變頻器調(diào)速裝置抗干擾系統(tǒng)的優(yōu)化研究

任志杰

（山西焦煤霍州煤電龐龐塔煤礦，山西 呂梁 033200）

龐龐塔煤礦井下一采區(qū)運煤系統(tǒng)所使用的輸送機為DTL140/220/3×560X 型，正常運行時的帶速為3.2 m/s。為了提高輸送機系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和經(jīng)濟型，其傳動系統(tǒng)采用了BPJ1-2×630/1140 型變頻器控制驅(qū)動，能夠根據(jù)輸送帶上的物料負載情況靈活地調(diào)整輸送機的運行帶速，在保證物料運輸需求的情況下最大限度地提高物料運行經(jīng)濟性。由于在運行時變頻器調(diào)速裝置的輸出波形是通過正弦脈寬調(diào)試技術(shù)[1]來實現(xiàn)的，且井下有較為復(fù)雜的電磁干擾環(huán)境，導(dǎo)致變頻器的變頻調(diào)速裝置在進行調(diào)控時極易受到電磁干擾，嚴重影響了輸送機運行的調(diào)節(jié)效率和精確性。

針對目前變頻器調(diào)速控制系統(tǒng)的不足，項目組對變頻調(diào)速控制理論進行了研究，提出了一種新的變頻器抗干擾調(diào)速控制系統(tǒng)，將抗干擾性極強的IGBT 作為了系統(tǒng)的開關(guān)器，并對電磁環(huán)境下的控制信號進行改進，提高變頻器在不同環(huán)境下的抗干擾性。

1 變頻器抗干擾調(diào)速控制系統(tǒng)

結(jié)合變頻器的變頻調(diào)速原理，本文所提出的變頻器抗干擾調(diào)速控制系統(tǒng)主要包括控制裝置、監(jiān)控主站及監(jiān)控平臺三個部分。控制裝置主要是接收監(jiān)控主站的控制指令，快速準確實施調(diào)速控制指令；監(jiān)控主站主要是接收監(jiān)控平臺傳送的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行分析處理，并向控制裝置發(fā)送各類監(jiān)測控制指令；監(jiān)控平臺主要是用于對輸送機運行狀態(tài)及變頻器運行控制狀態(tài)進行監(jiān)控，并向監(jiān)控主站發(fā)送監(jiān)控數(shù)據(jù)。

該抗干擾調(diào)速控制系統(tǒng)的硬件部分主要由UPS接口電路、數(shù)據(jù)處理器、驅(qū)動模塊、轉(zhuǎn)換接口等構(gòu)成，模塊化程度高，其硬件控制結(jié)構(gòu)如圖1[2]。

圖1 抗干擾調(diào)速控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

該抗干擾調(diào)速系統(tǒng)有以下優(yōu)點：（1）采用了低能耗、高性能的AT89C51ED2 型數(shù)據(jù)處理器，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的快速讀取和寫入；能夠反復(fù)拭處256byte 的隨機存儲數(shù)據(jù)[3]，為快速鏈接外部數(shù)據(jù)模塊進行數(shù)據(jù)處理分析提供了基礎(chǔ)；該數(shù)據(jù)處理器采用了雙屏蔽抗干擾技術(shù)，能夠滿足井下復(fù)雜電磁環(huán)境下的使用要求；（2）采用了多組UPS 放電維護電路接口，能夠?qū)PS 電源直接和數(shù)據(jù)主機連接，利用變頻器逆變電路將直流電源轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的交流電源，從而提高了在復(fù)雜電磁環(huán)境下變頻調(diào)速的精確性。

該抗干擾調(diào)速系統(tǒng)的主控電路如圖2[4]。

圖2 抗干擾調(diào)速控制系統(tǒng)控制電路示意圖

由圖2 可知，在系統(tǒng)得電時，由整流電路將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，同時主控單元對電壓、溫度、電池電量等數(shù)據(jù)進行監(jiān)測和分析。若滿足放電要求，則控制S2 閉合，逆變電路將其轉(zhuǎn)換為交流電輸出，同時控制S1 閉合，為電池充電；若不滿足放電要求，則只控制S1 閉合，給電池充電。當主控電源檢測到滿足放電要求時，則控制S2 閉合，輸出電壓。此過程保證了系統(tǒng)放電的穩(wěn)定性，避免因為放電不足導(dǎo)致的調(diào)節(jié)誤差。

為了進一步降低系統(tǒng)對數(shù)據(jù)信息的收集偏差，系統(tǒng)采集到各類數(shù)據(jù)信息后首先進行信號轉(zhuǎn)換處理，通過數(shù)據(jù)通信接口將其傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理器內(nèi)，經(jīng)過分析處理后將其輸出，滿足變頻器調(diào)控需求。由于RS485 標準的信號傳輸具有抗干擾性強的優(yōu)點，因此也可以保證信號的精準傳輸。

2 數(shù)據(jù)采集模塊控制優(yōu)化

通過對煤礦上原有數(shù)據(jù)采集模塊進行分析可知，其數(shù)據(jù)采集芯片為單通道轉(zhuǎn)換器[5]，數(shù)據(jù)傳輸能力受到了極大的限制，導(dǎo)致實際應(yīng)用過程中的數(shù)據(jù)分析延遲率高，影響了調(diào)速控制的精確性。本文提出采用新的CS5460 型雙通道智能模數(shù)轉(zhuǎn)換器來進行替換，具有數(shù)據(jù)傳輸通道大、數(shù)據(jù)計算能力快的優(yōu)點。另外，該轉(zhuǎn)換器還能夠?qū)⒖刂齐娐返碾妷汉碗娏魍ㄟ^UPS 轉(zhuǎn)換電路傳輸?shù)絍IN+端口和IIN+端口[6]，通過該端口可以對采集到的數(shù)據(jù)信息分別進行處理，提高了系統(tǒng)放電電流計算的準確性。

