變頻調(diào)速系統(tǒng)在牽引梭車的應(yīng)用

鄭海峰

（華陽(yáng)集團(tuán)一礦機(jī)電工區(qū)，山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

變頻調(diào)速系統(tǒng)主要被使用在煤礦行業(yè)中，應(yīng)用于采煤機(jī)、梭車等。梭車是采煤過(guò)程中使用的設(shè)備，具有雙向操作特點(diǎn)，在接煤和卸煤時(shí)不需要調(diào)頭能夠直接開(kāi)展工作，主要負(fù)責(zé)連采機(jī)、皮帶機(jī)之間的運(yùn)輸工作。變頻器是梭車中的關(guān)鍵部分，能夠進(jìn)行電氣牽引，梭車驅(qū)動(dòng)力主要由變頻電機(jī)控制器、變壓器、開(kāi)關(guān)電源構(gòu)成的變頻系統(tǒng)提供。本文主要研究分析變頻器控制系統(tǒng)原理和控制方式，通過(guò)理論指導(dǎo)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐等方式，制作梭車變頻調(diào)速牽引系統(tǒng)。

1 變頻調(diào)速系統(tǒng)主回路

牽引梭車中應(yīng)用的變頻調(diào)速系統(tǒng)主要使用兩套逆變器共直流母線的設(shè)計(jì)來(lái)完成驅(qū)動(dòng)器之間能量轉(zhuǎn)換，一臺(tái)設(shè)備進(jìn)行發(fā)電，另一臺(tái)設(shè)備就可以利用該設(shè)備生產(chǎn)的電能，能夠防止電壓過(guò)高，起到保護(hù)作用。變頻調(diào)速設(shè)備由多個(gè)部分構(gòu)成，分別是三相整流橋、濾波電路、逆變模塊和輸出電抗器等，能夠控制驅(qū)動(dòng)裝置改變變頻器主回路的電壓。

1）斷路器。該設(shè)備是保護(hù)裝置，主要針對(duì)電源線路、電動(dòng)機(jī)等部件進(jìn)行保護(hù)，如果電壓過(guò)高，電路過(guò)載發(fā)生短路等事故時(shí)，會(huì)觸發(fā)斷路器保護(hù)功能切斷電路。

2）接觸器。該設(shè)備作用在于接通與斷開(kāi)PLC 自動(dòng)控制變頻器的電源電路。

3）變頻器。該設(shè)備包括了逆變電路與整流電路，起到變頻調(diào)速的作用。

4）輸入電抗器。輸入電抗器的作用主要是對(duì)浪涌電壓和浪涌電流進(jìn)行壓制，還能夠調(diào)整改善變頻器的功率和壓制諧波電流，過(guò)濾諧波電壓和電流，從而提高電網(wǎng)質(zhì)量。

5）三相整流橋。三相整流橋設(shè)備可以進(jìn)行交流直流電轉(zhuǎn)換，直接將三相交流電轉(zhuǎn)化為直流電。

6）濾波電容。濾波電容的功能是過(guò)濾消除三相整流之后產(chǎn)生的波紋，以此穩(wěn)定電壓。

7）充電回路。充電回路由兩個(gè)部分構(gòu)成，分別是限流電阻、接觸器。限流電阻主要是控制充電電流，能夠保護(hù)整流橋，直流母線電壓上升到觸發(fā)數(shù)值時(shí)會(huì)與接觸器吸合，整流后直流回路能夠借助接觸器和三相主回路形成回路。

8）逆變模塊。六個(gè)IGBT 就能構(gòu)成一個(gè)逆變模塊。IGBT可以將直流電改變成交流電，并且可以調(diào)整頻率。

9）輸出電抗器。輸出電抗器位于變頻器輸出口，主要由于IGBT 在開(kāi)關(guān)時(shí)會(huì)瞬間產(chǎn)生高壓電，因此設(shè)置電抗器壓制高壓避免其影響電纜絕緣和電機(jī)。

