變頻器系統(tǒng)在電牽引采煤機中的應用

馬鵬飛

（同煤浙能麻家梁煤業(yè)有限責任公司，山西 朔州036000）

采煤機是綜采工作面生產系統(tǒng)中的重要組成部分，其工作效率的高低直接影響到煤炭的產量[1]。如何有效牽引采煤機，使其安全穩(wěn)定行走，是提高采煤機工作效率的重要環(huán)節(jié)。目前，采煤機主要有液壓牽引和電牽引2 種牽引方式[2-3]。但液壓牽引存在系統(tǒng)結構比較復雜、維修困難、傳動效率不高、反應速度較慢和無法進行平滑調速的缺點，而電牽引不存在這些問題。因此，電牽引成為了現階段采煤機牽引方式的主要研究課題[4-5]。變頻器因其功耗低、設備使用壽命長和可實現無極調速的優(yōu)點而被廣泛應用于采煤機中。以同煤浙能麻家梁煤業(yè)有限責任公司14204 綜放采煤工作面為例，該工作面長度為250 m，煤層平均厚度為8 m，布置前部刮板輸送機和后部刮板輸送機，其中，前部刮板輸送機煤炭輸送量為2 500 t/h。采用德國艾柯夫SL500 型采煤機進行采煤，采高為2.3～4.5 m，該采煤機采用雙電機牽引，單電機功率為90 kW，供電電壓可在529～368 VAC 范圍內變動，輸入容量為120 kVA，額定電流為150 A?？稍陬l率為0～120 Hz 的范圍實現平滑無極調速。當脈沖頻率調整到2 kHz 時，輸出電流因電機電感的濾波效果而達到最佳狀態(tài)，此時變頻器的輸出電流波形脈動最小，幾乎為正弦波。

1 變頻器系統(tǒng)電路

1.1 變頻器電源

變頻器能使輸出電壓和頻率的關系保持不變。在達到額定轉速前，電機中的磁通量基本保持恒定，因而能以恒定轉矩運行。當超過額定轉速后，電壓保持不變，電機中的磁通量隨著輸出頻率的增加而降低，因而功率保持穩(wěn)定。此變頻器采用交-直-交變頻方式[6]。變頻器電源部分電路結構圖如圖1。

圖1 中，a 為電抗器，其作用是隔離電網中的高次諧波，提高供電電能質量，以減輕對IGBT 和電解電容的干擾。b 為預充電單元，在變頻器啟動的過程中，為了避免啟動電流過大燒毀熔斷器而造成變頻器損壞，先將預充電單元中的限流電阻接入整流電路電源側，以減小電路中的充電電流。隨后，整流電路d 工作，該整流電路為三相橋式全控整流電路，與不控整流電路相比，全控整流可以完全避免同一橋臂導通而造成短路的危險性，從而大大提高整流電路的安全性與穩(wěn)定性。中間電容e 位于直流側，在預充電單元接通后對中間電容進行充電。當電容兩側電壓增大到300 V 時，充電電流就會大幅降低，預充電單元輔助接觸器斷開，預充電過程結束，主接觸器同時c 閉合，繼續(xù)不間斷向中間電容電路e 充電，此電路不僅能在整流電路和三相橋式逆變電路f 中起隔離作用，而且可以為電路f 提供1 個穩(wěn)定的直流電壓。當充電電容兩側電壓大于690 VDC 時，整流電路d 中的IGBT 在控制電路的作用下完全關斷，停止充電，以防止充電電容過度充電放電而造成電氣器件的損壞。

