變頻器系統(tǒng)在電牽引采煤機(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 朔州036000）

采煤機(jī)是綜采工作面生產(chǎn)系統(tǒng)中的重要組成部分，其工作效率的高低直接影響到煤炭的產(chǎn)量[1]。如何有效牽引采煤機(jī)，使其安全穩(wěn)定行走，是提高采煤機(jī)工作效率的重要環(huán)節(jié)。目前，采煤機(jī)主要有液壓牽引和電牽引2 種牽引方式[2-3]。但液壓牽引存在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、維修困難、傳動(dòng)效率不高、反應(yīng)速度較慢和無法進(jìn)行平滑調(diào)速的缺點(diǎn)，而電牽引不存在這些問題。因此，電牽引成為了現(xiàn)階段采煤機(jī)牽引方式的主要研究課題[4-5]。變頻器因其功耗低、設(shè)備使用壽命長和可實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于采煤機(jī)中。以同煤浙能麻家梁煤業(yè)有限責(zé)任公司14204 綜放采煤工作面為例，該工作面長度為250 m，煤層平均厚度為8 m，布置前部刮板輸送機(jī)和后部刮板輸送機(jī)，其中，前部刮板輸送機(jī)煤炭輸送量為2 500 t/h。采用德國艾柯夫SL500 型采煤機(jī)進(jìn)行采煤，采高為2.3～4.5 m，該采煤機(jī)采用雙電機(jī)牽引，單電機(jī)功率為90 kW，供電電壓可在529～368 VAC 范圍內(nèi)變動(dòng)，輸入容量為120 kVA，額定電流為150 A。可在頻率為0～120 Hz 的范圍實(shí)現(xiàn)平滑無極調(diào)速。當(dāng)脈沖頻率調(diào)整到2 kHz 時(shí)，輸出電流因電機(jī)電感的濾波效果而達(dá)到最佳狀態(tài)，此時(shí)變頻器的輸出電流波形脈動(dòng)最小，幾乎為正弦波。

1 變頻器系統(tǒng)電路

1.1 變頻器電源

變頻器能使輸出電壓和頻率的關(guān)系保持不變。在達(dá)到額定轉(zhuǎn)速前，電機(jī)中的磁通量基本保持恒定，因而能以恒定轉(zhuǎn)矩運(yùn)行。當(dāng)超過額定轉(zhuǎn)速后，電壓保持不變，電機(jī)中的磁通量隨著輸出頻率的增加而降低，因而功率保持穩(wěn)定。此變頻器采用交-直-交變頻方式[6]。變頻器電源部分電路結(jié)構(gòu)圖如圖1。

圖1 中，a 為電抗器，其作用是隔離電網(wǎng)中的高次諧波，提高供電電能質(zhì)量，以減輕對IGBT 和電解電容的干擾。b 為預(yù)充電單元，在變頻器啟動(dòng)的過程中，為了避免啟動(dòng)電流過大燒毀熔斷器而造成變頻器損壞，先將預(yù)充電單元中的限流電阻接入整流電路電源側(cè)，以減小電路中的充電電流。隨后，整流電路d 工作，該整流電路為三相橋式全控整流電路，與不控整流電路相比，全控整流可以完全避免同一橋臂導(dǎo)通而造成短路的危險(xiǎn)性，從而大大提高整流電路的安全性與穩(wěn)定性。中間電容e 位于直流側(cè)，在預(yù)充電單元接通后對中間電容進(jìn)行充電。當(dāng)電容兩側(cè)電壓增大到300 V 時(shí)，充電電流就會(huì)大幅降低，預(yù)充電單元輔助接觸器斷開，預(yù)充電過程結(jié)束，主接觸器同時(shí)c 閉合，繼續(xù)不間斷向中間電容電路e 充電，此電路不僅能在整流電路和三相橋式逆變電路f 中起隔離作用，而且可以為電路f 提供1 個(gè)穩(wěn)定的直流電壓。當(dāng)充電電容兩側(cè)電壓大于690 VDC 時(shí)，整流電路d 中的IGBT 在控制電路的作用下完全關(guān)斷，停止充電，以防止充電電容過度充電放電而造成電氣器件的損壞。

