變頻器系統(tǒng)在煤礦刮板輸送機(jī)中的應(yīng)用

馬鵬飛

(同煤浙能麻家梁煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西省朔州市，036000)

目前，我國煤礦綜采工作面朝著高產(chǎn)量、自動(dòng)化、智能化、節(jié)約化的方向發(fā)展，其中刮板輸送機(jī)的運(yùn)煤效率直接影響著煤炭的產(chǎn)量。現(xiàn)階段刮板輸送機(jī)電機(jī)的供電電壓已經(jīng)達(dá)到3300 V，裝機(jī)功率也在不斷增大，為煤炭的大量產(chǎn)出提供了可能。但由于采煤工作面地質(zhì)條件復(fù)雜，生產(chǎn)環(huán)境惡劣，在生產(chǎn)過程中，刮板輸送機(jī)頻繁重載啟動(dòng)，且經(jīng)常有大塊矸石或者錨桿落入機(jī)道中，造成卡鏈或阻滯故障的發(fā)生，如不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)就會(huì)造成刮板輸送機(jī)電機(jī)燒毀以及斷鏈等事故。因此，如何快速啟動(dòng)刮板輸送機(jī)，并且根據(jù)煤量均衡調(diào)速、平穩(wěn)運(yùn)行已經(jīng)成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)課題。現(xiàn)階段刮板輸送機(jī)的運(yùn)行方式主要有以下3種：

(1)雙速電機(jī)運(yùn)行方式。該方式電機(jī)具有兩組繞組，即高速和低速繞組，由組合開關(guān)向兩組繞組供電。固化在開關(guān)中的切換程序控制啟動(dòng)順序，先啟動(dòng)低速，待一定時(shí)間后再啟動(dòng)高速，最終達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。但此種方式運(yùn)行過程中不能調(diào)速，刮板輸送機(jī)啟動(dòng)瞬間對電網(wǎng)有較大的沖擊，對設(shè)備本身也有較大的機(jī)械沖擊。

(2)可控軟啟動(dòng)(CST)方式。該方式是通過驅(qū)動(dòng)控制器給液壓聯(lián)軸器進(jìn)行充壓而達(dá)到啟動(dòng)刮板輸送機(jī)的目的。但其傳動(dòng)效率低，啟動(dòng)時(shí)間長，不能頻繁啟動(dòng)，調(diào)速范圍窄，通常在30%～70%之間。

(3)變頻器運(yùn)行方式。此種方式通過降低供電頻率而達(dá)到降低啟動(dòng)電流的目的。與前兩種運(yùn)行方式相比，該方式啟動(dòng)速度快、傳動(dòng)效率高且對電網(wǎng)的沖擊小，可根據(jù)刮板輸送機(jī)的負(fù)載調(diào)節(jié)運(yùn)行速率。

目前，變頻器運(yùn)行方式大有代替前兩種運(yùn)行方式的趨勢。

1 刮板輸送機(jī)變頻器系統(tǒng)

以同煤浙能麻家梁煤業(yè)有限責(zé)任公司14402工作面為例，該工作面平均煤層厚度為6 m，一次采全高。采用SGZ1000/3*855型刮板輸送機(jī)，設(shè)計(jì)長度為300 m，煤炭輸送量為2500 t/h，刮板鏈速為1.35 m/s。刮板輸送機(jī)頭部和尾部分別布置2臺(tái)和1臺(tái)855 kW礦用隔爆型高壓變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)。采用兩臺(tái)BPJV-2*855/3.3型變頻器控制電動(dòng)機(jī)。由2臺(tái)連接組別為Dy11d0的KBZSGZY-2500/10/2*1905型礦用隔爆型交流移動(dòng)變電站向變頻器供電。變頻器和移動(dòng)變電站位于設(shè)備列車上，距工作面約230 m，隨工作面的推進(jìn)而移動(dòng)。變頻器系統(tǒng)電路示意圖如圖1所示。

由圖1可以看出，移動(dòng)變電站具有四路電壓輸出，兩路為Y型輸出，兩路為△型輸出，△型輸

出和Y型輸出的相位差為30°，變頻器具有兩路獨(dú)立輸出。移動(dòng)變電站1為變頻器1供電，帶動(dòng)刮板輸送機(jī)尾電機(jī)和機(jī)頭電機(jī)1，移動(dòng)變電站2為變頻器2供電，帶動(dòng)刮板輸送機(jī)頭電機(jī)2。其中，移動(dòng)變電站2和變頻器2的第二路輸出為備用，AC380V輸出為變頻器提供控制電壓。

圖1 變頻器系統(tǒng)電路示意圖

2 變頻器硬件設(shè)計(jì)分析

2.1 主回路設(shè)計(jì)分析

該變頻器為交-直-交電壓源型變頻器。經(jīng)△型輸入電壓和Y型輸入電壓疊加產(chǎn)生交流電壓，再經(jīng)真空交流接觸器到整流單元，轉(zhuǎn)換成直流電，通過濾波單元濾波后，再經(jīng)過功率模塊和控制電路組成的逆變單元將該直流電逆變成為輸出頻率范圍為0～200 Hz可調(diào)的AC3300 V交流電壓。變頻器主電路圖如圖2所示。

