四象限變頻器

1、1引  言隨著我國煤礦采掘機械化水平的提高，大量的新技術(shù)、新裝備不斷投人到煤炭生產(chǎn)當中，使煤礦生產(chǎn)能力和技術(shù)裝備得到長足發(fā)展。我國從20世紀70年代分別引進了德國Eiekhoff公司，美國Joy公司的直流電牽引采煤機。伴隨電子技術(shù)的發(fā)展，從20世紀80年代后期出現(xiàn)了交流電牽引采煤機。交流電牽引采煤機具有控制靈活、操作方便、監(jiān)控完善等優(yōu)點，以前交流電牽引機型主要采用一拖二(一臺變頻器拖動兩臺電機)的方式，這種方式存在的主要問題是：(1)電控系統(tǒng)的監(jiān)控功能差：變頻器對牽引電機的運行參數(shù)難以準確檢測，控制和保護性能無法完全發(fā)揮；(2)調(diào)速系統(tǒng)的可靠性差；(3)難以實現(xiàn)四象限(、象限為電動運

2、轉(zhuǎn)狀態(tài)，、象限為制動運轉(zhuǎn)狀態(tài))運行，使采煤機不能適應(yīng)較大傾角煤層開采的需要。要解決這些問題，提高四象限變頻調(diào)速電牽引采煤機的性能是當今采煤機技術(shù)研究的熱點。2控制要求根據(jù)煤礦操作的具體特點，電牽引采煤機應(yīng)具有以下功能：(1)自動與手動運行：自動運行為正常運行方式；手動運行是指在可編程序控制器出現(xiàn)故障的情況下由手動完成采煤機的各種操作。(2)單牽引方式：采煤機為一拖一(一臺變頻器拖動一臺電機)設(shè)計，當主變頻器出現(xiàn)故障時需要從變頻器牽引采煤機工作。(3)對運行過程監(jiān)控：采煤機運行時，要求對其進行可靠的實時監(jiān)控，包括牽引狀態(tài)、變頻器運行參數(shù)、截割電機溫度和電流等。(4)通信功能：通過通信完成對變頻器

3、的控制。(5)系統(tǒng)故障監(jiān)測、報警、處理：采煤機運行時若發(fā)生故障，如出現(xiàn)變頻器過流、過壓及牽引電機故障等時能自動監(jiān)測故障位置，并能按事先設(shè)定的故障級別進行處理，同時報警。3系統(tǒng)組成本電控系統(tǒng)的主要由主從變頻器、可編程序控制器(PLC)、FX2N-8AD模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、觸摸屏、信號檢測電路等組成。采煤機電控系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)采用ABB公司的ACS811系列變頻器，它具有回饋制動功能，能夠在四個象限運行。日本三菱公司生產(chǎn)的FX2N系列PLC作為中央處理器，F(xiàn)X2N-8AD作為特殊功能模塊，采樣兩臺截割電機的電流以及溫度，牽引變壓器的溫度等模擬量信號，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后反饋給PLC主機，在電流或溫度

4、過大時，立即斷電來實現(xiàn)相關(guān)的保護功能。觸摸屏能夠直觀顯示采煤機的工作狀態(tài)和重要參數(shù)，實現(xiàn)故障報警、顯示等。4主控制回路的設(shè)計4.1  變頻器控制兩臺變頻器采用主從控制方案，一臺主變頻器，一臺從變頻器。PLC只與主變頻器進行通訊，主變頻器由PLC給出速度給定，從變頻器以主變頻器的轉(zhuǎn)矩輸出作為其轉(zhuǎn)矩給定，即主變頻器由速度和轉(zhuǎn)矩環(huán)控制，從變頻器僅由轉(zhuǎn)矩環(huán)控制。4.2起停控制與保護電路采煤機的自動運行，故障復(fù)位，單牽引方式，牽引電機正、反轉(zhuǎn)，加、減速，2臺截割電機溫度監(jiān)測，電流采樣，恒功率保護，制動閘保護，牽引變壓器溫度監(jiān)測及采煤機的動作執(zhí)行等均通過PLC來實現(xiàn)。瓦斯接點接進PLC中與其他故

