變頻器在采煤機調控中的應用探析

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、機械結構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，如何采取結構緊湊、體積小、調控節(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，采煤機結構空間的利用更趨于合理，結構布置更加緊湊，便于在狹小空間環(huán)境中使用；二是高轉矩啟動平穩(wěn)。變頻器主要通過采集信號形成對應的調控策略，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逆變橋功率調節(jié)模塊。變頻器內部采用一體化的IGBT逆變橋功率調節(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，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直接轉矩控制的新一代變頻器，可在0.5Hz時產(chǎn)生150%Me轉矩，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，有較大的制動轉矩。其電機側硬件與電源側硬件完全對稱，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，使電源側逆變器工作于逆變狀態(tài)，電能經(jīng)輸入側的回饋逆變橋回饋電網(wǎng)。

三、變頻器在采煤機調控中的實施與應用

（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，其所驅動的電機為主電機，另一臺變頻器為從變頻器，實施轉矩給定控制，其所驅動的電機為從電機，實施轉矩控制。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)電機反饋的轉速、電流信號計算當期電機的轉矩和上位機的速度、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矩控制信號，根據(jù)電機反饋的轉速信號計算當期電機的轉矩和上位機的轉矩控制信號對比，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，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)內進行設定，而靠PLC的強大的邏輯功能以軟件編程的方式，調節(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，由靜止轉往上行，或由下行轉向上行是十分重要的。