變頻器在西銘礦48705工作面中的應(yīng)用

劉海濱

（西山煤電股份有限公司西銘礦， 山西 太原 030052）

1 西銘礦工作面情況

西銘礦是山西焦煤西山煤電集團(tuán)股份有限公司的主力生產(chǎn)礦井，于1956年建成，經(jīng)過三次技術(shù)改造年設(shè)計生產(chǎn)能力360萬t，屬高瓦斯礦井。礦井采用走向階梯平峒開拓，各盤區(qū)距離井口距離較遠(yuǎn)、各工作面運(yùn)輸距離長。

48705工作面井下位于北七采區(qū)左翼，東為48703掘進(jìn)工作面，南為北七左翼回風(fēng)巷，西為48707工作面采空區(qū)，北為隨老母斷層。該面上覆2號煤已回采，切眼附近2號煤為小窯所采，3號煤不可采，工作面中南部3號煤層內(nèi)有廢棄巷道。48705皮帶巷長1836m，單軌吊巷長1709m。傳統(tǒng)的軟啟動無法實現(xiàn)長距離穩(wěn)定運(yùn)輸，保證不了采煤隊組正常生產(chǎn)，故選用西山機(jī)電廠兩臺BPJ1-400/1140G三電平兩象限VF變頻器，以此來保證礦井正常生產(chǎn)、運(yùn)輸需求。

2 西銘礦工作面變頻器介紹

西銘礦前幾個工作面選用兩電平（正、負(fù)電平）、兩象限（電動）變頻器。本次選擇的西山機(jī)電廠變頻器，選用現(xiàn)今較為流行的三電平（正、零、負(fù)電平）、四象限（第一象限為正傳電動狀態(tài)；第二象限為回饋制動狀態(tài)；第三象限為反轉(zhuǎn)電動狀；第四象限為反接制動狀態(tài)）。兩電平和三電平的對比：

1）損耗計算：每個開關(guān)運(yùn)行周期中，原使用的變頻器輸出兩電平為負(fù)、正電平?，F(xiàn)使用三電平輸出為正、零、負(fù)電平，因此兩電平拓?fù)鋼p耗較高。

2）輸出諧波：使用三電平變頻器配以電抗器輸出電平臺階越多，波形越趨近于正弦波帶出的諧波越少，系統(tǒng)性能得以提升。

3）器件耐壓：由于三電平較兩電平每組中各多使用了一塊IGBT模塊，三電平中變頻開關(guān)承受的直流母線電壓為直流側(cè)母線電壓的一半（1/2UDC），兩電平變頻器則為全部直流母線電壓（UDC）。

4）三電平在無負(fù)載的情況下降低了能耗和開關(guān)頻率，減少了開關(guān)損耗，節(jié)約了電能。CM3000系列防爆變頻器是防爆行業(yè)專用型變頻機(jī)芯（文中統(tǒng)稱為變頻器），西銘礦使用的是1 140 V電壓等級，最大輸出功率可達(dá)750 kW。產(chǎn)品具有完善的過溫、過流、過壓的保護(hù)技術(shù)，具備低噪聲、低諧波污染、高功率因數(shù)等特點(diǎn)，與導(dǎo)熱管、防爆殼、散熱風(fēng)機(jī)組成高品質(zhì)、高性能集成度的防爆變頻一體機(jī)。采用了豐富的控制方式：速度傳感器矢量控制、無速度傳感器矢量控制、V/F控制，還支持V/F分離控制。用戶可以用梯形圖等方式進(jìn)行程序編寫存儲到MD38PC1用戶可編程卡，與西門子S7-200PLC連接實現(xiàn)用戶二次開發(fā)功能，出現(xiàn)特殊故障時可以通過改寫程序?qū)崿F(xiàn)簡化。

3 CM3000為控制核心的變頻器介紹

3.1 變頻器的起?？刂?/h3>

變頻器的起停控制命令有3種控制方式，分別是面板控制（近控）、端子控制（遠(yuǎn)控）、通訊控制（RS485），通過功能參數(shù)F0-02選擇，如表1所示。

1）面板起?？刂啤Ｍㄟ^鍵盤操作，使用功能碼F0-02=0，即為操作面板起?？刂品绞剑聪骆I盤上RUN（運(yùn)行）鍵，變頻器即開始運(yùn)行（RUN指示燈會點(diǎn)亮）；在變頻器運(yùn)行的狀態(tài)下，按下鍵盤上STOP（停止）鍵，變頻器即停止運(yùn)行（RUN指示燈會熄滅）。

