ACS800系列變頻器在交流電牽引采煤機(jī)中的應(yīng)用與改進(jìn)研究

摘要：變頻器結(jié)合了變頻技術(shù)及微電子技術(shù)，在采煤機(jī)中使用能夠優(yōu)化電機(jī)工作時(shí)的電源頻率，并按照采煤機(jī)的實(shí)際工作需要調(diào)節(jié)電源，起到節(jié)能保護(hù)的作用，本文將結(jié)合ACS800系列變頻器的功能，討論其自動(dòng)控制采煤功率、調(diào)節(jié)設(shè)備牽引速度、接地系統(tǒng)保護(hù)等應(yīng)用，提出改進(jìn)方案，為變頻器的高效利用提供參考。

關(guān)鍵詞：變頻器;交流電;采煤機(jī)

引言：變頻器也被稱為驅(qū)動(dòng)控制器，屬于一種可調(diào)速的驅(qū)動(dòng)裝置，安裝在交流電牽引采煤機(jī)里能夠優(yōu)化電機(jī)的工作效率，控制工作電壓，保證電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的平滑性。ACS800系列變頻器的使用范圍很廣，大到采煤機(jī)、牽引器，小到生活電器，都可以通過安裝變頻器來提高能源使用效率，優(yōu)化離心泵驅(qū)動(dòng)等電機(jī)。

一、ACS800系列變頻器在交流電牽引采煤機(jī)中的功能

為了提高采煤效率，增強(qiáng)采煤機(jī)的機(jī)械安全性，需要不斷提升采煤機(jī)的牽引功率，確保功率密度更大、占地面積小、穩(wěn)定性強(qiáng)。交流電牽引采煤機(jī)使用的牽引方式為“一拖一”，將兩臺(tái)變頻器分別定義為“主機(jī)”和“從機(jī)”，這種“一拖一”技術(shù)在控制精準(zhǔn)性上要遠(yuǎn)高與“一拖二”技術(shù)，牽引保護(hù)也更加完善，以往使用“一拖二”技術(shù)的變頻器缺少負(fù)荷平衡控制，所以要留出更大的裕量，成本投入也更高。眾所周知，采煤時(shí)，地下礦井環(huán)境十分復(fù)雜，一旦采煤機(jī)牽引力不足，就很容易造成生產(chǎn)延誤的問題。ACS800變頻器是利用光纖通信介質(zhì)完成牽引調(diào)速，但是機(jī)械強(qiáng)度較差，光纖頭很容易受到礦井污染，維修起來比較吃力，所以需要盡快研究出一種控制精準(zhǔn)度高，維修成本低的牽引調(diào)速系統(tǒng)[1]。

二、ACS800系列變頻器在采煤機(jī)中的實(shí)際應(yīng)用與改進(jìn)

（一）自動(dòng)控制采煤功率

ACS800系列變頻器想要在采煤機(jī)中實(shí)現(xiàn)恒定功率的自動(dòng)控制操作，就需要和PLC協(xié)調(diào)運(yùn)作。因?yàn)槟壳笆褂玫牟擅簷C(jī)主要消耗功率的操作就是克服截割阻力。一旦牽引速度開始出現(xiàn)變化，采煤機(jī)所受到的截割阻力也會(huì)隨之變化，進(jìn)而導(dǎo)致電機(jī)功率改變。截割電機(jī)的阻力對應(yīng)了電機(jī)功率的大小，所以可以使用兩個(gè)相同的電流傳感器來測試截割電機(jī)的電流，然后把測得的數(shù)值錄入PLC系統(tǒng)進(jìn)行對比。例如：當(dāng)電機(jī)功率大于或等于110%時(shí)，PLC系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)送減速信號(hào)，變頻器接受到減速信號(hào)后會(huì)立即自動(dòng)減速并降頻。一旦電機(jī)功率大于或等于120%時(shí)，PLC系統(tǒng)則會(huì)發(fā)送反牽信號(hào)，采煤機(jī)接受到信號(hào)后開始反速牽引。采煤機(jī)在實(shí)際使用過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)過載啟動(dòng)現(xiàn)象，所以使用變頻器能夠起到節(jié)能、降頻、保護(hù)的效果。ACS800系列變頻器采用了一拖一的控制技術(shù)?？梢岳脙筛饫w同時(shí)連接兩臺(tái)變頻器，完成主從控制。進(jìn)而確保主變頻器可以完成對變頻器的引導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)變頻器的轉(zhuǎn)矩運(yùn)動(dòng)，及時(shí)檢測交流電牽引采煤機(jī)中電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行狀況，降低故障出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)，確保對采煤機(jī)進(jìn)行更精準(zhǔn)、完善的保護(hù)與操作。