圖1 變頻器電源部分電路結(jié)構(gòu)圖

1.2 變頻器控制

變頻器控制部分可以對變頻器的整流和逆變過程進(jìn)行控制，以及對運(yùn)行工況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，變頻器控制電路結(jié)構(gòu)圖如圖2。

圖2 變頻器控制電路結(jié)構(gòu)圖

圖2 中，控制電路可通過控制單元驅(qū)動(dòng)PWM模塊，進(jìn)而控制驅(qū)動(dòng)器，觸發(fā)整流和逆變電路中的IGBT，以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)頻率和電壓的功能，編碼器控制模塊可以檢測牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以判斷其是否達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速，并將速度信息傳至控制模塊，由控制模塊控制PWM 控制器的脈沖寬度和頻率，從而改變逆變單元IGBT 的觸發(fā)角，以達(dá)到控制牽引速度的目的。監(jiān)測模塊可監(jiān)控電路中逆變側(cè)驅(qū)動(dòng)器的工作狀態(tài)和中間電容的電壓，并將此信息發(fā)送至開關(guān)控制模塊，控制預(yù)充電單元中輔助接觸器和主接觸器的開斷，避免發(fā)生熔斷器故障，同時(shí)監(jiān)測開關(guān)控制模塊狀態(tài)。開關(guān)控制模塊可觸發(fā)和收集模擬、數(shù)字信號(hào)，例如溫度信號(hào)、電壓信號(hào)或各電機(jī)的啟停信號(hào)等，同時(shí)也能控制PWM 控制器的開啟與停止。

因?yàn)椴擅簷C(jī)具有2 臺(tái)牽引電機(jī)，分為左牽引電機(jī)和右牽引電機(jī)，因而有2 套變頻牽引系統(tǒng)，工控機(jī)可以改變自動(dòng)尋址模塊內(nèi)部觸點(diǎn)狀態(tài)，監(jiān)測各自變頻器的狀態(tài)，變頻器通信示意圖如圖3，當(dāng)內(nèi)部觸點(diǎn)A40*1 打開時(shí)，左變頻器在位置1，此時(shí)，以左變頻器為主變頻器，當(dāng)內(nèi)部觸點(diǎn)A50*1 打開時(shí)，左變頻器在位置2，此時(shí)左變頻器為從變頻器。

圖3 變頻器通信示意圖

圖3 中，左變頻器為主變頻器，其啟動(dòng)方式為主從方式[7]，即左變頻器先啟動(dòng)，0.5 s 后右變頻器啟動(dòng)，此種啟動(dòng)方式可以降低啟動(dòng)電流，減小對電網(wǎng)的沖擊，同時(shí)也減小了采煤機(jī)主變壓器進(jìn)線電流，保證了該變壓器的穩(wěn)定運(yùn)行。2 個(gè)變頻器通過串行接口進(jìn)行通信，另接1 組光纖電纜，主要用來平衡2 個(gè)變頻器的功率和負(fù)荷，使采煤機(jī)穩(wěn)定牽引。工控機(jī)與變頻器通過串行接口實(shí)現(xiàn)連續(xù)通信，實(shí)現(xiàn)工控機(jī)發(fā)出的各項(xiàng)指令。同時(shí)，工控機(jī)通過該接口實(shí)時(shí)顯示采煤機(jī)位置和當(dāng)前速度值，以便人機(jī)交互。

2 變頻器系統(tǒng)保護(hù)

為保證變頻器系統(tǒng)能夠安全有效工作，設(shè)計(jì)了牽引電機(jī)溫度保護(hù)和接地監(jiān)測保護(hù)系統(tǒng)。變頻器保護(hù)系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)圖如圖4。

2.1 溫度保護(hù)