同時為提高數(shù)據(jù)信息采集和處理的效率，項目組還開發(fā)了一種基于RS485 總線[7]的抗干擾調(diào)速通信網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)監(jiān)測中心、電源模塊、控制模塊等進行了連接。通過連接，實現(xiàn)了電源模塊對系統(tǒng)電池組合工作電壓、電流等的監(jiān)測和調(diào)整功能，確保各類控制電流及通信電流信號的穩(wěn)定性；也實現(xiàn)了系統(tǒng)對電池的內(nèi)阻和電壓的監(jiān)測和預(yù)警功能，當電壓超過警戒值時，由系統(tǒng)進行控制，實現(xiàn)高壓向低壓的轉(zhuǎn)換，保證了電池供電電壓的總體平衡，提高電池組的使用壽命和控制精確性。

3 控制邏輯優(yōu)化

根據(jù)抗干擾自動調(diào)速控制系統(tǒng)的實際需要，結(jié)合變頻器抗干擾調(diào)速控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及調(diào)速控制的需求，項目組提出了一種新的變頻調(diào)速控制邏輯程序，如圖3[8]。

圖3 抗干擾變頻控制系統(tǒng)控制邏輯示意圖

由圖3 可知，系統(tǒng)開始運行時，首先對初始化的參數(shù)進行匯總分析，對控制中心的運行狀態(tài)進行判斷，若處于正常工作狀態(tài)，則對電源的輸出電壓以及控制電路的運行狀態(tài)進行監(jiān)測和調(diào)整，解決了傳統(tǒng)控制邏輯無法對系統(tǒng)狀態(tài)是否正常判斷的不足，提高了控制的效率和精確性。

為了確保在電磁干擾下的控制精確性，在控制邏輯中設(shè)置了變頻調(diào)速修正程序，根據(jù)UPS 的放電控制理論，將系統(tǒng)電池容量、工作時的放電速度、系統(tǒng)安全參數(shù)作為調(diào)節(jié)邏輯，進行精確調(diào)節(jié)控制。變頻調(diào)速修正程序如圖4[9]。

圖4 變頻調(diào)速修正程序邏輯圖

由圖4 可知，控制系統(tǒng)處在智能維護狀態(tài)時，系統(tǒng)首先對放電電流、電壓以及電容進行監(jiān)測和分析：若電容容量充足，則觸發(fā)IGBT 工作，主電路通電；若電容容量不足，則系統(tǒng)返回到測量階段重新進行計算，直到達到系統(tǒng)觸發(fā)條件。

系統(tǒng)處在手動維護模式下時，系統(tǒng)首先對工作電流、電壓、電容容量是否滿足系統(tǒng)的控制時間進行對比，若達到系統(tǒng)設(shè)定時間則切換到主電路工作，若沒有達到設(shè)定時間則系統(tǒng)重新返回到測量階段，重新進行計算，直到達到系統(tǒng)的觸發(fā)條件[10]。

根據(jù)抗干擾控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，通過對抗干擾控制邏輯的優(yōu)化，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)在不同電磁環(huán)境下對變頻調(diào)速裝置的智能調(diào)控，提高了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度和靈活性。

4 實際使用分析

該變頻器抗干擾控制系統(tǒng)主要是為了提高變頻器在調(diào)速過程中的調(diào)節(jié)效率和精確性，因此在龐龐塔礦對不同時間下的變頻器維護系統(tǒng)進行了實際對標對比驗證，系統(tǒng)設(shè)定的不同時間點的維護位置見表1。

表1 不同時間下變頻器維護位置要求匯總表

分別采用傳統(tǒng)的變頻調(diào)速控制方案和新的變頻器抗干擾調(diào)速控制系統(tǒng)對其控制結(jié)果進行對比，見表2。

表2 不同控制邏輯下的位置調(diào)節(jié)對比

當在煤礦井下實際運行時，采用傳統(tǒng)控制方案時，調(diào)控的準確性只有60%，而采用新的抗干擾調(diào)速控制模式時系統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制精度達到了100%，極大地提升了變頻器的調(diào)節(jié)控制精度。同時對系統(tǒng)發(fā)出煤量調(diào)節(jié)信號到驅(qū)動電機執(zhí)行速度調(diào)整的實際時間進行統(tǒng)計，采用傳統(tǒng)的控制模式下的執(zhí)行時間約為3.7 s，采用新的抗干擾調(diào)速控制系統(tǒng)后的實際執(zhí)行時間約為1.2 s，將調(diào)節(jié)時間縮短了67.6%，對提升運煤系統(tǒng)的調(diào)節(jié)效率和可靠性具有十分重要的意義。

5 結(jié)論

（1）抗干擾調(diào)速控制系統(tǒng)的硬件部分主要由轉(zhuǎn)換電路、開關(guān)電路、單片機控制電路夠成，模塊化程度高。

（2）將單通道轉(zhuǎn)換器替換為CS5460 型雙通道智能模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其具有數(shù)據(jù)傳輸通道大、數(shù)據(jù)計算能力快的優(yōu)點，能夠?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)信息進行分類處理，對各類電氣故障信息進行分析和預(yù)警，提高系統(tǒng)放電電流計算的準確性。

（3）新的控制系統(tǒng)能夠?qū)⒆冾l調(diào)速精度提升到100%，將調(diào)速時間降低67.6%，對提升輸送機系統(tǒng)的運行效率和調(diào)速精度具有十分重要的意義。