煤礦綜采工作面泵站變頻控制系統問題分析及處理

石 珂

（晉能控股集團長治三元中能煤業有限公司， 山西 長治 046600）

引言

煤礦井下綜采工作面環境復雜，生產過程中配套的大功率綜采設備負荷處于頻繁波動的狀態，導致工作效率偏低，影響了礦井高產高效安全運行。變頻器憑借其優良的性能在煤礦企業得到越來越廣泛的應用，由于變頻器的啟動、運行和停止產生的電磁干擾信號，對其他設備的控制系統也產生了嚴重的影響[1-3]。煤礦井下綜采工作面配套泵站變頻器產生的干擾信號，嚴重影響了“三機”CST 控制系統的運行，在生產過程中運輸機頻繁啟停。針對該問題本文對變頻器多個方面影響因素進行綜合分析，從而制定出切實可行的解決方案，保證綜采工作面泵站系統正常運行。

1 設備概況

1.1 泵站變頻系統分析

研究的綜采工作面的泵站系統選用華夏天信BPQJ-（1555、60）/1140 礦用隔爆兼本質安全型組合變頻啟動器，控制泵站系統中乳化液泵的啟動、停止和運行。該變頻器具備3 個獨立的500 kW 變頻輸出回路和10 個工頻輸出回路。3 個獨立的500 kW 變頻輸出回路為二象限運行方式，應用于500 kW/1 140 V及以下三相交流電動機的變頻調速控制，可對3 臺及以下電動機進行變頻調速控制；泵站系統中的工頻回路用于對不需要調速的設備進行控制，如冷卻風機、減速器油箱泵等。另外，工頻回路作為變頻回路的冗余回路，當變頻回路故障時，為不影響綜采工作面的生產，控制系統會直接切換致工頻回路保證泵站系統連續、平穩運行。在該泵站系統中，配置有Modbus RTU、Modbus TCP、CAN 總線以及以太網通訊接口，可與煤礦井下工業環網互聯，并進行數據交互。綜采工作面泵站系統的變頻器電氣系統組成框圖如圖1 所示，主要由變頻主回路、工頻輔助供電回路、控制單元、檢測模塊、顯示單元、矩陣鍵盤、輔助電源回路及其他外圍電路組成，其中變頻主回路為交-直-交、電壓源型變頻器。輸入電源Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ三路1 140 V/50 Hz 三相交流電源經隔離開關、接觸器后作為變頻回路的輸入，經變頻器內部整流、濾波、逆變后輸出頻率可調的交流電，對綜采工作面泵站系統電動機進行變頻控制。

圖1 綜采工作面泵站系統變頻器電氣系統組成框圖

1.2 CST 控制系統簡介

綜采工作面刮板輸送機的控制部分采用CST 控制系統，其工作原理為CST 控制系統通過控制動、靜摩擦片之間的壓力對電動機啟停進行控制并達到調速的目的，壓力為零時，刮板輸送機停止；壓力為非零時，刮板輸送機啟動，且運行速度與壓力的大小存在一定的曲線關系，壓力最大時，刮板輸送機的運行速度達到最大。CST 控制系統的基本原理可表述為式（1）：

式中：M 為CST 控制系統傳遞扭矩，N·m；i 為動、靜摩擦片的個數；R 為摩擦片外徑，m；r 為摩擦片內徑，m；μ 為CST 控制系統中液體的動力黏度，Pa·s；h 為主、從摩擦片之間的間隙，m；ω1為主離合片的角速度，rad/s。在同一CST 控制系統中，i、μ、R、r 為定值，則根據式（1），ω1恒定時，CST 控制系統的輸出扭矩與h 為線性函數關系。

采用CST 驅動方式啟動電動機時，空載啟動，輸出軸不動，當電動機的轉速達到額定轉速后，接入負載，通過液壓控制系統，實現所控制電動機的軟啟動[4-5]。以CST 驅動方式的優點是有過載保護功能，可有限實現刮板輸送機多電動機功率平衡問題，能夠降低啟動電流過大而造成的對電網的沖擊。缺點一是與該驅動裝置配套的液壓系統較為復雜，易發生油液泄漏故障；二是由于制動、靜摩擦片的機械損耗問題，CST 控制系統的使用次數受限，且在使用過程中發熱現象嚴重，傳動效率低；三是刮板輸送機CST 控制系統最佳調速范圍為30%～70%；四是耗能較大、節能效果差、工程量大且占地面積大[6-7]。

