變頻器在采煤機(jī)調(diào)控中的應(yīng)用探析

石瑜萍

（西安煤礦機(jī)械有限公司）

變頻器作為具有節(jié)能調(diào)速、動(dòng)態(tài)控制等優(yōu)越性能的現(xiàn)代化電力電子產(chǎn)品，在各行各業(yè)中作為節(jié)能經(jīng)濟(jì)技術(shù)升級(jí)改造的核心設(shè)備，在工程實(shí)踐應(yīng)用中發(fā)揮良好的作用。

變頻器采煤機(jī)動(dòng)態(tài)調(diào)控

一、變頻器在采煤機(jī)中的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)

采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)、運(yùn)輸機(jī)等機(jī)電設(shè)備是煤礦的主要電力用戶，受到采取空間限制、機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸布置緊張等因素影響，加上其在實(shí)際運(yùn)行過程中能耗較大，如何采取結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、調(diào)控節(jié)能經(jīng)濟(jì)的變頻器，對(duì)原電控系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能升級(jí)改造，就顯得尤為重要。變頻器在采煤機(jī)上合理改造應(yīng)用，具有以下多方面的優(yōu)點(diǎn)。

一是變頻器集成自動(dòng)化程度較高，體積較小，便于對(duì)采煤機(jī)變壓器的更換。當(dāng)采用變頻器對(duì)采煤機(jī)原電控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造后，采煤機(jī)結(jié)構(gòu)空間的利用更趨于合理，結(jié)構(gòu)布置更加緊湊，便于在狹小空間環(huán)境中使用；二是高轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)平穩(wěn)。變頻器主要通過采集信號(hào)形成對(duì)應(yīng)的調(diào)控策略，來達(dá)到對(duì)采煤系統(tǒng)動(dòng)態(tài)節(jié)能控制。采用無速度傳感器的控制模式，可以根據(jù)電機(jī)運(yùn)行工況參數(shù)，按照一定關(guān)系對(duì)采煤機(jī)系統(tǒng)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測，通過控制電動(dòng)機(jī)定子繞組的電源頻率來確保采煤機(jī)系統(tǒng)勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的實(shí)際值和檢測值間的匹配一致；三是采用一體化的IGBT逆變橋功率調(diào)節(jié)模塊。變頻器內(nèi)部采用一體化的IGBT逆變橋功率調(diào)節(jié)模塊，其在實(shí)際優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，不僅減少功率器件在變頻調(diào)速系統(tǒng)中所占用的空間位置，同時(shí)可以確保IGBT模塊的工作溫度在100℃依然能夠正常溫度工作；四是檢修維護(hù)便捷、縮短維護(hù)周期、降低了養(yǎng)護(hù)成本。當(dāng)變頻器發(fā)生故障時(shí)，工作人員能夠通過變頻器自動(dòng)診斷提示信息，快速查處存在故障的電路單元，并對(duì)其進(jìn)行更換處理，則可以快速處理故障，既方便迅速，又減少了故障排除時(shí)間，具有較好的使用經(jīng)濟(jì)效益。

二、變頻器在采煤機(jī)調(diào)控過程中的問題及解決方案

（一）冷卻方式

變頻器的發(fā)熱是由于內(nèi)部的損耗而產(chǎn)生的，以主電路為主，約占98%，控制電路占2%，而且溫度對(duì)變頻器內(nèi)含大功率的電子元件電解電容等壽命影響也較大，為保證變頻器正常可靠運(yùn)行，必須對(duì)變頻器進(jìn)行散熱。根據(jù)煤礦井下的實(shí)際工礦和防爆規(guī)程的要求，變頻器經(jīng)過改造后安裝在隔爆電控箱內(nèi)，其整流模塊與逆變模塊均安裝在專用的散熱鋁板做成的底板上，底板與隔爆腔體底面密切接觸，正常使用時(shí)，變頻器產(chǎn)生的熱量能及時(shí)由隔爆腔體底面散掉。

（二）主從控制功能

用具有領(lǐng)先的ABB主從控制功能的變頻器使兩臺(tái)牽引電機(jī)的負(fù)荷平衡。ABB800系列是采用DTC直接轉(zhuǎn)矩控制的新一代變頻器，可在0.5Hz時(shí)產(chǎn)生150%Me轉(zhuǎn)矩，只需輸入電機(jī)銘牌數(shù)據(jù)，系統(tǒng)通過自動(dòng)建立精確的電機(jī)模型，在得到準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子速度信號(hào)后作為速度環(huán)的反饋信號(hào)，能夠精確控制鼠籠電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩。ABB800系列變頻器程序具有獨(dú)特的主從控制，從變頻器通過光纖模塊與主變頻器通信，實(shí)時(shí)跟蹤主變頻器的速度、轉(zhuǎn)矩和其他故障信息，保證了兩電機(jī)負(fù)載均衡和安全運(yùn)行。