圖2 變頻器主電路示意圖

由圖2可以看出，控制單元包括主控器、數(shù)字處理單元、調(diào)制模塊和檢測模塊。主控器是變頻器的控制核心，能夠處理各類信息，并發(fā)出各種控制指令，通過CAN總線與檢測模塊和顯示模塊進(jìn)行通信，可將檢測模塊檢測到的鍵盤動(dòng)作、各種數(shù)字量和模擬連發(fā)的輸入輸出以及溫度信號(hào)反應(yīng)到顯示模塊中，以便人機(jī)交互。

該變頻器采用兩個(gè)數(shù)字處理單元用來控制兩路逆變輸出。數(shù)字處理單元主要接收主控器發(fā)出的控制指令，并驅(qū)動(dòng)調(diào)制模塊以實(shí)現(xiàn)對逆變組IGBT的觸發(fā)，也能接收各個(gè)互感器的檢測反饋信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)過流過壓保護(hù)功能。

變頻器內(nèi)部設(shè)置了12脈沖整流器，12脈沖整流可大大降低變頻器對電網(wǎng)的諧波干擾，而且該整流電壓是兩個(gè)整流器直流電源的疊加。采用疊加方法減小了變頻器的體積。煤礦井下工作空間狹小，此種方法的優(yōu)勢顯得尤為明顯。逆變側(cè)采用了三電平逆變技術(shù)，相比于兩電平逆變技術(shù)，三電平逆變減少了輸出諧波。為了對逆變回路進(jìn)行儲(chǔ)能，降低輸出電壓中的諧波含量以及變頻器在較高開關(guān)頻率下的電壓尖峰值，分別在整流側(cè)和逆變輸出側(cè)加入濾波器，其中直流側(cè)濾波采用薄膜電容，該電容可以直流脈動(dòng)紋波，平滑直流輸出并且具有良好地自恢復(fù)性，使用壽命較長。

2.2 控制回路設(shè)計(jì)分析

為了能夠遠(yuǎn)方控制變頻器啟停，采用KJF21型礦用監(jiān)測控制分站與變頻器連接。變頻器控制電路示意圖如3所示。

圖3 變頻器控制電路示意圖

由圖3可以看出，2臺(tái)變頻器通過CAN總線接口進(jìn)行相互通訊，變頻器1設(shè)置為主變頻器，該變頻器的啟動(dòng)模式為主從模式，帶動(dòng)刮板輸送機(jī)尾和機(jī)頭電機(jī)，其中機(jī)尾電機(jī)為主電機(jī)，機(jī)頭電機(jī)1為從電機(jī)。變頻器2為從變頻器，其啟動(dòng)模式為單機(jī)，帶動(dòng)機(jī)頭電機(jī)2。輸送機(jī)啟動(dòng)時(shí)，主變頻器中的主機(jī)先啟動(dòng)，經(jīng)0.5 s后從機(jī)啟動(dòng)，此時(shí)刮板輸送機(jī)開始低速轉(zhuǎn)動(dòng)，再經(jīng)10 s后從變頻器啟動(dòng)，刮板輸送機(jī)開始加速，直至達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)速。采用機(jī)尾先于機(jī)頭啟動(dòng)的方式主要基于以下兩個(gè)原因：一是為了減小刮板輸送機(jī)啟動(dòng)時(shí)對電網(wǎng)的沖擊；二是為了消除刮板輸送機(jī)底部鏈條出現(xiàn)存鏈而造成鏈條阻卡的可能性。系統(tǒng)采用簡單邏輯先導(dǎo)方式，該啟動(dòng)方式能夠防止電纜短路造成的變頻器誤啟動(dòng)。在先導(dǎo)啟停回路中串入兩個(gè)并聯(lián)二極管是為了提高先導(dǎo)啟動(dòng)回路的可靠性，降低流經(jīng)二極管的電流，降低二極管被燒毀的概率。

2.3 變頻器冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

該變頻器分有整流腔室、逆變腔室1和逆變腔室2。變頻器在工作過程中，各個(gè)功率器件會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，因而采用獨(dú)立冷卻的方式。冷卻水從各自水冷板的下方進(jìn)水，出水口位于水冷板上方。變頻器冷卻系統(tǒng)示意圖如圖4所示。