表1 變頻器啟動通道設(shè)置

2）端子起?？刂?。端子起停控制方式適合井下遠(yuǎn)距離啟動停止的場合，主從機(jī)通過端子排X1上面的7、8、9段子相互連接，通過X2端子排上D28和D32實現(xiàn)主機(jī)起動主機(jī)、主機(jī)的X2端子排E10、E11、E12、D28與從機(jī)的 D50（D53/D57并接）、D54、D52、D58連接實現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。CM3000變頻器提供了多種端子控制方式，通過功能碼F4-11確定開關(guān)信號模式、功能碼F4-00～F4-09確定起?？刂菩盘柕妮斎攵丝凇?/p>

3）通訊起?？刂?。上位機(jī)以通訊方式控制變頻器運(yùn)行的應(yīng)用已愈來愈多，如通過RS485、Profibus-DP，CANlink，CANopen 等網(wǎng)絡(luò)，都可以和CM3000變頻器進(jìn)行通訊，用戶可編程卡與CM3000之間也是采用通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的。在變頻器多功能擴(kuò)展口上，插入相應(yīng)的通訊接口卡，并將控制命令方式選為通訊方式RS485（F0-02=2），就可以使通訊方式RS485控制變頻器的起停運(yùn)行了。

3.2 變頻器之間的通訊

CM3000變頻器之間兩臺通訊采用了CANlink來實現(xiàn)（見圖1），用來實現(xiàn)一臺主機(jī)根據(jù)自身頻率或轉(zhuǎn)矩信號對兩臺從機(jī)目標(biāo)頻率和目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的給定。

圖1 變頻器串行通訊的使用

PLC與變頻器通訊控制。CM3000變頻器提供RS485通訊接口，并支持Modbus-RTU從站通訊協(xié)議。通過PLC實現(xiàn)集中控制并通過該通訊協(xié)議設(shè)定變頻器運(yùn)行命令，修改或讀取功能碼參數(shù)，讀取變頻器的工作狀態(tài)及故障信息等。

3.3 變頻器的外圍控制與聯(lián)機(jī)通訊

在井下遠(yuǎn)距離輸送過程中，往往面臨著環(huán)境復(fù)雜的情況，對線路、設(shè)備干擾大的挑戰(zhàn)，為了提高變頻器在現(xiàn)場供電的穩(wěn)定性，設(shè)備以西門子S7-200PLC為核心，使用通信電纜，利用屏蔽層將外界多余的干擾屏蔽掉，達(dá)到信號傳輸?shù)墓δ?，提高了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。主機(jī)和從機(jī)之間的通訊可采用Profibus總線技術(shù)，通過在變頻控制系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)中采用一根光纖總線就可以實現(xiàn)主從機(jī)之間的通訊。所以，該電器控制系統(tǒng)的主機(jī)和控制臺之間通過光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可以大大減少外界干擾對信號的影響，保證數(shù)據(jù)信號傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

3.4 變頻器冷卻技術(shù)

變頻器采用了風(fēng)冷冷卻技術(shù)，利用井下環(huán)境溫度低的特點(diǎn)，采用了兩臺2.5 kW冷卻風(fēng)機(jī)同時工作，將風(fēng)量直吹入設(shè)備機(jī)身內(nèi)部冷卻系統(tǒng)，熱量通過機(jī)身后面的導(dǎo)熱管排出，保證了變頻器長時間的穩(wěn)定工作。

3.5 兩電平與三電平的應(yīng)用對比

1）三電平逆變器與傳統(tǒng)的兩電平逆變器相比增加了一個“零電平”，使變頻器可在更平穩(wěn)的運(yùn)行狀態(tài)下啟停，可實現(xiàn)高低頻率平穩(wěn)切換，增加了設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

2）兩電平的元器件具有2倍的正向阻斷電壓能力，并能有效抑制諧波和降低開關(guān)使用頻率，從而使系統(tǒng)機(jī)械損耗減小，使電動機(jī)等低壓用電設(shè)備應(yīng)用更廣泛。

3）三電平可以降低開關(guān)頻率，較少開關(guān)損耗。

4 控制端子說明

變頻器的啟停、外部接線都是通過端子來實現(xiàn)控制，具體端子控制說明如表2所示。

表2 變頻器端子控制說明

5 電纜布線要求

電纜布線要求如圖2所示。

圖2 變頻器接線示意圖

6 結(jié)語

近年來，高壓整流、濾波、逆變（IGBT）等新型器件的發(fā)展使PWM逆變器在工業(yè)應(yīng)用中成本逐漸降低的同時，性能也得到改善。傳統(tǒng)兩電平變頻器正逐漸被使用IGBT的三電平PWM逆變器所取代，隨著抑制諧波、減少電磁污染在輸入、輸出電抗器變頻終點(diǎn)的應(yīng)用，三電平逆變器方案必將得到廣泛的應(yīng)用。通過三電平變頻器在生產(chǎn)運(yùn)輸系統(tǒng)中的應(yīng)用，提高了西銘礦的運(yùn)輸能力，提高了運(yùn)輸效率，大大降低了事故維護(hù)率，彌補(bǔ)了西銘礦在機(jī)電維護(hù)中的短板。