圖1 變頻器電源部分電路結構圖

1.2 變頻器控制

變頻器控制部分可以對變頻器的整流和逆變過程進行控制，以及對運行工況進行實時監(jiān)測，變頻器控制電路結構圖如圖2。

圖2 變頻器控制電路結構圖

圖2 中，控制電路可通過控制單元驅動PWM模塊，進而控制驅動器，觸發(fā)整流和逆變電路中的IGBT，以實現調節(jié)頻率和電壓的功能，編碼器控制模塊可以檢測牽引電機的轉速，以判斷其是否達到設定轉速，并將速度信息傳至控制模塊，由控制模塊控制PWM 控制器的脈沖寬度和頻率，從而改變逆變單元IGBT 的觸發(fā)角，以達到控制牽引速度的目的。監(jiān)測模塊可監(jiān)控電路中逆變側驅動器的工作狀態(tài)和中間電容的電壓，并將此信息發(fā)送至開關控制模塊，控制預充電單元中輔助接觸器和主接觸器的開斷，避免發(fā)生熔斷器故障，同時監(jiān)測開關控制模塊狀態(tài)。開關控制模塊可觸發(fā)和收集模擬、數字信號，例如溫度信號、電壓信號或各電機的啟停信號等，同時也能控制PWM 控制器的開啟與停止。

因為采煤機具有2 臺牽引電機，分為左牽引電機和右牽引電機，因而有2 套變頻牽引系統(tǒng)，工控機可以改變自動尋址模塊內部觸點狀態(tài)，監(jiān)測各自變頻器的狀態(tài)，變頻器通信示意圖如圖3，當內部觸點A40*1 打開時，左變頻器在位置1，此時，以左變頻器為主變頻器，當內部觸點A50*1 打開時，左變頻器在位置2，此時左變頻器為從變頻器。

圖3 變頻器通信示意圖

圖3 中，左變頻器為主變頻器，其啟動方式為主從方式[7]，即左變頻器先啟動，0.5 s 后右變頻器啟動，此種啟動方式可以降低啟動電流，減小對電網的沖擊，同時也減小了采煤機主變壓器進線電流，保證了該變壓器的穩(wěn)定運行。2 個變頻器通過串行接口進行通信，另接1 組光纖電纜，主要用來平衡2 個變頻器的功率和負荷，使采煤機穩(wěn)定牽引。工控機與變頻器通過串行接口實現連續(xù)通信，實現工控機發(fā)出的各項指令。同時，工控機通過該接口實時顯示采煤機位置和當前速度值，以便人機交互。

2 變頻器系統(tǒng)保護

為保證變頻器系統(tǒng)能夠安全有效工作，設計了牽引電機溫度保護和接地監(jiān)測保護系統(tǒng)。變頻器保護系統(tǒng)電路結構圖如圖4。

2.1 溫度保護

圖4 中，牽引電機繞組線圈內部預先埋入PTC、PT100 溫度傳感器。當電機溫度升高，PTC 傳感器電阻發(fā)生變化，該變化值通過信號濾波模塊傳入PTC跳閘繼電器模塊，若溫度大于設定值80℃時，該模塊啟動，使相應常開觸點閉合，此閉合信號為數字輸入信號，通過數字信號輸入通道，傳入開關控制模塊，變頻器停止工作，實現牽引電機停機，當溫度值恢復到正常值40℃后，方可重新啟動變頻器。PT100溫度傳感器可通過濾波模塊，實時將輸出的模擬信號傳入伺服機，伺服機將該信號進行預處理后，經過CAN 總線與工控機通信[8]，實時顯示電機溫度值。

圖4 變頻器保護系統(tǒng)電路結構圖

2.2 接地保護

為了保證采煤機附近工作人員的人身安全，防止因牽引電機或者連接電纜絕緣降低發(fā)生漏電故障，而將接地保護裝置加入其中[9]。在牽引電機啟動前，系統(tǒng)不間斷監(jiān)測牽引電機或線路絕緣狀態(tài)，該接地保護采用附加直流電源方式，當絕緣電阻降到0.5 MΩ 時，接地跳閘繼電器啟動，使相應的常開觸點閉合，并通過數字輸入通道傳入開關控制模塊，系統(tǒng)能夠在0.5 s 內跳閘，及時切斷變頻器電源。待漏電故障處理后，絕緣值恢復到正常值，常開觸點打開，變頻器系統(tǒng)方可啟動。系統(tǒng)具有接地監(jiān)測試驗功能，此功能進行測試時，牽引電機必須處于停止牽引的狀態(tài)。在牽引電機停止工作后，工作人員操作診斷器，通過工控機進行人機交互，使A2K1 繼電器使能，繼電器得電，A2K1 常開觸點閉合，接地故障監(jiān)測模塊和牽引電機通過接地電阻接地，此時相當于牽引電機相線處于接地狀態(tài)，接地跳閘繼電器啟動，系統(tǒng)跳閘。