2 變頻調(diào)速系統(tǒng)控制回路

梭車能夠行走的前提是，操作人員在啟動(dòng)前要先選擇梭車前進(jìn)方向，利用梭車腳踏型開(kāi)關(guān)中設(shè)置的本質(zhì)安全型變阻器來(lái)控制變頻器功率，梭車轉(zhuǎn)彎則利用檢測(cè)轉(zhuǎn)向油缸行程應(yīng)用PLC 控制程序來(lái)調(diào)控梭車左右輪的速度，達(dá)到梭車左右、前進(jìn)、后退功能，而且能夠根據(jù)需要調(diào)整車速。

2.1 操作箱行進(jìn)方向開(kāi)關(guān)

梭車操作設(shè)備上安裝著運(yùn)行開(kāi)關(guān)，能夠控制梭車前進(jìn)方向，主要開(kāi)關(guān)有前進(jìn)、后退兩個(gè)，量節(jié)點(diǎn)閉合時(shí)梭車控制器能夠接收運(yùn)行信號(hào)運(yùn)行。

2.2 變阻器與本質(zhì)安全型隔離柵

變阻器阻值處于0～10 kΩ 之間，能夠發(fā)生持續(xù)性變化的本質(zhì)安全型電位計(jì)隔離柵可以對(duì)電位計(jì)阻值進(jìn)行線性處理，梭車腳踏開(kāi)關(guān)掛在最高點(diǎn)時(shí)電位計(jì)阻值是0，腳踏開(kāi)關(guān)下拉時(shí)電阻值會(huì)變小，開(kāi)關(guān)處于最低處時(shí)電阻值則是10 kΩ。

2.3 差速控制

差速控制主要是利用控制程序分別控制左右輪速度，在轉(zhuǎn)彎時(shí)能夠控制左右車輪產(chǎn)生差速運(yùn)行，避免梭車轉(zhuǎn)彎打滑。

2.4 模擬量和開(kāi)關(guān)量輸出

控制器能夠接收操作方向開(kāi)關(guān)發(fā)生的信號(hào)、梭車轉(zhuǎn)向信號(hào)、頻率給定的電流信號(hào)，然后對(duì)各類信號(hào)進(jìn)行研究分析，然后發(fā)出相應(yīng)運(yùn)行信號(hào)，控制變頻系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行。

2.5 變頻器輸出

變頻器能夠發(fā)出梭車運(yùn)行、梭車內(nèi)部發(fā)生故障信號(hào)，由控制器接收信號(hào)，再對(duì)信號(hào)進(jìn)行解讀，發(fā)出運(yùn)行命令或者故障提示。

2.6 通信

變頻器和控制器需要使用Modbus 協(xié)議實(shí)現(xiàn)通信，變頻器母線電壓、運(yùn)行電流、運(yùn)行頻率和變頻器的故障可以利用該協(xié)議實(shí)時(shí)發(fā)送到控制器中。

2.7 過(guò)熱保護(hù)

設(shè)置有熱敏電阻與溫度開(kāi)關(guān)在變頻電動(dòng)機(jī)內(nèi)，用以提供開(kāi)關(guān)量與模擬量溫度信號(hào)?？刂破涓鶕?jù)實(shí)際獲得的溫度信號(hào)來(lái)對(duì)電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部溫度進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)，一旦出現(xiàn)溫度異常的情況就及時(shí)停機(jī)，防止電動(dòng)機(jī)受損。

2.8 控制器

在變頻器中控制其是一項(xiàng)非常重要的組成部分，用以對(duì)開(kāi)關(guān)信號(hào)進(jìn)行接收與轉(zhuǎn)換，通過(guò)對(duì)比、分析與判斷經(jīng)過(guò)本質(zhì)安全型隔離柵轉(zhuǎn)換的加速踏板信號(hào)后來(lái)將左右變頻器所需的速度信號(hào)確定下來(lái)，用以對(duì)變頻器輸出的頻率交流電實(shí)施控制。