圖4 變頻器冷卻系統(tǒng)示意圖

由圖4可以看出，冷卻水經(jīng)手動(dòng)閥、過濾器進(jìn)入分水器后，分為三路分別向3個(gè)腔室供水，每一路供水回路有手動(dòng)閥和電動(dòng)球閥，手動(dòng)閥一般處于打開狀態(tài)。溫度傳感器由熱敏電阻構(gòu)成，位于3個(gè)水冷板內(nèi)，電阻值隨水溫變化而變化，變化值通過光纖傳入主控器中，由主控器控制相應(yīng)的電動(dòng)球閥動(dòng)作，以保證各腔室溫度處于正常范圍之內(nèi)，電動(dòng)球閥的開啟動(dòng)作溫度設(shè)置為50℃，關(guān)閉動(dòng)作溫度為30℃。電動(dòng)球閥接線示意圖如圖5所示。

由圖5可以看出，電動(dòng)球閥的供電電壓為DC24 V，當(dāng)溫度超過50℃時(shí)，主控器通過控制相應(yīng)的常開觸點(diǎn)閉合，電動(dòng)球閥打開；當(dāng)溫度值降至30℃時(shí)，主控器控制相應(yīng)常開觸點(diǎn)打開，電動(dòng)球閥關(guān)閉。圖中是整流腔室的電動(dòng)球閥接線示意圖，逆變腔室1和逆變腔室2的電動(dòng)球閥分別連接接線排X22的11、12和17、18接口。

圖5 電動(dòng)球閥接線示意圖

3 變頻器流程設(shè)計(jì)分析

3.1 參數(shù)設(shè)置流程設(shè)計(jì)

為了使變頻器系統(tǒng)的各項(xiàng)保護(hù)功能正常有效地工作，必須對其各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行合理的調(diào)整和設(shè)置。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置流程圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置流程圖

由圖6可以看出，在設(shè)置參數(shù)值之前必須保證變頻器“急停”按鍵按下，以保證變頻器處于停止工作狀態(tài)，隨后可進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)的步驟。首先正確輸入密碼，進(jìn)入?yún)?shù)調(diào)節(jié)界面，之后選擇所要調(diào)節(jié)參數(shù)的類型。數(shù)值型參數(shù)必須在最值范圍內(nèi)設(shè)置，若超出規(guī)定范圍，則參數(shù)不能保存。布爾型參數(shù)通過“上翻”、“下翻”鍵進(jìn)行選擇。最后按“退出”鍵保存設(shè)置的參數(shù)。

3.2 運(yùn)行流程設(shè)計(jì)

為了使變頻器系統(tǒng)正常運(yùn)行，需對運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，系統(tǒng)運(yùn)行流程圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

由圖7可以看出，當(dāng)啟動(dòng)信號(hào)發(fā)出后，變頻器會(huì)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)中是否有內(nèi)部和外部急停，內(nèi)部急停是指變頻器本身急停，外部急停是指KJF21型礦用監(jiān)測控制分站以及分站沿線的急停信號(hào)，如果無急停信號(hào)，則開機(jī)就緒。系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測線路絕緣值，若該值低于100 kΩ，說明電動(dòng)機(jī)或者連接電纜有漏電現(xiàn)象，變頻器不能啟動(dòng)。變頻器整流側(cè)主接觸器閉合后，直流母線電壓會(huì)因電容充電而升高，若該電壓值高于DC5500 V，變頻器停止工作，系統(tǒng)過壓保護(hù)，逆變側(cè)無電壓輸出。當(dāng)變頻器溫度超到75℃時(shí)，變頻器停止工作。

刮板輸送機(jī)啟動(dòng)后，變頻器輸出電壓頻率會(huì)逐漸增大，刮板輸送機(jī)加速運(yùn)轉(zhuǎn)，變頻器開始監(jiān)測電動(dòng)機(jī)是否達(dá)到最大轉(zhuǎn)矩，若超過最大轉(zhuǎn)矩，變頻器停機(jī)保護(hù)。未達(dá)到最大轉(zhuǎn)矩，則刮板輸送機(jī)繼續(xù)加速運(yùn)行。10 s后如果輸送機(jī)未達(dá)到滿速運(yùn)行，則變頻器停機(jī)。刮板輸送機(jī)達(dá)到滿速運(yùn)行后，變頻器繼續(xù)監(jiān)測轉(zhuǎn)矩變化，當(dāng)轉(zhuǎn)矩變化率超過設(shè)定值，說明電機(jī)轉(zhuǎn)矩急劇上升，則認(rèn)為刮板輸送機(jī)發(fā)生斷鏈?zhǔn)鹿剩冾l器停機(jī)保護(hù)。

4 結(jié)語

目前，在刮板輸送機(jī)3種主要啟動(dòng)運(yùn)行方式中，變頻器啟動(dòng)運(yùn)行方式以其傳動(dòng)效率高、啟動(dòng)時(shí)間短、調(diào)速范圍寬和對電網(wǎng)的沖擊小等優(yōu)點(diǎn)，得到了越來越廣泛的應(yīng)用，成為了未來刮板輸送機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行方式的主要發(fā)展方向。變頻器系統(tǒng)首次運(yùn)用到同煤浙能麻家梁煤業(yè)有限責(zé)任公司14402工作面，相比于早期工作面，煤炭產(chǎn)量有了大幅提高。