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自动切换2种方式，同时还有手动“启/停”功能、电机过热保护、声光报警等功能，提高了系统可靠性。

3 系统的结构及工作原理

3.1 系统的结构

系统的结构框架如图1所示，整个控制系统主要由PLC、变频器、瓦斯传感器、压力传感器、电机组、通风机组等组成，该系统主控单元采用PLC，被控元件为变频运行的通风电机，主控参数为瓦斯浓度。

瓦斯传感器变送器 PLC 380V交流电 压力传感器3.2 系统的控制原理

通过安装在矿井内部的瓦斯传感器和压力传感器，将信号传给变送器变成标准电信号送入PID调节器，经运算与给定压力参数进行比较，得出调节参数送给变频器，由变频器控制风机电机的转速.。

系统工作主电路如图2所示，当系统切换到自动状态时，根据检测到矿井内负压的大小，首先控制通风电机M1软启动，变频运转并随时检测其数值，如果得到设定值，系统将处于当前状态恒速运行。否则频率上升到50Hz，M1工频运行，如果还未得到设定值，系统软启动M2电机，变频运行并无冲击切换到工频电源，直到矿井内负压达到设定值为止，实现通风电机循环软起动。当所需负压减小时，M2电机转速逐渐下降到某一个设定低速值，如井内负压仍高于设定值，

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变频器电动机通风机 声光报警 手动/自动 工频/变频 图1 系统控制原理框图

然后停止该台电机运转。停止一台电机后，如果仍高于设定值，系统将M1电机由工频切换为变频运行，以此实现通风电机循环运行，直到压力等于设定值。M3做备用电机，当M1或M2发生故障，以及需要维修和紧急情况时，通过启用M3电机来达到正常工作的目的。

图2 系统工作主电路图

控制系统用一台变频器可以带两台电机，M1、M2、M3电机可以工作在常规工频模式，M1、M2可以工作在变频模式。每台电机只能处于变频或工频其中一种工作模式，通过PLC的程序和外部接触器进行互锁，保证了安全与可靠的运行。利用安臵在矿井内部的传感器将信号传输到变送器，转换成数字信号，再传送给PLC，数值在PLC内部进行比较后，控制变频器从而对电机的速度控制。电机的起、停分别由PLC内部参数所决定。根据所需负压的大小由PLC控制工作组电机数量的增减及变频器对电机的调速，实现稳定的负压值[1]。

采用变频器控制通风电机的转速，并自动调节风机的运行台数，完成系统的闭环控制，达到稳定的负压和节能的目的。系统任意设定所需负压值，其反馈值通过PID调节后控制调速装臵，以调节通风电机的运行速度，从而调节井内的瓦斯浓度。这与传统的手动控制相比，该控制系统具有通风质量高、灵活性强、能耗少、电动机启/停平稳等许多优点。 3.3 系统的运行方式

该系统包括自动和手动两种运行方式： （1）手动运行

该系统设有“手动/自动”转换开关。当开关切换到“手动”时，可在现场

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启动、停止各台通风电机。当变送器或变频器发生故障时，为确保通风可靠，三台通风电机可分别采取手动工频运行，该方式主要供检修或变送器和变频器发生故障以及紧急时用。

（2）自动运行

当转换开关转至“自动”状态时，电机的“启/停”及“变频/工频”切换，完全由PLC根据矿井内通风状况及程序内部的设定自动调整，最终达到现场无人值守、系统本身全自动运行。合上自动开关后，M1通风电机通电，变频器输出频率从0Hz上升，同时PLC接收传感器的信号，经运算与给定参数进行比较，控制变频器调节电机转速，如果风量不足，则频率上升到50Hz，M1由变频切换为工频，M2电机变频启动，变频器逐渐上升频率直到满足设定值为止。变频自动功能是该系统最基本的功能，系统自动完成对二台通风电机软启动、停止、循环变频的全部操作过程。 3.4 变频调速原理

