變頻器在西銘礦48705工作面中的應用

劉海濱

（西山煤電股份有限公司西銘礦， 山西 太原 030052）

1 西銘礦工作面情況

西銘礦是山西焦煤西山煤電集團股份有限公司的主力生產礦井，于1956年建成，經過三次技術改造年設計生產能力360萬t，屬高瓦斯礦井。礦井采用走向階梯平峒開拓，各盤區距離井口距離較遠、各工作面運輸距離長。

48705工作面井下位于北七采區左翼，東為48703掘進工作面，南為北七左翼回風巷，西為48707工作面采空區，北為隨老母斷層。該面上覆2號煤已回采，切眼附近2號煤為小窯所采，3號煤不可采，工作面中南部3號煤層內有廢棄巷道。48705皮帶巷長1836m，單軌吊巷長1709m。傳統的軟啟動無法實現長距離穩定運輸，保證不了采煤隊組正常生產，故選用西山機電廠兩臺BPJ1-400/1140G三電平兩象限VF變頻器，以此來保證礦井正常生產、運輸需求。

2 西銘礦工作面變頻器介紹

西銘礦前幾個工作面選用兩電平（正、負電平）、兩象限（電動）變頻器。本次選擇的西山機電廠變頻器，選用現今較為流行的三電平（正、零、負電平）、四象限（第一象限為正傳電動狀態；第二象限為回饋制動狀態；第三象限為反轉電動狀；第四象限為反接制動狀態）。兩電平和三電平的對比：

1）損耗計算：每個開關運行周期中，原使用的變頻器輸出兩電平為負、正電平。現使用三電平輸出為正、零、負電平，因此兩電平拓撲損耗較高。

2）輸出諧波：使用三電平變頻器配以電抗器輸出電平臺階越多，波形越趨近于正弦波帶出的諧波越少，系統性能得以提升。

3）器件耐壓：由于三電平較兩電平每組中各多使用了一塊IGBT模塊，三電平中變頻開關承受的直流母線電壓為直流側母線電壓的一半（1/2UDC），兩電平變頻器則為全部直流母線電壓（UDC）。

4）三電平在無負載的情況下降低了能耗和開關頻率，減少了開關損耗，節約了電能。CM3000系列防爆變頻器是防爆行業專用型變頻機芯（文中統稱為變頻器），西銘礦使用的是1 140 V電壓等級，最大輸出功率可達750 kW。產品具有完善的過溫、過流、過壓的保護技術，具備低噪聲、低諧波污染、高功率因數等特點，與導熱管、防爆殼、散熱風機組成高品質、高性能集成度的防爆變頻一體機。采用了豐富的控制方式：速度傳感器矢量控制、無速度傳感器矢量控制、V/F控制，還支持V/F分離控制。用戶可以用梯形圖等方式進行程序編寫存儲到MD38PC1用戶可編程卡，與西門子S7-200PLC連接實現用戶二次開發功能，出現特殊故障時可以通過改寫程序實現簡化。

3 CM3000為控制核心的變頻器介紹

3.1 變頻器的起停控制

變頻器的起停控制命令有3種控制方式，分別是面板控制（近控）、端子控制（遠控）、通訊控制（RS485），通過功能參數F0-02選擇，如表1所示。

1）面板起停控制。通過鍵盤操作，使用功能碼F0-02=0，即為操作面板起停控制方式，按下鍵盤上RUN（運行）鍵，變頻器即開始運行（RUN指示燈會點亮）；在變頻器運行的狀態下，按下鍵盤上STOP（停止）鍵，變頻器即停止運行（RUN指示燈會熄滅）。

表1 變頻器啟動通道設置

2）端子起停控制。端子起停控制方式適合井下遠距離啟動停止的場合，主從機通過端子排X1上面的7、8、9段子相互連接，通過X2端子排上D28和D32實現主機起動主機、主機的X2端子排E10、E11、E12、D28與從機的 D50（D53/D57并接）、D54、D52、D58連接實現設備的遠程控制。CM3000變頻器提供了多種端子控制方式，通過功能碼F4-11確定開關信號模式、功能碼F4-00～F4-09確定起停控制信號的輸入端口。

3）通訊起停控制。上位機以通訊方式控制變頻器運行的應用已愈來愈多，如通過RS485、Profibus-DP，CANlink，CANopen 等網絡，都可以和CM3000變頻器進行通訊，用戶可編程卡與CM3000之間也是采用通訊方式進行數據交換的。在變頻器多功能擴展口上，插入相應的通訊接口卡，并將控制命令方式選為通訊方式RS485（F0-02=2），就可以使通訊方式RS485控制變頻器的起停運行了。

3.2 變頻器之間的通訊

CM3000變頻器之間兩臺通訊采用了CANlink來實現（見圖1），用來實現一臺主機根據自身頻率或轉矩信號對兩臺從機目標頻率和目標轉矩的給定。

圖1 變頻器串行通訊的使用

PLC與變頻器通訊控制。CM3000變頻器提供RS485通訊接口，并支持Modbus-RTU從站通訊協議。通過PLC實現集中控制并通過該通訊協議設定變頻器運行命令，修改或讀取功能碼參數，讀取變頻器的工作狀態及故障信息等。

3.3 變頻器的外圍控制與聯機通訊

在井下遠距離輸送過程中，往往面臨著環境復雜的情況，對線路、設備干擾大的挑戰，為了提高變頻器在現場供電的穩定性，設備以西門子S7-200PLC為核心，使用通信電纜，利用屏蔽層將外界多余的干擾屏蔽掉，達到信號傳輸的功能，提高了系統工作的穩定性。主機和從機之間的通訊可采用Profibus總線技術，通過在變頻控制系統的通訊網絡中采用一根光纖總線就可以實現主從機之間的通訊。所以，該電器控制系統的主機和控制臺之間通過光纖進行數據傳輸，可以大大減少外界干擾對信號的影響，保證數據信號傳輸的可靠性。

3.4 變頻器冷卻技術

變頻器采用了風冷冷卻技術，利用井下環境溫度低的特點，采用了兩臺2.5 kW冷卻風機同時工作，將風量直吹入設備機身內部冷卻系統，熱量通過機身后面的導熱管排出，保證了變頻器長時間的穩定工作。

3.5 兩電平與三電平的應用對比

1）三電平逆變器與傳統的兩電平逆變器相比增加了一個“零電平”，使變頻器可在更平穩的運行狀態下啟停，可實現高低頻率平穩切換，增加了設備運行的可靠性。

2）兩電平的元器件具有2倍的正向阻斷電壓能力，并能有效抑制諧波和降低開關使用頻率，從而使系統機械損耗減小，使電動機等低壓用電設備應用更廣泛。

3）三電平可以降低開關頻率，較少開關損耗。

4 控制端子說明

變頻器的啟停、外部接線都是通過端子來實現控制，具體端子控制說明如表2所示。

表2 變頻器端子控制說明

5 電纜布線要求

電纜布線要求如圖2所示。

圖2 變頻器接線示意圖

6 結語

近年來，高壓整流、濾波、逆變（IGBT）等新型器件的發展使PWM逆變器在工業應用中成本逐漸降低的同時，性能也得到改善。傳統兩電平變頻器正逐漸被使用IGBT的三電平PWM逆變器所取代，隨著抑制諧波、減少電磁污染在輸入、輸出電抗器變頻終點的應用，三電平逆變器方案必將得到廣泛的應用。通過三電平變頻器在生產運輸系統中的應用，提高了西銘礦的運輸能力，提高了運輸效率，大大降低了事故維護率，彌補了西銘礦在機電維護中的短板。