煤礦電機(jī)應(yīng)急調(diào)速系統(tǒng)研究

杜志超

（同煤集團(tuán)挖金灣煤業(yè)公司， 山西 大同 037042）

引言

在煤炭開采過程中需要應(yīng)用大量的機(jī)電設(shè)備，而機(jī)電設(shè)備的調(diào)速系統(tǒng)需要用到變頻器，由于變頻器的維護(hù)周期較長，所以一旦變頻器損壞將給煤礦帶來經(jīng)濟(jì)和安全上的巨大損失，因此提出設(shè)計(jì)一套機(jī)電設(shè)備的應(yīng)急調(diào)速系統(tǒng)。當(dāng)機(jī)電設(shè)備變頻調(diào)速器出現(xiàn)故障時(shí)，該系統(tǒng)能夠及時(shí)切換并替換原來的變頻器，保證電機(jī)的正常工作[1]。

1 煤礦電機(jī)應(yīng)急調(diào)速系統(tǒng)的功能要求

1）該系統(tǒng)的特點(diǎn)是應(yīng)急時(shí)使用，結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，能適應(yīng)煤礦開采過程中苛刻環(huán)境，包括潮濕、瓦斯防爆、粉塵污染等。

2）煤礦開采過程中使用的電機(jī)具有大扭矩、高精度、軟啟動、電機(jī)保護(hù)等也是該系統(tǒng)應(yīng)具有的。

3）該系統(tǒng)應(yīng)具有自動切換和手動切換兩種模式，自動切換是當(dāng)電機(jī)的變頻器發(fā)生故障時(shí)，該系統(tǒng)能夠自動匹配該電機(jī)的參數(shù)，并切換控制該電機(jī)。手動切換是當(dāng)電機(jī)的變頻器發(fā)生故障時(shí)，利用手動的方式輸入該電機(jī)的參數(shù)，并手動切換控制該電機(jī)。

4）該系統(tǒng)應(yīng)具有良好的人機(jī)交互界面，能夠?qū)Ω鳈C(jī)電設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[2]。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

電機(jī)應(yīng)急調(diào)速系統(tǒng)工作原理為：當(dāng)機(jī)電設(shè)備變頻器發(fā)生故障時(shí)，由應(yīng)急系統(tǒng)的主控制器啟動應(yīng)急變頻器，并將故障變頻器中存儲的電機(jī)運(yùn)行參數(shù)轉(zhuǎn)存到應(yīng)急變頻器中，應(yīng)急變頻器工作時(shí)，主控制器負(fù)責(zé)對電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，利用PID控制算法保證電機(jī)的正常工作[3]。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

如圖1所示，煤礦機(jī)電應(yīng)急調(diào)速系統(tǒng)主要由主控制模塊、切換模塊、變頻器模塊、人機(jī)交互模塊、終端監(jiān)測模塊、報(bào)警模塊等構(gòu)成。

主控制模塊由PLC控制器構(gòu)成，負(fù)責(zé)接收監(jiān)測系統(tǒng)采集到的終端數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，包括運(yùn)行電機(jī)的工作參數(shù)，變頻器的工作參數(shù)等。將采集到的數(shù)據(jù)分析后，將指令傳達(dá)給切換模塊，最終實(shí)現(xiàn)對故障電機(jī)的準(zhǔn)確控制。

變頻模塊主要實(shí)現(xiàn)對故障電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，主要由變頻器組成。當(dāng)電機(jī)變頻器發(fā)生故障時(shí)，主控制器PLC首先將故障變頻器停止工作，同時(shí)收集故障電機(jī)的工作參數(shù)傳送到應(yīng)急變頻器，利用切換模塊使應(yīng)急變頻器開始工作，保證電機(jī)的正常工作，人機(jī)交互模塊主要負(fù)責(zé)對應(yīng)急調(diào)速系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和輸入，包括該系統(tǒng)中的中央控制器PLC、應(yīng)急變頻器、應(yīng)急切換裝置等。

應(yīng)急切換模塊主要負(fù)責(zé)當(dāng)電機(jī)變頻器發(fā)生故障時(shí)，中央控制器負(fù)責(zé)下達(dá)指令給應(yīng)急切換裝置，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急變頻器和故障變頻器之間的工作交接，保證電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

報(bào)警模塊負(fù)責(zé)當(dāng)終端監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)電機(jī)的工作狀態(tài)異常時(shí)，報(bào)警模型發(fā)出信號給中央控制器，保證電機(jī)設(shè)備及時(shí)恢復(fù)正常工作。

2.2 變頻器的選型

變頻器作為電機(jī)應(yīng)急調(diào)速系統(tǒng)的執(zhí)行部件，其作用至關(guān)重要。變頻器按照變換方式可以分為兩類：交流到交流變頻器和交流到直流再到交流變頻器。交流到交流變頻器的工作方式為將固定頻率的交流電變換為頻率和電壓可調(diào)的交流電。交流到直流變頻器的工作方式為，將固定頻率的交流電變換為直流電，然后再將直流電變換為頻率和電壓均可調(diào)的交流電。本文主要介紹后一種變頻器[4-5]，其電路如圖2所示。

圖2 變頻器硬件結(jié)構(gòu)

