變頻器在采煤機調(diào)控中的應用探析

石瑜萍

（西安煤礦機械有限公司）

變頻器作為具有節(jié)能調(diào)速、動態(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)濟技術(shù)升級改造的核心設備，在工程實踐應用中發(fā)揮良好的作用。

變頻器采煤機動態(tài)調(diào)控

一、變頻器在采煤機中的應用優(yōu)點

采煤機、掘進機、運輸機等機電設備是煤礦的主要電力用戶，受到采取空間限制、機械結(jié)構(gòu)尺寸布置緊張等因素影響，加上其在實際運行過程中能耗較大，如何采取結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、調(diào)控節(jié)能經(jīng)濟的變頻器，對原電控系統(tǒng)進行節(jié)能升級改造，就顯得尤為重要。變頻器在采煤機上合理改造應用，具有以下多方面的優(yōu)點。

一是變頻器集成自動化程度較高，體積較小，便于對采煤機變壓器的更換。當采用變頻器對采煤機原電控制系統(tǒng)進行升級改造后，采煤機結(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)矩啟動平穩(wěn)。變頻器主要通過采集信號形成對應的調(diào)控策略，來達到對采煤系統(tǒng)動態(tài)節(jié)能控制。采用無速度傳感器的控制模式，可以根據(jù)電機運行工況參數(shù)，按照一定關系對采煤機系統(tǒng)的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進行動態(tài)監(jiān)測，通過控制電動機定子繞組的電源頻率來確保采煤機系統(tǒng)勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的實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，其在實際優(yōu)化設計過程中，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；四是檢修維護便捷、縮短維護周期、降低了養(yǎng)護成本。當變頻器發(fā)生故障時，工作人員能夠通過變頻器自動診斷提示信息，快速查處存在故障的電路單元，并對其進行更換處理，則可以快速處理故障，既方便迅速，又減少了故障排除時間，具有較好的使用經(jīng)濟效益。

二、變頻器在采煤機調(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行，必須對變頻器進行散熱。根據(jù)煤礦井下的實際工礦和防爆規(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，變頻器產(chǎn)生的熱量能及時由隔爆腔體底面散掉。

（二）主從控制功能

用具有領先的ABB主從控制功能的變頻器使兩臺牽引電機的負荷平衡。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時產(chǎn)生150%Me轉(zhuǎn)矩，只需輸入電機銘牌數(shù)據(jù)，系統(tǒng)通過自動建立精確的電機模型，在得到準確的轉(zhuǎn)子速度信號后作為速度環(huán)的反饋信號，能夠精確控制鼠籠電機的速度和轉(zhuǎn)矩。ABB800系列變頻器程序具有獨特的主從控制，從變頻器通過光纖模塊與主變頻器通信，實時跟蹤主變頻器的速度、轉(zhuǎn)矩和其他故障信息，保證了兩電機負載均衡和安全運行。

（三）四象限運行

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行功能。當工作面傾角較大，采煤機在沒有外力制動時，往往會由于自重而產(chǎn)生下滑。在此種工況下作為牽引機用的變頻器，必須具備制動能力，即必須具備使受控牽引電機產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩的能力。當采煤機下行時，牽引電機基本處于制動運行狀態(tài)，回饋制動能夠提供足夠的制動功率，使采煤機能安全勻速地運行，工作在回饋制動狀態(tài)下，有較大的制動轉(zhuǎn)矩。其電機側(cè)硬件與電源側(cè)硬件完全對稱，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現(xiàn)。當牽引電機工作在電動狀態(tài)時，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；當牽引電機工作在制動狀態(tài)時，變頻器則工作在能量回饋狀態(tài)，牽引電機因制動而產(chǎn)生的電能反送到變頻器的直流回路，當直流電壓達到規(guī)定值時，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、變頻器在采煤機調(diào)控中的實施與應用

（一）電機控制方式

1.“一拖一”雙電機控制方式。即用兩臺變頻器分別驅(qū)動2臺交流牽引電機，由兩臺牽引電機共同完成采煤機的行走。～380V/50Hz供電電源經(jīng)6個快速熔斷器分兩路進入兩臺變頻器，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的供電電源。其中一臺變頻器為主變頻器，實施速度給定控制，其所驅(qū)動的電機為主電機，另一臺變頻器為從變頻器，實施轉(zhuǎn)矩給定控制，其所驅(qū)動的電機為從電機，實施轉(zhuǎn)矩控制。從變頻器通過光纖模塊與主變頻器通信，實時跟蹤主變頻器的速度、轉(zhuǎn)矩和其他故障信息，保證了兩電機負載均衡和安全運行。既變頻器接受上位機的速度給定信號，根據(jù)電機反饋的轉(zhuǎn)速、電流信號計算當期電機的轉(zhuǎn)矩和上位機的速度、電流控制信號對比，當采煤機在采煤的過程中遇到好煤層時就加快采煤速度，當遇到不好的煤層或者石頭的時候就減慢采煤的速度。此外，選用可編程控制器（PLC）作為采煤機的控制中心與兩臺變頻器通信，具有良好的人機界面，能實時反映采煤機的運行狀態(tài)。

2.“一拖一”單電機控制方式。采煤機電氣控制系統(tǒng)為“一拖一”單電機方式。即用一臺變頻器分別驅(qū)動1臺交流牽引電機，由一臺牽引電機共同完成采煤機的行走。～380V/50Hz供電電源經(jīng)3個快速熔斷器分兩路進入一臺變頻器，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的供電電源。既變頻器接受上位機的轉(zhuǎn)矩控制信號，根據(jù)電機反饋的轉(zhuǎn)速信號計算當期電機的轉(zhuǎn)矩和上位機的轉(zhuǎn)矩控制信號對比，當采煤機在采煤的過程中遇到好煤層時就加快采煤速度，當遇到不好的煤層或者石頭的時候就減慢采煤的速度。

（二）交流變頻器與機械制動閘的配合

采煤機在大傾角工作面運行時，關鍵是要保持電機啟動與機械制動器釋放同步。電機啟動必須與機械制動器釋放同時進行，機械制動器釋放過早，電機啟動力矩不足，采煤機下滑；機械制動器釋放過晚，造成電機堵轉(zhuǎn)，縮短電機和制動器的壽命。變頻器可以在電機啟動之前進行恒定直流勵磁，當預勵磁時間足夠后，可以保證最大的啟動力矩。預勵磁時間根據(jù)不同的電機在變頻器的參數(shù)內(nèi)進行設定，而靠PLC的強大的邏輯功能以軟件編程的方式，調(diào)節(jié)機械制動器釋放的時間，使之達到電機啟動與機械制動同時進行。回饋制動的變頻器由于其特殊用途，一般都設有一套對機器制動器的控制功能，這一功能對采煤機在大傾角工作面上，由靜止轉(zhuǎn)往上行，或由下行轉(zhuǎn)向上行是十分重要的。