（三）四象限運(yùn)行

ABB800系列的變頻器不僅具有主從控制功能而且具有四象限運(yùn)行功能。當(dāng)工作面傾角較大，采煤機(jī)在沒有外力制動(dòng)時(shí)，往往會(huì)由于自重而產(chǎn)生下滑。在此種工況下作為牽引機(jī)用的變頻器，必須具備制動(dòng)能力，即必須具備使受控牽引電機(jī)產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩的能力。當(dāng)采煤機(jī)下行時(shí)，牽引電機(jī)基本處于制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，回饋制動(dòng)能夠提供足夠的制動(dòng)功率，使采煤機(jī)能安全勻速地運(yùn)行，工作在回饋制動(dòng)狀態(tài)下，有較大的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。其電機(jī)側(cè)硬件與電源側(cè)硬件完全對(duì)稱，兩組橋工作無論在整流狀態(tài)還是逆變狀態(tài)，其功能切換是由中央處理器通過軟件來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)牽引電機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，變頻器工作在正常輸出狀態(tài)，輸入側(cè)電源經(jīng)整流橋在電容兩端建立直流電壓，然后經(jīng)IGBT管組成的逆變電路輸出變頻交流電；當(dāng)牽引電機(jī)工作在制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，變頻器則工作在能量回饋狀態(tài)，牽引電機(jī)因制動(dòng)而產(chǎn)生的電能反送到變頻器的直流回路，當(dāng)直流電壓達(dá)到規(guī)定值時(shí)，使電源側(cè)逆變器工作于逆變狀態(tài)，電能經(jīng)輸入側(cè)的回饋逆變橋回饋電網(wǎng)。

三、變頻器在采煤機(jī)調(diào)控中的實(shí)施與應(yīng)用

（一）電機(jī)控制方式

1.“一拖一”雙電機(jī)控制方式。即用兩臺(tái)變頻器分別驅(qū)動(dòng)2臺(tái)交流牽引電機(jī)，由兩臺(tái)牽引電機(jī)共同完成采煤機(jī)的行走。～380V/50Hz供電電源經(jīng)6個(gè)快速熔斷器分兩路進(jìn)入兩臺(tái)變頻器，通過變頻器整流、逆變輸出頻率電壓可變的交流電作為牽引電機(jī)的供電電源。其中一臺(tái)變頻器為主變頻器，實(shí)施速度給定控制，其所驅(qū)動(dòng)的電機(jī)為主電機(jī)，另一臺(tái)變頻器為從變頻器，實(shí)施轉(zhuǎn)矩給定控制，其所驅(qū)動(dòng)的電機(jī)為從電機(jī)，實(shí)施轉(zhuǎn)矩控制。從變頻器通過光纖模塊與主變頻器通信，實(shí)時(shí)跟蹤主變頻器的速度、轉(zhuǎn)矩和其他故障信息，保證了兩電機(jī)負(fù)載均衡和安全運(yùn)行。既變頻器接受上位機(jī)的速度給定信號(hào)，根據(jù)電機(jī)反饋的轉(zhuǎn)速、電流信號(hào)計(jì)算當(dāng)期電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和上位機(jī)的速度、電流控制信號(hào)對(duì)比，當(dāng)采煤機(jī)在采煤的過程中遇到好煤層時(shí)就加快采煤速度，當(dāng)遇到不好的煤層或者石頭的時(shí)候就減慢采煤的速度。此外，選用可編程控制器（PLC）作為采煤機(jī)的控制中心與兩臺(tái)變頻器通信，具有良好的人機(jī)界面，能實(shí)時(shí)反映采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

2.“一拖一”單電機(jī)控制方式。采煤機(jī)電氣控制系統(tǒng)為“一拖一”單電機(jī)方式。即用一臺(tái)變頻器分別驅(qū)動(dòng)1臺(tái)交流牽引電機(jī)，由一臺(tái)牽引電機(jī)共同完成采煤機(jī)的行走。～380V/50Hz供電電源經(jīng)3個(gè)快速熔斷器分兩路進(jìn)入一臺(tái)變頻器，通過變頻器整流、逆變輸出頻率電壓可變的交流電作為牽引電機(jī)的供電電源。既變頻器接受上位機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制信號(hào)，根據(jù)電機(jī)反饋的轉(zhuǎn)速信號(hào)計(jì)算當(dāng)期電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和上位機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制信號(hào)對(duì)比，當(dāng)采煤機(jī)在采煤的過程中遇到好煤層時(shí)就加快采煤速度，當(dāng)遇到不好的煤層或者石頭的時(shí)候就減慢采煤的速度。

（二）交流變頻器與機(jī)械制動(dòng)閘的配合

采煤機(jī)在大傾角工作面運(yùn)行時(shí)，關(guān)鍵是要保持電機(jī)啟動(dòng)與機(jī)械制動(dòng)器釋放同步。電機(jī)啟動(dòng)必須與機(jī)械制動(dòng)器釋放同時(shí)進(jìn)行，機(jī)械制動(dòng)器釋放過早，電機(jī)啟動(dòng)力矩不足，采煤機(jī)下滑；機(jī)械制動(dòng)器釋放過晚，造成電機(jī)堵轉(zhuǎn)，縮短電機(jī)和制動(dòng)器的壽命。變頻器可以在電機(jī)啟動(dòng)之前進(jìn)行恒定直流勵(lì)磁，當(dāng)預(yù)勵(lì)磁時(shí)間足夠后，可以保證最大的啟動(dòng)力矩。預(yù)勵(lì)磁時(shí)間根據(jù)不同的電機(jī)在變頻器的參數(shù)內(nèi)進(jìn)行設(shè)定，而靠PLC的強(qiáng)大的邏輯功能以軟件編程的方式，調(diào)節(jié)機(jī)械制動(dòng)器釋放的時(shí)間，使之達(dá)到電機(jī)啟動(dòng)與機(jī)械制動(dòng)同時(shí)進(jìn)行。回饋制動(dòng)的變頻器由于其特殊用途，一般都設(shè)有一套對(duì)機(jī)器制動(dòng)器的控制功能，這一功能對(duì)采煤機(jī)在大傾角工作面上，由靜止轉(zhuǎn)往上行，或由下行轉(zhuǎn)向上行是十分重要的。