变频通风控制主要由变频器、控制系统、电机及传感器等部分组成。该系统通过控制变频调速器，将50Hz的交流电从0～50Hz之间频率输出，实现交流电机的无极调速，从而实现矿井通风机的优化控制，当变频系统为开环时，设备可以人为设定输出任意频率控制电机转速；当变频系统为闭环时，随着反馈等要求的变化，自动得到相应的频率。

通风电机通常由三相交流异步电动机来拖动，对通风机的调速是通过对其电机转速的调节来实现。我们知道：异步电动机转速n=60f(1-S)/P。在这个公式中，f为电机电源的频率，P为电机的磁极对数，S为转差率(0～3%或0～6%)。由上述电机的转速公式可见：要想改变电机的转速，可以通过三种方法来实现：

（1）改变电动机的频率f； （2）改变电动机的转差率S； （3）改变电动机的磁极对数P。

通过对上面三种方法的分析可以知道：改变电动机的转速的最好方法是改变电动机电源的频率。因为转差率S的范围在(0～3%或0～6%)之间，由此转差率S对电动机的影响不大，调速效果不明显，效率相对较低。改变磁极对数P这种方法，首先它不容易实现，其次由电机的工作原理决定了电机的磁极数是固定不变的。由于该磁极数值不是一个连续的数值（为2的倍数，例如极数为2，4，6），所以一般不适合通过改变该磁极对数P来调整电机的速度。

电动机的转速n和供电电源的频率f成正比，要设法改变三相交流电动机的频率f，就能十分方便地改变电动机的转速n，另外，频率f能够在电机的外面

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调节后再供给电机，这样电机的旋转速度就可以被自由的控制，比改变磁极对数P和转差率S两个参数简单方便得多。而实际上如果仅仅改变电动机的频率并不能获得良好的变频特性。如果电压不变，频率下调至小于50Hz时，会使电机气隙磁通φ(约等于V/f)饱和；反之，电压不变，频率上调至大于50Hz时，则使磁通减弱。所以真正应用变频调速时，需要同时改变电压V和频率f，以保持磁通基本恒定。

通常，电机产生的转矩要随频率的减小（速度降低）而减小。通过使用磁通矢量控制的变频器，将改善电机低速时转矩的不足，甚至在低速区电机也可输出足够的转矩。

矢量控制具有转矩提升功能，它能增加变频器在低频时的输出电压，以补偿定子电阻上电压降引起的输出转矩损失，从而改善电机的输出转矩。改善电机低速输出转矩不足的情况，使用“矢量控制”，可以使电机在低速时的输出转矩可以达到电机在50Hz供电输出的转矩。对于常规的V/F控制，电机的电压降随着电机速度的降低而相对增加，这就导致由于励磁不足，而使电机不能获得足够的旋转力。为了补偿这个不足，变频器中需要通过提高电压，来补偿电机速度降低而引起的电压降。

转矩提升功能是提高变频器的输出电压。然而即使提高输出电压，电机转矩并不能和其电流相对应的提高，因为电机电流包含电机产生的转矩分量和其它分量。矢量控制把电机的电流值进行分配，从而确定产生转矩的电机电流分量和其它电流分量的数值。矢量控制可以通过对电机端的电压降的响应，进行优化补偿，在不增加电流的情况下，允许电机输出大的转矩。 3.5 PID调节原理介绍

在通风控制系统中，变送器将传感器的信号变换成电压量或电流量，反馈到PLC高级模块-PID模块，PID将压力反馈信号与给定信号进行比较，并经Proportion（比例）、Integral（积分）、Differential coefficient（微分）、诸环节调节后得到频率给定信号，控制变频器的工作频率，从而控制了电机的转速和通风量。

（1）比较与判断功能 设负压为给定信号，传感器的反馈信号为Xf，PID调节器首先对上述信号进行比较，得到偏差信号?X

?X?Xp1?Xf (1)

接着根据?X值判断如下：

?X为“＋”，表明通风量低于给定值，电机应加速。?X大，说明所需风量

低得较多，应加快电机的转速。

?X为“-”，表明通风量高于给定值，电机应减速。?X小，说明所需风量

高得较多，应使电机减速。

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