3 變頻器參數(shù)設(shè)置

為保證變頻調(diào)速系統(tǒng)不僅存在理論中，也能夠?qū)嶋H運(yùn)用，使用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐的方式反復(fù)調(diào)試完善變頻雕塑系統(tǒng)的設(shè)置參數(shù)，把變頻器調(diào)試到最佳狀態(tài)為止。

3.1 矢量控制

矢量控制采用的原理是利用測(cè)量和控制異步電動(dòng)機(jī)定子電流矢量按照磁場(chǎng)定向。控制異步電動(dòng)機(jī)中的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流，最終完成控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩目標(biāo)。矢量控制方法可以提升梭車啟動(dòng)速度，降低啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電流，幫助變頻器適應(yīng)梭車的運(yùn)行狀態(tài)，使變頻器的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性都可與直流電系統(tǒng)一致。

3.2 變頻電機(jī)

變頻調(diào)速系統(tǒng)輸出電源與普通電源不同，是非正弦電源，所以提高電動(dòng)機(jī)對(duì)非正弦電源的適應(yīng)性是變頻調(diào)速系統(tǒng)的關(guān)鍵。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)發(fā)出的諧波電流也會(huì)影響電機(jī)的絕緣性能。所以在設(shè)置變頻調(diào)速系統(tǒng)時(shí)不僅要對(duì)電機(jī)進(jìn)行過(guò)熱保護(hù)，也要重視變頻電機(jī)絕緣材料的等級(jí)和耐性，提升電機(jī)的絕緣能力。

3.2.1 盡可能的減小定子和轉(zhuǎn)子電阻

在設(shè)置變頻電機(jī)時(shí)，最大限度降低定子和轉(zhuǎn)子電阻能夠減小基波銅耗，減小的消耗量可以補(bǔ)充高次諧波導(dǎo)致增加的銅耗。

3.2.2 主磁路

變頻電機(jī)設(shè)計(jì)的主磁路通常會(huì)被設(shè)置成不飽和狀態(tài)，首先是因?yàn)楦叽沃C波會(huì)增加磁路的飽和程度。其次是電機(jī)處于低頻狀態(tài)時(shí)，要增加變頻器的電壓來(lái)提升輸出轉(zhuǎn)矩。

3.2.3 常閉溫控開(kāi)關(guān)

變頻電機(jī)內(nèi)部安裝有MK1 型號(hào)的常閉溫控開(kāi)關(guān)裝置，主要作用是過(guò)熱斷電。電機(jī)繞組溫度過(guò)高，超出145 ℃時(shí)，溫控開(kāi)關(guān)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行保護(hù)。

3.2.4 變頻電機(jī)耐壓要求

以2 630 V 作為變頻器供電最高參考峰值，制定1～3 s 作為匝間試驗(yàn)脈沖8 000 V 時(shí)間。

3.2.5 絕緣等級(jí)

變頻電機(jī)受非正弦電源和諧波電流影響，對(duì)絕緣要求較高，通常要求為200 級(jí)。

4 結(jié)語(yǔ)

變頻調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在煤礦井下設(shè)備中，特別是牽引梭車，對(duì)于采煤運(yùn)輸工作的作用逐漸加大。本文主要分析牽引梭車設(shè)置變頻調(diào)速系統(tǒng)中的使用方法、構(gòu)成組件、變頻參數(shù)調(diào)試和變頻器內(nèi)部回路等。后續(xù)還需要對(duì)梭車進(jìn)行實(shí)際使用來(lái)不斷完善變頻調(diào)速系統(tǒng)，可以直接提升變頻調(diào)速系統(tǒng)在牽引梭車控制系統(tǒng)中的科學(xué)性、實(shí)用性。目前煤礦下使用的梭車變頻調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)逐漸調(diào)整完成，變頻調(diào)速系統(tǒng)操作便捷、運(yùn)行穩(wěn)定，給煤礦挖掘運(yùn)輸工作提供較大幫助。