圖4 中，牽引電機(jī)繞組線圈內(nèi)部預(yù)先埋入PTC、PT100 溫度傳感器。當(dāng)電機(jī)溫度升高，PTC 傳感器電阻發(fā)生變化，該變化值通過信號(hào)濾波模塊傳入PTC跳閘繼電器模塊，若溫度大于設(shè)定值80℃時(shí)，該模塊啟動(dòng)，使相應(yīng)常開觸點(diǎn)閉合，此閉合信號(hào)為數(shù)字輸入信號(hào)，通過數(shù)字信號(hào)輸入通道，傳入開關(guān)控制模塊，變頻器停止工作，實(shí)現(xiàn)牽引電機(jī)停機(jī)，當(dāng)溫度值恢復(fù)到正常值40℃后，方可重新啟動(dòng)變頻器。PT100溫度傳感器可通過濾波模塊，實(shí)時(shí)將輸出的模擬信號(hào)傳入伺服機(jī)，伺服機(jī)將該信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理后，經(jīng)過CAN 總線與工控機(jī)通信[8]，實(shí)時(shí)顯示電機(jī)溫度值。

圖4 變頻器保護(hù)系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)圖

2.2 接地保護(hù)

為了保證采煤機(jī)附近工作人員的人身安全，防止因牽引電機(jī)或者連接電纜絕緣降低發(fā)生漏電故障，而將接地保護(hù)裝置加入其中[9]。在牽引電機(jī)啟動(dòng)前，系統(tǒng)不間斷監(jiān)測牽引電機(jī)或線路絕緣狀態(tài)，該接地保護(hù)采用附加直流電源方式，當(dāng)絕緣電阻降到0.5 MΩ 時(shí)，接地跳閘繼電器啟動(dòng)，使相應(yīng)的常開觸點(diǎn)閉合，并通過數(shù)字輸入通道傳入開關(guān)控制模塊，系統(tǒng)能夠在0.5 s 內(nèi)跳閘，及時(shí)切斷變頻器電源。待漏電故障處理后，絕緣值恢復(fù)到正常值，常開觸點(diǎn)打開，變頻器系統(tǒng)方可啟動(dòng)。系統(tǒng)具有接地監(jiān)測試驗(yàn)功能，此功能進(jìn)行測試時(shí)，牽引電機(jī)必須處于停止?fàn)恳臓顟B(tài)。在牽引電機(jī)停止工作后，工作人員操作診斷器，通過工控機(jī)進(jìn)行人機(jī)交互，使A2K1 繼電器使能，繼電器得電，A2K1 常開觸點(diǎn)閉合，接地故障監(jiān)測模塊和牽引電機(jī)通過接地電阻接地，此時(shí)相當(dāng)于牽引電機(jī)相線處于接地狀態(tài)，接地跳閘繼電器啟動(dòng)，系統(tǒng)跳閘。

3 采煤機(jī)牽引速度的自動(dòng)調(diào)整

為了使采煤機(jī)采煤效率達(dá)到最佳狀態(tài)，在自動(dòng)采煤方式下，可以通過前部刮板輸送機(jī)的負(fù)載情況來自動(dòng)調(diào)節(jié)采煤機(jī)運(yùn)行速度[10]。前部刮板輸送機(jī)的負(fù)載情況可根據(jù)前部刮板輸送機(jī)電機(jī)的電流信號(hào)體現(xiàn)，通過將控制前部刮板輸送機(jī)組合開關(guān)中的電流互感器輸出的4～20 mA 電流信號(hào)，對應(yīng)于前部刮板輸送機(jī)功率百分比的0～200%，電流互感器電流信號(hào)可接入設(shè)置在順槽端的配電箱中，配電箱對此電流信號(hào)進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)換，通過動(dòng)力電纜控制芯線與工控機(jī)通信，工控機(jī)根據(jù)配電箱發(fā)出的信號(hào)對采煤機(jī)速度值進(jìn)行調(diào)整。前部刮板輸送機(jī)負(fù)載與采煤機(jī)運(yùn)行速度的對比圖如圖5。

