煤礦電機應急調速系統研究

杜志超

（同煤集團挖金灣煤業公司， 山西 大同 037042）

引言

在煤炭開采過程中需要應用大量的機電設備，而機電設備的調速系統需要用到變頻器，由于變頻器的維護周期較長，所以一旦變頻器損壞將給煤礦帶來經濟和安全上的巨大損失，因此提出設計一套機電設備的應急調速系統。當機電設備變頻調速器出現故障時，該系統能夠及時切換并替換原來的變頻器，保證電機的正常工作[1]。

1 煤礦電機應急調速系統的功能要求

1）該系統的特點是應急時使用，結構簡單，安裝方便，能適應煤礦開采過程中苛刻環境，包括潮濕、瓦斯防爆、粉塵污染等。

2）煤礦開采過程中使用的電機具有大扭矩、高精度、軟啟動、電機保護等也是該系統應具有的。

3）該系統應具有自動切換和手動切換兩種模式，自動切換是當電機的變頻器發生故障時，該系統能夠自動匹配該電機的參數，并切換控制該電機。手動切換是當電機的變頻器發生故障時，利用手動的方式輸入該電機的參數，并手動切換控制該電機。

4）該系統應具有良好的人機交互界面，能夠對各機電設備的工作狀態進行實時監控，并對數據進行分析[2]。

2 系統方案設計

2.1 系統整體架構設計

電機應急調速系統工作原理為：當機電設備變頻器發生故障時，由應急系統的主控制器啟動應急變頻器，并將故障變頻器中存儲的電機運行參數轉存到應急變頻器中，應急變頻器工作時，主控制器負責對電機的運行狀態進行實時監測，利用PID控制算法保證電機的正常工作[3]。該系統的結構如圖1所示。

圖1 系統總體架構圖

如圖1所示，煤礦機電應急調速系統主要由主控制模塊、切換模塊、變頻器模塊、人機交互模塊、終端監測模塊、報警模塊等構成。

主控制模塊由PLC控制器構成，負責接收監測系統采集到的終端數據并對數據進行分析，包括運行電機的工作參數，變頻器的工作參數等。將采集到的數據分析后，將指令傳達給切換模塊，最終實現對故障電機的準確控制。

變頻模塊主要實現對故障電機的轉速進行控制，主要由變頻器組成。當電機變頻器發生故障時，主控制器PLC首先將故障變頻器停止工作，同時收集故障電機的工作參數傳送到應急變頻器，利用切換模塊使應急變頻器開始工作，保證電機的正常工作，人機交互模塊主要負責對應急調速系統的參數進行設定和輸入，包括該系統中的中央控制器PLC、應急變頻器、應急切換裝置等。

應急切換模塊主要負責當電機變頻器發生故障時，中央控制器負責下達指令給應急切換裝置，實現應急變頻器和故障變頻器之間的工作交接，保證電機的正常運轉。

報警模塊負責當終端監測系統發現電機的工作狀態異常時，報警模型發出信號給中央控制器，保證電機設備及時恢復正常工作。

2.2 變頻器的選型

變頻器作為電機應急調速系統的執行部件，其作用至關重要。變頻器按照變換方式可以分為兩類：交流到交流變頻器和交流到直流再到交流變頻器。交流到交流變頻器的工作方式為將固定頻率的交流電變換為頻率和電壓可調的交流電。交流到直流變頻器的工作方式為，將固定頻率的交流電變換為直流電，然后再將直流電變換為頻率和電壓均可調的交流電。本文主要介紹后一種變頻器[4-5]，其電路如圖2所示。

圖2 變頻器硬件結構

從圖2中可以看出，該變頻器組要部件由整流器、中間濾波器、逆變器等組成。其中整流器負責將三相交流電整流成直流。中間濾波器負責將整流過程中的不穩定電壓過濾掉。逆變器負責將直流電轉變成工作元件需要的交流電。

控制電路主要由運算單元、保護單元、信號檢測單元、速度檢測單元、驅動單元等組成。其中運算單元負責計算逆變器需要的電壓和頻率；信號檢測單元負責檢測系統運行過程中的電壓和電流等；保護單元負責當系統運行過程中出現電壓或電流超載時，斷開相應的開關，保護系統中的用電設備受到損壞。

變頻器的選擇應該依據以下幾個方面：

1）電機的負載情況，主要分為恒轉矩負載和恒功率負載兩種；

2）電動機的額定參數（電流和電壓），決定變頻器額定輸出（頻率、電流和容量）；

3）變頻器的功能和成本等。

根據以上特點，本文決定采用森蘭變頻器，該變頻器具有高精度、大轉矩、多段速、靈活的傳輸接口等特點。

2.3 PLC的選型

PLC作為機電應急調速系統的主控制器，其必須滿足內部和外部兩方面的要求。外部要求，PLC必須在惡劣的環境下保證正常工作；內部要求，PLC能夠實現相對復雜的控制和保證穩定的可靠性等[6]。

可編程控制器主要由中央處理器、存儲器、輸入/輸出接口、電源等部件構成。其結構示意如圖3所示。

其中CPU模塊主要負責對系統信號的接收，存儲并經過控制器的運算，然后發出指令，來實現對運動部件的控制。

圖3 PLC硬件結構

輸入/輸出單元負責接收終端監測裝置采集的終端設備的數字信號并發送可編程控制器下達的指令，并將該指令以電信號的方式傳送給執行機構。

外部接口，其主要負責和執行元件的對接即數據傳輸接口，保證其執行元件的多樣性。

通過以上分析，本文決定選擇西門子品牌的S7-200系列PLC作為本系統的主控制器，它具有結構簡單、工作穩定、操作方面、應用廣泛等優點。

2.4 應急系統的切換裝置

切換裝置是應急調速系統的主要部件，是應急系統能否代替電機中故障的變頻器保證電機正常工作的執行結構。

切換方式常見的主要有冷切換和熱切換。其中冷切換是要求電動機和變頻器都處于停止工作的狀態時才能實現的切換，這種切換要求電機和變頻器之間必須連接有斷路器和接觸器。熱切換又分為硬切換和軟切換兩種模式。硬切換是指把電動機從變頻控制狀態切換到工頻控制方式，這種切換方式容易使變頻器損壞。軟切換是當變頻控制和工頻控制二者之間的頻率達到一致時的一種切換，當二者的頻率不同時切換也會嚴重損壞變頻器。

當出現變頻器故障停機時，可以采用硬切換的方式實現應急變頻器的切入使用，也可以采用改進的硬切換方式進行切入。改進的硬切換方式是指，當電動機變頻器故障時，應先檢測電機感應電動勢的頻率和相位，當變頻器和電動機二者的頻率接近時，將變頻器的輸出相位鎖定，使二者達到相同的頻率。此時將應急變頻器切入同電機連接，最終保證電機由故障到正常工作的平穩過渡。

3 結語

通過建立煤礦電機應急調速系統，對煤礦電機的工作狀態進行監測。通過對電機中變頻器維修周期長等因素的分析，提出該系統的建立，主要做了以下工作：

1）對煤礦機電應急調速系統的功能需求和整體結構進行分析；

2）對煤礦電機應急調速系統各個控制模塊進行功能需求分析及硬件選型等。