淺談變頻器在采煤機(jī)調(diào)控中的應(yīng)用

【摘要】在對變頻器在電牽引采煤機(jī)中的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行簡單歸納后，對基于變頻器的大傾角采煤機(jī)電控系統(tǒng)總體方案進(jìn)行了研究。最后，從變頻調(diào)速控制和回饋制動節(jié)能兩方面，探討了變頻器在采煤機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用的動態(tài)調(diào)控性能和回饋節(jié)能效益。

【關(guān)鍵詞】變頻器；采煤機(jī)；節(jié)能調(diào)控；回饋制動

引言

變頻器作為具有節(jié)能調(diào)速、動態(tài)控制等優(yōu)越性能的現(xiàn)代化電力電子產(chǎn)品，在各行各業(yè)中作為節(jié)能經(jīng)濟(jì)技術(shù)升級改造的核心設(shè)備，在工程實(shí)踐應(yīng)用中發(fā)揮非常良好的作用。從十二五開始，在一系列環(huán)保政策及約束性考核技術(shù)指標(biāo)的持續(xù)驅(qū)動下，變頻器在煤礦采煤機(jī)系統(tǒng)中，作為機(jī)電設(shè)備節(jié)能降耗的核心設(shè)備，其良好的調(diào)控、節(jié)能性能得到煤礦機(jī)電設(shè)備技術(shù)升級改造工作人員的廣泛青睞[1]。采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)、運(yùn)輸機(jī)等機(jī)電設(shè)備是煤礦的主要電力用戶，受到采取空間限制、機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸布置緊張等因素影響，加上其在實(shí)際運(yùn)行過程中能耗較大，如何采取結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、調(diào)控節(jié)能經(jīng)濟(jì)的變頻器，對原電控系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能升級改造，就顯得非常有工程實(shí)踐應(yīng)用意義。

1、變頻器在電牽引采煤機(jī)中的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)

變頻器在電牽引采煤機(jī)上合理改造應(yīng)用，具有以下多方面的優(yōu)點(diǎn)，即：①變頻器集成自動化程度較高，體積較小，便于對采煤機(jī)變壓器的更換。當(dāng)采用變頻器對采煤機(jī)原電控系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)升級改造后，采煤機(jī)結(jié)構(gòu)空間的利用更趨合理，結(jié)構(gòu)布置更加緊湊，便于在井下（尤其是薄煤層及超薄煤層）狹小空間環(huán)境中使用。②高轉(zhuǎn)矩啟動平穩(wěn)：變頻器主要通過采集信號形成對應(yīng)的調(diào)控策略，來達(dá)到對采煤系統(tǒng)動態(tài)節(jié)能控制。采用無速度傳感器的控制模式，可以根據(jù)電機(jī)運(yùn)行工況參數(shù)，按照一定關(guān)系對采煤機(jī)系統(tǒng)的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行動態(tài)檢測，通過控制電動機(jī)定子繞組的電源頻率來確保采煤機(jī)系統(tǒng)勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的實(shí)際值和檢測值間的匹配一致，從而可以實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)系統(tǒng)在零速滿轉(zhuǎn)矩工況中自動啟動，即在低頻運(yùn)行工況時，采煤機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩輸出可以達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的2倍以上，這樣可以滿足煤礦井下特殊工作面、特殊工況條件下的動態(tài)調(diào)控需求[2]。③采用一體化的IGBT逆變橋功率調(diào)節(jié)模塊。變頻器內(nèi)部采用一體化的IGBT逆變橋功率調(diào)節(jié)模塊，其在實(shí)際優(yōu)化設(shè)計過程中，不僅減少功率器件在變頻調(diào)速系統(tǒng)中所占用的空間位置，同時可以確保IGBT模塊的工作溫度在100℃依然能夠正常穩(wěn)定工作，以滿足井下采煤機(jī)持續(xù)性、高負(fù)荷、負(fù)荷波動等特殊運(yùn)行工況需求。④檢修維護(hù)便捷、縮短維護(hù)周期、降低了養(yǎng)護(hù)成本。當(dāng)變頻器發(fā)生故障時，工作人員能夠通過變頻器自動診斷提示信息，快速查處存在故障的電路單元，并對其進(jìn)行更換處理，則可以快速處理故障，既方便又迅速，同時又減少了故障排除時間，具有較好的使用經(jīng)濟(jì)效益。

