｓ时，开始加载功率平衡模块，约５ｓ后，两电机的检测电流值已基本一致，电机功率不平衡度下降至２．５％，此时已实现功率平衡目标。上述模拟试验表明本文所述功率平衡技术方案效果明显。

5.2功率平衡效果提升

带式输送机启动过程中，对于由外负载大小差异引起的机头和机尾功率不平衡现象，可采用按时间差顺序启动电机予以解决，即机头电机先启动，机尾电机后启动。此时，电机的启动时间差是功率平衡效果的重要影响因素。在模拟试验中，将启动时间差分别设置为１ｓ、１．５ｓ、２ｓ、２．５ｓ、３ｓ，随着电机启动时间差的延长，功率不平衡度先减小后增大，在2.5ｓ时达到最小，仅为2.2％。

结语

针对对旋式通风机在远距离供风的情况下风量急剧下降、两级风机驱动电机功率匹配性差、风机易烧毁的问题，利用仿真分析的方法，对不同叶片安装角情况下的风机功率匹配情况进行了研究，结果可知：

1）以质量连续性方程作为仿真分析方程，以有限体积法对不同工况下风机内部的流场特性进行研究，能够在保证分析精度的情况下简化分析流程；

2）两级电机的安装角度越大，风机运行时两级电机的匹配度越高；

3）利用仿真分析的方法，能够真实地模拟风机运行时的状态特性，为优化风机设计，提升运行稳定性和经济性奠定了基础。

参考文献

[1]张玲．煤矿用长距离、大运量、大功率带式输送机驱动方案选择[J]．煤矿现代化，2018（3）：78－80．

[2]王定龙，王然风，赖春林．带式输送机双机驱动控制系统设计[J]．工矿自动化，2018，44（1）：74－78．

[3]李博，钱红玉，张立，等.叶片穿孔小型轴流风扇气动性能的研究[J].浙江理工大学学报，2013，30（1）：76-80．

[4]李春曦，尹攀，叶学民.变工况下动叶安装角异常时轴流风机的气动和噪声特性[J].动力工程学报，2013，33（7）：530-539．