（二）調(diào)節(jié)設(shè)備牽引速度

在實(shí)際采煤工作中，為了確保最佳的采煤效率，在開始自動(dòng)采煤后，牽引電機(jī)可以通過判斷前部刮板輸送機(jī)的負(fù)載情況來對采煤機(jī)的運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。前部刮板輸送機(jī)電機(jī)傳達(dá)出的電流限號(hào)可以表現(xiàn)出采煤機(jī)刮板輸送機(jī)的實(shí)際負(fù)載狀況。通過將控制前部刮板輸送機(jī)組合開關(guān)中的電流互感器輸出的4-20mA電流信號(hào)，對應(yīng)于前部刮板輸送機(jī)功率百分比的 0-150%。牽引電機(jī)達(dá)到極限轉(zhuǎn)矩體現(xiàn)在牽引運(yùn)行過程中，例如：在采煤過程中如果遇到前方有大塊矸石或其他硬質(zhì)煤層，采煤機(jī)容易停止?fàn)恳?，?dǎo)致牽引電機(jī)故障堵轉(zhuǎn)，這時(shí)應(yīng)立刻停止變頻器系統(tǒng)，避免因電流過大而燒毀變頻器或牽引電機(jī)。

（三）接地系統(tǒng)保護(hù)

地下礦井自然環(huán)境惡劣，為了確保地下采煤機(jī)周邊的工作人員操作時(shí)的自身安全，杜絕因牽引電機(jī)或連接電纜絕緣失靈而發(fā)生的漏電事故。工作人員在啟動(dòng)交流電牽引采煤機(jī)時(shí)，應(yīng)確保變頻系統(tǒng)監(jiān)測著電機(jī)、線路的絕緣狀態(tài)。在改進(jìn)變頻器時(shí)，要重視接地系統(tǒng)保護(hù)功能，可使用附加直流電源方式來完成接地保護(hù)。例如：當(dāng)絕緣電阻下調(diào)到0.5MΩ時(shí)，立刻啟動(dòng)跳閘繼電器，對應(yīng)的常開觸點(diǎn)隨之關(guān)閉，絕緣信號(hào)通過數(shù)字信號(hào)輸入通道，最后進(jìn)入開關(guān)的控制模塊。技術(shù)人員要確保接地系統(tǒng)能夠在 0.5s作出反應(yīng)并跳閘，然后切斷變頻器的電源。等到漏電故障解決完成之后，絕緣數(shù)值可以恢復(fù)正常，這時(shí)再打開常開觸點(diǎn)，變頻器系統(tǒng)就可以繼續(xù)運(yùn)作。改進(jìn)后的接地保護(hù)系統(tǒng)還能實(shí)現(xiàn)接地監(jiān)測、試驗(yàn)等功能。需要注意的是，在進(jìn)行測試時(shí)，交流電牽引采煤機(jī)應(yīng)該停止?fàn)恳僮?。等到牽引完全停止后，交由工作人員來操作診斷器，然后利用工控機(jī)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，確保試驗(yàn)繼電器使能，繼電器得電后，試驗(yàn)繼電器相應(yīng)的常開觸點(diǎn)閉合，模擬接地回路導(dǎo)通，此時(shí)相當(dāng)于牽引電機(jī)相線處于接地狀態(tài)，接地故障監(jiān)測模塊工作，接地跳閘繼電器啟動(dòng)，系統(tǒng)跳閘。