從圖2中可以看出，該變頻器組要部件由整流器、中間濾波器、逆變器等組成。其中整流器負(fù)責(zé)將三相交流電整流成直流。中間濾波器負(fù)責(zé)將整流過程中的不穩(wěn)定電壓過濾掉。逆變器負(fù)責(zé)將直流電轉(zhuǎn)變成工作元件需要的交流電。

控制電路主要由運(yùn)算單元、保護(hù)單元、信號檢測單元、速度檢測單元、驅(qū)動單元等組成。其中運(yùn)算單元負(fù)責(zé)計(jì)算逆變器需要的電壓和頻率；信號檢測單元負(fù)責(zé)檢測系統(tǒng)運(yùn)行過程中的電壓和電流等；保護(hù)單元負(fù)責(zé)當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)電壓或電流超載時(shí)，斷開相應(yīng)的開關(guān)，保護(hù)系統(tǒng)中的用電設(shè)備受到損壞。

變頻器的選擇應(yīng)該依據(jù)以下幾個(gè)方面：

1）電機(jī)的負(fù)載情況，主要分為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載和恒功率負(fù)載兩種；

2）電動機(jī)的額定參數(shù)（電流和電壓），決定變頻器額定輸出（頻率、電流和容量）；

3）變頻器的功能和成本等。

根據(jù)以上特點(diǎn)，本文決定采用森蘭變頻器，該變頻器具有高精度、大轉(zhuǎn)矩、多段速、靈活的傳輸接口等特點(diǎn)。

2.3 PLC的選型

PLC作為機(jī)電應(yīng)急調(diào)速系統(tǒng)的主控制器，其必須滿足內(nèi)部和外部兩方面的要求。外部要求，PLC必須在惡劣的環(huán)境下保證正常工作；內(nèi)部要求，PLC能夠?qū)崿F(xiàn)相對復(fù)雜的控制和保證穩(wěn)定的可靠性等[6]。

可編程控制器主要由中央處理器、存儲器、輸入/輸出接口、電源等部件構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

其中CPU模塊主要負(fù)責(zé)對系統(tǒng)信號的接收，存儲并經(jīng)過控制器的運(yùn)算，然后發(fā)出指令，來實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動部件的控制。

圖3 PLC硬件結(jié)構(gòu)

輸入/輸出單元負(fù)責(zé)接收終端監(jiān)測裝置采集的終端設(shè)備的數(shù)字信號并發(fā)送可編程控制器下達(dá)的指令，并將該指令以電信號的方式傳送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

外部接口，其主要負(fù)責(zé)和執(zhí)行元件的對接即數(shù)據(jù)傳輸接口，保證其執(zhí)行元件的多樣性。

通過以上分析，本文決定選擇西門子品牌的S7-200系列PLC作為本系統(tǒng)的主控制器，它具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、操作方面、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)。

2.4 應(yīng)急系統(tǒng)的切換裝置

切換裝置是應(yīng)急調(diào)速系統(tǒng)的主要部件，是應(yīng)急系統(tǒng)能否代替電機(jī)中故障的變頻器保證電機(jī)正常工作的執(zhí)行結(jié)構(gòu)。

切換方式常見的主要有冷切換和熱切換。其中冷切換是要求電動機(jī)和變頻器都處于停止工作的狀態(tài)時(shí)才能實(shí)現(xiàn)的切換，這種切換要求電機(jī)和變頻器之間必須連接有斷路器和接觸器。熱切換又分為硬切換和軟切換兩種模式。硬切換是指把電動機(jī)從變頻控制狀態(tài)切換到工頻控制方式，這種切換方式容易使變頻器損壞。軟切換是當(dāng)變頻控制和工頻控制二者之間的頻率達(dá)到一致時(shí)的一種切換，當(dāng)二者的頻率不同時(shí)切換也會嚴(yán)重?fù)p壞變頻器。

當(dāng)出現(xiàn)變頻器故障停機(jī)時(shí)，可以采用硬切換的方式實(shí)現(xiàn)應(yīng)急變頻器的切入使用，也可以采用改進(jìn)的硬切換方式進(jìn)行切入。改進(jìn)的硬切換方式是指，當(dāng)電動機(jī)變頻器故障時(shí)，應(yīng)先檢測電機(jī)感應(yīng)電動勢的頻率和相位，當(dāng)變頻器和電動機(jī)二者的頻率接近時(shí)，將變頻器的輸出相位鎖定，使二者達(dá)到相同的頻率。此時(shí)將應(yīng)急變頻器切入同電機(jī)連接，最終保證電機(jī)由故障到正常工作的平穩(wěn)過渡。

3 結(jié)語

通過建立煤礦電機(jī)應(yīng)急調(diào)速系統(tǒng)，對煤礦電機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。通過對電機(jī)中變頻器維修周期長等因素的分析，提出該系統(tǒng)的建立，主要做了以下工作：

1）對煤礦機(jī)電應(yīng)急調(diào)速系統(tǒng)的功能需求和整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析；

2）對煤礦電機(jī)應(yīng)急調(diào)速系統(tǒng)各個(gè)控制模塊進(jìn)行功能需求分析及硬件選型等。