2 干擾問題原因分析

泵站系統組合變頻器啟動過程中干擾CST 通信，從CST 操作箱的數據監測上看，變頻器在單機運行時，數據丟包現象只發生在設備啟動瞬間，不影響CST 通信。變頻器雙機運行時，CST 通信會在變頻器充電、啟動、降速時，出現通信丟包的現象，嚴重時會造成CST 通信超時停機[8]。經現場數據采集并分析，組合變頻器啟動引起的CST 通信故障主要有以下4種原因：

1）接地系統不完善或不合理：變頻器以及屏蔽器的接地線應與大地連接，還需考慮接地線與其他動力線分離并保持安全距離，并盡量降低接地端子的電阻，達到更好的接地效果。連接線接地時，還必須考慮數字地、電源地以及模擬地，以降低共模干擾。

2）線路布置不合理：對變頻器外部接線實際調研發現，部分電線的排布和連接不合理。輸出信號線經盡量短，且采用具備雙絞、有屏蔽層的線纜，并實現控制回路與電源回路的隔離。

3）變頻器運行參數設置不合理：變頻器運行時的關鍵參數有轉矩提升百分比、加速時間、減速時間、上限頻率、下限頻率等。需變頻器與所控制電動機進行連接，并讓變頻器學習電動機運行參數，以此作為變頻器參數設置的基本依據，并根據實際情況進行微調。

4）變頻器通信電纜有破損或不接地現象：通信電纜的屏蔽層不接地，在實際通訊過程中會發生通信時斷時續或者通訊不穩定的突發現象。

3 干擾問題具體處理

為防止泵站變頻器干擾刮板輸送機CST 控制系統，保證CST 控制系統安全、穩定、連續運行，在分析生產實踐中發生的引起CST 控制系統通信故障的原因的基礎上，給出干擾問題的具體對策，具體如下：

1）優化接地系統，將變頻器的接地和主接地分開，CST 控制箱做可靠接地，CST 供電的組合開關做可靠接地。整改后，CST 控制系統的丟包現象未明顯改善。

2）優化并合理布線，將CST 控制系統的通信和其他電纜成束綁扎后，吊在電纜勾上，將CST 的通信線與其他線分開，并單獨敷設。整改后，CST 控制系統的丟包率下降，刮板輸送機加速過程中丟包率依然居高不下。

3）學習并優化變頻器運行參數，將原變頻器加速時間60 s 修改為15 s，減速時間不變。整改后，CST 控制系統的丟包率明顯下降。經統計，CST 控制系統長時間運行，丟包個數僅為2～3 個。

4）將破損的屏蔽電纜的重新包扎處理，電纜接口清理緊固并重新固定。整改后，效果不明顯。

變頻器系統以及CST 控制系統做上述處理后并長時間運行后，再次出現變頻器干擾CST 控制系統的現象，處理步驟如下：

1）經檢查發現，部分通信線和動力線沒有徹底分開，將沒能徹底分開的通信線，用帶有屏蔽層的管子套起來，讓其和動力電纜可靠的分開。整改后，CST 控制系統影響停機率明顯下降。

2）優化變頻器調速范圍參數，控制變頻器運行于第一、第三象限。整改后，CST 控制系統影響停機的現象不再發生。

4 結語

變頻器具有調速范圍廣、精度高、節能效果明顯等優點，在礦山企業設備中得到廣泛應用，但在變頻器實際應用中，電磁干擾是無法回避的問題，甚至會影響煤礦機電設備的正常運行。分析了綜采工作面泵站變頻器電磁干擾產生的原因，以綜采工作面配套泵站變頻器產生的干擾信號，以及“三機”CST 控制系統的運行為出發點，對干擾原因做針對性處理，達到了較好的效果，保證“三機”CST 控制系統安全、連續、穩定運行。