（四）選擇合適變頻器

針對不同類型、不同功能的設(shè)備，應(yīng)當(dāng)選擇對應(yīng)容量和控制特點(diǎn)的變頻器，本文針對ACS800系列變頻器開展討論。首先，變頻器的容量需要結(jié)合交流電牽引采煤機(jī)的實(shí)際負(fù)載特性和大小進(jìn)行選擇。變頻器的容量應(yīng)當(dāng)超過采煤機(jī)的行走電機(jī)容量（主要參考額定電流參數(shù)），這也是選擇時(shí)必須要遵守的基本原則。因?yàn)?，采煤機(jī)在使用過程中經(jīng)常會(huì)過載啟動(dòng)，所以動(dòng)力必須要充足。例如：當(dāng)遇到斜度大、碎石多、煤質(zhì)硬的開采地質(zhì)時(shí)，需要對應(yīng)提高變頻器的驅(qū)動(dòng)力，加強(qiáng)負(fù)載能力，保證磁通量與電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為正比。例如：變頻器的頻率與電壓互為常數(shù)，則當(dāng)頻率降低時(shí)，輸出電壓也會(huì)對應(yīng)下降，輸出電流提高，進(jìn)而出現(xiàn)過流保護(hù)問題，所以解決這一問題時(shí)，就需要提升變頻器的容量。目前可選擇的變頻器類型都是按照結(jié)構(gòu)劃分的，即交-交變頻系統(tǒng)、交-直-交變頻系統(tǒng)兩種，交-交的變頻系統(tǒng)可以完成交流電的直接轉(zhuǎn)化，且具有：轉(zhuǎn)化率高、對稱能力強(qiáng)、正弦度高、低頻波形強(qiáng)等優(yōu)勢。交-直-交變頻系統(tǒng)不僅可以將交流電轉(zhuǎn)化為直流電，同時(shí)還能逆變直流電，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)榭烧{(diào)頻的三相交流電，因?yàn)樵撓到y(tǒng)重量輕、占地小而得到廣泛應(yīng)用。按理來說，變頻器工作的頻率為0-50Hz，所以其最低頻率的選擇也需要按照加工工藝來判斷，因?yàn)橐坏┯龅綆r石、碎石較多的情況，變頻器會(huì)開始自動(dòng)減速，很容易導(dǎo)致過流保護(hù)，情況嚴(yán)重時(shí)還會(huì)傷害電機(jī)，所以需要設(shè)置合適的最低頻率。另外，在選擇變頻器時(shí)，還要注重冷卻系統(tǒng)的選擇，變頻器運(yùn)行時(shí)，絕緣柵的雙極晶體管會(huì)發(fā)熱，以往變頻器降溫都依賴風(fēng)冷系統(tǒng)，但是交流電牽引采煤機(jī)中的隔爆墻無法與外界互通，所以需要改裝變頻器，或者采用水冷系統(tǒng)降溫。最后，煤礦開采時(shí)在井下，而井下設(shè)備過多就會(huì)導(dǎo)致功率加大，非線性沖擊負(fù)載過高，容易引發(fā)電壓波動(dòng)，所以要使用電抗器來避免波動(dòng)過大帶來的沖擊[2]。

結(jié)論：綜上所述，以往采煤機(jī)都是依靠液壓系統(tǒng)中電磁閥功能來完成對牽引速度的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)功率、速度都有待提升，設(shè)備保養(yǎng)也比較復(fù)雜。隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)催生出了新型的變頻器，在性能上有良好的表現(xiàn)，更易操作，對交流電牽引采煤機(jī)有更好的適應(yīng)性，可有效提升采煤效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄧補(bǔ)艷.大功率采煤機(jī)采煤技術(shù)探討[J].石化技術(shù)，2020，27（03）：182+169.

[2]李宏偉.采煤機(jī)截割電動(dòng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)研究[J].自動(dòng)化應(yīng)用，2020（02）：74-75.

作者簡介：褚紅義（1985.06.29）;性別：男，籍貫：山東棗莊市人，民族：漢，學(xué)歷：本科，現(xiàn)有職稱：助理工程師;研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化;