3 采煤機牽引速度的自動調整

為了使采煤機采煤效率達到最佳狀態(tài)，在自動采煤方式下，可以通過前部刮板輸送機的負載情況來自動調節(jié)采煤機運行速度[10]。前部刮板輸送機的負載情況可根據前部刮板輸送機電機的電流信號體現，通過將控制前部刮板輸送機組合開關中的電流互感器輸出的4～20 mA 電流信號，對應于前部刮板輸送機功率百分比的0～200%，電流互感器電流信號可接入設置在順槽端的配電箱中，配電箱對此電流信號進行處理和轉換，通過動力電纜控制芯線與工控機通信，工控機根據配電箱發(fā)出的信號對采煤機速度值進行調整。前部刮板輸送機負載與采煤機運行速度的對比圖如圖5。

圖5 前部刮板輸送機負荷與采煤機牽引速度對比圖

圖5 中，情況1 是指前部刮板輸送機處于運力提升階段，從0 負荷直至額定負荷的70%，此時，采煤機處于階段a，即采煤機牽引速度不斷提高，最后達到100%全速運行，以提高前部刮板輸送機的裝載量；情況2 是指前部刮板輸送機機道上方出現頂板塌落或遇到斷層、片幫，前部刮板輸送機負載增加到額定負荷的90%，采煤機隨即進入階段b，牽引速度降低至設定值的80%，減少煤炭裝載，調整至與前部刮板輸送機運量相匹配；情況3 是指前部刮板輸送機處于失速停機狀態(tài)，已達到額定負荷的200%，此時，可能出現卡鏈或斷鏈故障，而采煤機迅速調整至階段c，降低至原來牽引速度的50%，直至階段d 停機，以減少前部刮板輸送機機道中的煤炭量，為工作人員處理故障提供方便。

4 變頻器系統(tǒng)控制流程

變頻器系統(tǒng)控制流程圖如圖6。

變頻器系統(tǒng)在接收到啟車信號后，首先監(jiān)測是否有停車信號，如果停車信號發(fā)出，則系統(tǒng)停止工作，牽引電機停止牽引。停車信號有2 種，1 種是指通過有線指令器或者無線指令器發(fā)出的停車信號；另1 種是指通過采煤機身上的停止牽引按鈕或者急停拉線開關發(fā)出的停車信號，此種停車信號是在緊急情況下采取的制動措施。當系統(tǒng)絕緣值正常，供電電壓值在允許范圍內，電容充電電壓值在690 VDC 內，并且牽引電機溫度值在80℃內時，系統(tǒng)方可啟動，牽引電機開始加速運轉，直至牽引速度達到設定值后，采煤機開始勻速運轉。當2 個變頻器系統(tǒng)轉矩差值超過50%時，則視為2 個牽引電機轉矩不平衡，系統(tǒng)通過光纖電纜進行通信，增加牽引力較小的牽引電機的輸出轉矩，以平衡2 個電機轉矩，而達到2 個系統(tǒng)正常運行的效果，使采煤機平穩(wěn)牽引。

牽引電機達到極限轉矩是指在牽引運行過程中，因前方有大塊矸石或其他原因造成采煤機忽然停止牽引，牽引電機堵轉，在此情況下，變頻器系統(tǒng)立即停止工作，以防止變頻器或牽引電機因電流過大而燒毀。

圖6 變頻器系統(tǒng)控制流程圖

5 結 語

基于變頻器系統(tǒng)的電牽引采煤機，因其傳動效率高、反應速度快、故障率低、維修方便和操作簡單的優(yōu)點，在同煤浙能麻家梁煤業(yè)有限責任公司得到了很好地應用，該采煤機可以在0～6 m/min 區(qū)間內實現無極調速，操作人員可實時對牽引速度進行調整，也可采用自動化采煤方式根據采煤工作面情況進行自動調整，并且該變頻器系統(tǒng)保護系統(tǒng)比較完善，設計合理，穩(wěn)定性較高，因而減少了人員投入，生產效率有了很大的提高，平均日產量為2.1 萬t。