變頻調速系統在牽引梭車的應用

鄭海峰

（華陽集團一礦機電工區，山西 陽泉 045000）

引言

變頻調速系統主要被使用在煤礦行業中，應用于采煤機、梭車等。梭車是采煤過程中使用的設備，具有雙向操作特點，在接煤和卸煤時不需要調頭能夠直接開展工作，主要負責連采機、皮帶機之間的運輸工作。變頻器是梭車中的關鍵部分，能夠進行電氣牽引，梭車驅動力主要由變頻電機控制器、變壓器、開關電源構成的變頻系統提供。本文主要研究分析變頻器控制系統原理和控制方式，通過理論指導、現場實踐等方式，制作梭車變頻調速牽引系統。

1 變頻調速系統主回路

牽引梭車中應用的變頻調速系統主要使用兩套逆變器共直流母線的設計來完成驅動器之間能量轉換，一臺設備進行發電，另一臺設備就可以利用該設備生產的電能，能夠防止電壓過高，起到保護作用。變頻調速設備由多個部分構成，分別是三相整流橋、濾波電路、逆變模塊和輸出電抗器等，能夠控制驅動裝置改變變頻器主回路的電壓。

1）斷路器。該設備是保護裝置，主要針對電源線路、電動機等部件進行保護，如果電壓過高，電路過載發生短路等事故時，會觸發斷路器保護功能切斷電路。

2）接觸器。該設備作用在于接通與斷開PLC 自動控制變頻器的電源電路。

3）變頻器。該設備包括了逆變電路與整流電路，起到變頻調速的作用。

4）輸入電抗器。輸入電抗器的作用主要是對浪涌電壓和浪涌電流進行壓制，還能夠調整改善變頻器的功率和壓制諧波電流，過濾諧波電壓和電流，從而提高電網質量。

5）三相整流橋。三相整流橋設備可以進行交流直流電轉換，直接將三相交流電轉化為直流電。

6）濾波電容。濾波電容的功能是過濾消除三相整流之后產生的波紋，以此穩定電壓。

7）充電回路。充電回路由兩個部分構成，分別是限流電阻、接觸器。限流電阻主要是控制充電電流，能夠保護整流橋，直流母線電壓上升到觸發數值時會與接觸器吸合，整流后直流回路能夠借助接觸器和三相主回路形成回路。

8）逆變模塊。六個IGBT 就能構成一個逆變模塊。IGBT可以將直流電改變成交流電，并且可以調整頻率。

9）輸出電抗器。輸出電抗器位于變頻器輸出口，主要由于IGBT 在開關時會瞬間產生高壓電，因此設置電抗器壓制高壓避免其影響電纜絕緣和電機。

2 變頻調速系統控制回路

梭車能夠行走的前提是，操作人員在啟動前要先選擇梭車前進方向，利用梭車腳踏型開關中設置的本質安全型變阻器來控制變頻器功率，梭車轉彎則利用檢測轉向油缸行程應用PLC 控制程序來調控梭車左右輪的速度，達到梭車左右、前進、后退功能，而且能夠根據需要調整車速。

2.1 操作箱行進方向開關

梭車操作設備上安裝著運行開關，能夠控制梭車前進方向，主要開關有前進、后退兩個，量節點閉合時梭車控制器能夠接收運行信號運行。

2.2 變阻器與本質安全型隔離柵

變阻器阻值處于0～10 kΩ 之間，能夠發生持續性變化的本質安全型電位計隔離柵可以對電位計阻值進行線性處理，梭車腳踏開關掛在最高點時電位計阻值是0，腳踏開關下拉時電阻值會變小，開關處于最低處時電阻值則是10 kΩ。

2.3 差速控制

差速控制主要是利用控制程序分別控制左右輪速度，在轉彎時能夠控制左右車輪產生差速運行，避免梭車轉彎打滑。

2.4 模擬量和開關量輸出

控制器能夠接收操作方向開關發生的信號、梭車轉向信號、頻率給定的電流信號，然后對各類信號進行研究分析，然后發出相應運行信號，控制變頻系統開始運行。

2.5 變頻器輸出

變頻器能夠發出梭車運行、梭車內部發生故障信號，由控制器接收信號，再對信號進行解讀，發出運行命令或者故障提示。

2.6 通信

變頻器和控制器需要使用Modbus 協議實現通信，變頻器母線電壓、運行電流、運行頻率和變頻器的故障可以利用該協議實時發送到控制器中。

2.7 過熱保護

設置有熱敏電阻與溫度開關在變頻電動機內，用以提供開關量與模擬量溫度信號。控制其根據實際獲得的溫度信號來對電動機的內部溫度進行動態檢測，一旦出現溫度異常的情況就及時停機，防止電動機受損。

2.8 控制器

在變頻器中控制其是一項非常重要的組成部分，用以對開關信號進行接收與轉換，通過對比、分析與判斷經過本質安全型隔離柵轉換的加速踏板信號后來將左右變頻器所需的速度信號確定下來，用以對變頻器輸出的頻率交流電實施控制。

3 變頻器參數設置

為保證變頻調速系統不僅存在理論中，也能夠實際運用，使用現場實踐的方式反復調試完善變頻雕塑系統的設置參數，把變頻器調試到最佳狀態為止。

3.1 矢量控制

矢量控制采用的原理是利用測量和控制異步電動機定子電流矢量按照磁場定向。控制異步電動機中的勵磁電流和轉矩電流，最終完成控制異步電動機轉矩目標。矢量控制方法可以提升梭車啟動速度，降低啟動時產生的電流，幫助變頻器適應梭車的運行狀態，使變頻器的靜態、動態性都可與直流電系統一致。

3.2 變頻電機

變頻調速系統輸出電源與普通電源不同，是非正弦電源，所以提高電動機對非正弦電源的適應性是變頻調速系統的關鍵。系統運行時發出的諧波電流也會影響電機的絕緣性能。所以在設置變頻調速系統時不僅要對電機進行過熱保護，也要重視變頻電機絕緣材料的等級和耐性，提升電機的絕緣能力。

3.2.1 盡可能的減小定子和轉子電阻

在設置變頻電機時，最大限度降低定子和轉子電阻能夠減小基波銅耗，減小的消耗量可以補充高次諧波導致增加的銅耗。

3.2.2 主磁路

變頻電機設計的主磁路通常會被設置成不飽和狀態，首先是因為高次諧波會增加磁路的飽和程度。其次是電機處于低頻狀態時，要增加變頻器的電壓來提升輸出轉矩。

3.2.3 常閉溫控開關

變頻電機內部安裝有MK1 型號的常閉溫控開關裝置，主要作用是過熱斷電。電機繞組溫度過高，超出145 ℃時，溫控開關會自動進行保護。

3.2.4 變頻電機耐壓要求

以2 630 V 作為變頻器供電最高參考峰值，制定1～3 s 作為匝間試驗脈沖8 000 V 時間。

3.2.5 絕緣等級

變頻電機受非正弦電源和諧波電流影響，對絕緣要求較高，通常要求為200 級。

4 結語

變頻調速系統已經廣泛應用在煤礦井下設備中，特別是牽引梭車，對于采煤運輸工作的作用逐漸加大。本文主要分析牽引梭車設置變頻調速系統中的使用方法、構成組件、變頻參數調試和變頻器內部回路等。后續還需要對梭車進行實際使用來不斷完善變頻調速系統，可以直接提升變頻調速系統在牽引梭車控制系統中的科學性、實用性。目前煤礦下使用的梭車變頻調速系統已經逐漸調整完成，變頻調速系統操作便捷、運行穩定，給煤礦挖掘運輸工作提供較大幫助。