圖5 前部刮板輸送機(jī)負(fù)荷與采煤機(jī)牽引速度對比圖

圖5 中，情況1 是指前部刮板輸送機(jī)處于運(yùn)力提升階段，從0 負(fù)荷直至額定負(fù)荷的70%，此時(shí)，采煤機(jī)處于階段a，即采煤機(jī)牽引速度不斷提高，最后達(dá)到100%全速運(yùn)行，以提高前部刮板輸送機(jī)的裝載量；情況2 是指前部刮板輸送機(jī)機(jī)道上方出現(xiàn)頂板塌落或遇到斷層、片幫，前部刮板輸送機(jī)負(fù)載增加到額定負(fù)荷的90%，采煤機(jī)隨即進(jìn)入階段b，牽引速度降低至設(shè)定值的80%，減少煤炭裝載，調(diào)整至與前部刮板輸送機(jī)運(yùn)量相匹配；情況3 是指前部刮板輸送機(jī)處于失速停機(jī)狀態(tài)，已達(dá)到額定負(fù)荷的200%，此時(shí)，可能出現(xiàn)卡鏈或斷鏈故障，而采煤機(jī)迅速調(diào)整至階段c，降低至原來牽引速度的50%，直至階段d 停機(jī)，以減少前部刮板輸送機(jī)機(jī)道中的煤炭量，為工作人員處理故障提供方便。

4 變頻器系統(tǒng)控制流程

變頻器系統(tǒng)控制流程圖如圖6。

變頻器系統(tǒng)在接收到啟車信號(hào)后，首先監(jiān)測是否有停車信號(hào)，如果停車信號(hào)發(fā)出，則系統(tǒng)停止工作，牽引電機(jī)停止?fàn)恳Ｍ＼囆盘?hào)有2 種，1 種是指通過有線指令器或者無線指令器發(fā)出的停車信號(hào)；另1 種是指通過采煤機(jī)身上的停止?fàn)恳粹o或者急停拉線開關(guān)發(fā)出的停車信號(hào)，此種停車信號(hào)是在緊急情況下采取的制動(dòng)措施。當(dāng)系統(tǒng)絕緣值正常，供電電壓值在允許范圍內(nèi)，電容充電電壓值在690 VDC 內(nèi)，并且牽引電機(jī)溫度值在80℃內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)方可啟動(dòng)，牽引電機(jī)開始加速運(yùn)轉(zhuǎn)，直至牽引速度達(dá)到設(shè)定值后，采煤機(jī)開始勻速運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)2 個(gè)變頻器系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩差值超過50%時(shí)，則視為2 個(gè)牽引電機(jī)轉(zhuǎn)矩不平衡，系統(tǒng)通過光纖電纜進(jìn)行通信，增加牽引力較小的牽引電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，以平衡2 個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)矩，而達(dá)到2 個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行的效果，使采煤機(jī)平穩(wěn)牽引。

牽引電機(jī)達(dá)到極限轉(zhuǎn)矩是指在牽引運(yùn)行過程中，因前方有大塊矸石或其他原因造成采煤機(jī)忽然停止?fàn)恳瑺恳姍C(jī)堵轉(zhuǎn)，在此情況下，變頻器系統(tǒng)立即停止工作，以防止變頻器或牽引電機(jī)因電流過大而燒毀。

圖6 變頻器系統(tǒng)控制流程圖

5 結(jié) 語

基于變頻器系統(tǒng)的電牽引采煤機(jī)，因其傳動(dòng)效率高、反應(yīng)速度快、故障率低、維修方便和操作簡單的優(yōu)點(diǎn)，在同煤浙能麻家梁煤業(yè)有限責(zé)任公司得到了很好地應(yīng)用，該采煤機(jī)可以在0～6 m/min 區(qū)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，操作人員可實(shí)時(shí)對牽引速度進(jìn)行調(diào)整，也可采用自動(dòng)化采煤方式根據(jù)采煤工作面情況進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，并且該變頻器系統(tǒng)保護(hù)系統(tǒng)比較完善，設(shè)計(jì)合理，穩(wěn)定性較高，因而減少了人員投入，生產(chǎn)效率有了很大的提高，平均日產(chǎn)量為2.1 萬t。