2、基于變頻器的大傾角采煤機(jī)電控系統(tǒng)總體方案

大多數(shù)交流變頻器電牽引采煤機(jī)其主要應(yīng)用在坡度較為平緩的井下作業(yè)工作面，而我國煤炭資源分布非常廣。煤層厚度波動較大、煤層結(jié)構(gòu)也復(fù)雜，傾斜煤層占很大部分。另外，煤炭資源不斷向縱深更深、煤層厚更薄、傾角更大方向發(fā)展[3]。因此，開發(fā)適合大傾角傾斜煤層開采的交流變頻器牽引采煤機(jī)，就非常有實(shí)踐應(yīng)用意義。由于大傾角采煤機(jī)其功率通常較大，因此需要采用高壓變頻器（本文采用3.3kV 50Hz變頻器），基于變頻器的大傾角采煤機(jī)系統(tǒng)主要功能單元為：高壓開關(guān)箱、高壓變頻器箱。其中：高壓開關(guān)箱主要由高壓QF斷路器為整個采煤機(jī)電控系統(tǒng)提供交流3300V的動力電源，將電源通過動力電纜分配給左切割電機(jī)、右截割電機(jī)，并經(jīng)ACS811高壓主/從變頻器（相互間通過光纖通信）分別供給右/左牽引電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)電控系統(tǒng)的自動變頻調(diào)速動態(tài)控制?；谧冾l器的大傾角采煤機(jī)電控系統(tǒng)總體設(shè)計方案如圖1所示：

3、基于變頻器的采煤機(jī)電控系統(tǒng)主控回路方案

3.1變頻調(diào)速控制原理

選用日本三菱FX2N-64MR PLC與ABB公司的ACS811變頻器相配合形成對應(yīng)的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。FX2N-8AD模擬輸入模塊作為FX2N-64MR PLC的信號采集單元，主要采集切割電機(jī)電流、牽引電機(jī)電流、切割電機(jī)溫度、牽引變壓器溫度等模擬量信號，并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后形成數(shù)字信號供PLC形成對應(yīng)調(diào)控策略使用。通過改變采煤機(jī)拖動電機(jī)的電源頻率，就可完成對電機(jī)的變頻調(diào)速控制。按照圖1所示，優(yōu)選具備正弦脈寬調(diào)制（SPWM）的數(shù)字化的交-直-交動態(tài)轉(zhuǎn)換的電源控制性高壓變頻器，實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)系統(tǒng)中的左、右2臺交流牽引電機(jī)電源頻率的調(diào)控。為了提高變頻器控制安全可靠性，對牽引左/右牽引電機(jī)采用“一拖一”的直接驅(qū)動模式，即采用2臺3.3kV變頻器分別直接驅(qū)動控制左/右2臺牽引交流電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)對負(fù)載電機(jī)的參數(shù)模型的準(zhǔn)確識別和運(yùn)算的可靠判斷。

3.2變頻回饋制動

對于大傾角采煤工作面而言，要求采煤機(jī)能夠在不同角度進(jìn)行可靠動作，這樣勢必會出現(xiàn)大量的上行/下行牽引，因此本文采用具有四象限自動調(diào)控的變頻器，其主電路結(jié)構(gòu)緊湊可靠，可以實(shí)現(xiàn)四象限的可靠動作運(yùn)行。當(dāng)采煤機(jī)在大傾角下行采煤過程中，能夠自動將交流牽引電機(jī)所產(chǎn)生的再生能量直接反饋到采煤機(jī)供配電網(wǎng)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)電能資源的回饋制動，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。ACS811變頻器具備其他平緩工作面交流變頻系統(tǒng)，所不具備的功能四象限可靠動作功能，能在較大范圍內(nèi)動態(tài)調(diào)節(jié)采煤系統(tǒng)的制動力矩，有效改善制動性能，使上/下行運(yùn)行過程平滑穩(wěn)定，增強(qiáng)了采煤機(jī)系統(tǒng)調(diào)控動作可靠性。當(dāng)變頻器工作在第一、三象限工況時，牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速方向相同，則此時交流電動機(jī)工作在電動狀態(tài)，這樣變頻器將采煤機(jī)供配電網(wǎng)中的電源資源直接傳送給牽引電機(jī)，控制牽引電機(jī)按照功能需求動態(tài)動作運(yùn)行；而當(dāng)變頻器工作在第二、四象限工況時，牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速方向相反，則此時交流電動機(jī)工作在發(fā)電工況，其所產(chǎn)生的再生的電能經(jīng)整流回路回饋到采煤機(jī)交流電網(wǎng)中，達(dá)到回饋制動節(jié)能調(diào)控的目的，確保采煤機(jī)按照所需牽引速度要求安全可靠動作運(yùn)行，以滿足采煤機(jī)在大傾角工作面上動態(tài)節(jié)能調(diào)控需求。

4、結(jié)束語

煤礦系統(tǒng)中。變頻器除了能夠在采煤機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用獲得較好節(jié)能經(jīng)濟(jì)效果外，其在煤礦井下的通風(fēng)風(fēng)機(jī)、供水水泵、運(yùn)輸機(jī)和轉(zhuǎn)載機(jī)等電控系統(tǒng)中的應(yīng)用節(jié)能效果也非常明顯，在煤礦電氣系統(tǒng)節(jié)能改造工程中具有良好的應(yīng)用推廣前景。