5、障一起通過自保接點接進啟動回路里。無論哪臺電機的溫度超限或瓦斯?jié)舛瘸蓿赏ㄟ^這些接點斷開啟動回路，從而切斷采煤機的電源。4.3故障報警系統(tǒng)在自動控制系統(tǒng)的設(shè)計中，設(shè)計了故障顯示報警系統(tǒng)，用觸摸屏指示采煤機正常運行和故障情況。當設(shè)備正常運行時對應(yīng)出現(xiàn)采煤機正常工作狀態(tài)畫面，如牽引速度，截割電機溫度、電流，牽引電機電流等動態(tài)參數(shù)。當該設(shè)備運行有故障時對應(yīng)出現(xiàn)故障提示畫面及相應(yīng)的排除方法。歷史事件表中將記錄該故障。在處理故障時，又將故障進行分類，有些故障是要求系統(tǒng)停止運行的，但有些故障對系統(tǒng)工作影響不大，系統(tǒng)可帶故障運行，故障可在運行中排除，這樣就大大減少了整個系統(tǒng)的停止運行時間，提高了系統(tǒng)的可

6、靠性運行水平。4.4提高輸入信號的可靠性雖然可編程控制器本身具有很高的可靠性，但如果輸入給PLC的開關(guān)量信號出現(xiàn)錯誤，模擬量信號出現(xiàn)較大偏差或PLC輸出口控制的執(zhí)行機構(gòu)沒有按要求動作，則這些都可能使控制過程出錯。要提高現(xiàn)場輸入給PLC信號的可靠性，除選擇可靠性較高的變送單元和各種開關(guān)，防止各種原因引起傳送信號線短路、斷路或接觸不良外，應(yīng)在程序設(shè)計時增加數(shù)字濾波程序以增加輸入信號的可信性。對數(shù)字信號濾波采用程序設(shè)計方法，在現(xiàn)場輸入觸點后加一定時器，定時時間根據(jù)觸點抖動情況和系統(tǒng)要求的響應(yīng)速度確定，這樣可保證觸點確實穩(wěn)定閉合后才有其他響應(yīng)。對模擬信號濾波采用程序設(shè)計方法，對現(xiàn)場模擬信號連續(xù)采樣50

7、次，采樣間隔由PLC轉(zhuǎn)換速度和該模擬信號的變化速率決定，50次采樣數(shù)據(jù)去掉最大值和最小值后求取平均值再由PLC運算處理。4.5  負荷分配的控制2臺牽引電機拖動1臺采煤機，只靠電動機速度同步并木能滿足實際系統(tǒng)的工作要求，實際系統(tǒng)還要求各傳動點電機負載率相同。按定義電機負載率為：=PPe式中：P為電機所承擔的負載功率；Pe為電機額定功率。負荷分配要求1=2=總，即：因此P1=總×P1e，P2=總×P2e，負荷分配就是使P1，P2滿足此要求?？删幊绦蚩刂破魅「鼽c電機的轉(zhuǎn)矩，然后將從電機和主電機進行比較，調(diào)整其頻率給定，加大或減小該電機轉(zhuǎn)差率，從而調(diào)整該電機轉(zhuǎn)矩以達到負

8、荷平衡。4.6通信PLC通過通信方式對2臺變頻器進行控制以完成對采煤機的牽引控制。(1)ABB變頻器采用的是STD MODBUS通信協(xié)議。該協(xié)議是一種串行的、非同步的主從通信協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)中只有一個設(shè)備能夠建立協(xié)議，其他的設(shè)備只能通過提供數(shù)據(jù)響應(yīng)主機的查詢，或根據(jù)查詢做出相應(yīng)的動作。MODBUS協(xié)議定義了主機查詢的格式，包括從機的編址方法(或廣播)，要求動作的功能代碼，傳輸數(shù)據(jù)和錯誤校驗等，從機的響應(yīng)也采用了同樣的結(jié)構(gòu)。如果從機在接收信息時發(fā)生錯誤，或不能完成主機要求的動作，則它將組織一個故障信息作為響應(yīng)。(2)通信鏈接。ACS811變頻器通過RMBA-01MODBUS適配器模塊構(gòu)成標準MODBU

9、S鏈接。4.7  回饋制動本系統(tǒng)的采煤機要求在38°左右的大傾角工作面上運行，制動功能會頻繁使用。因此變頻調(diào)速系統(tǒng)采用的是瑞士ABB公司的ACS811四象限變頻器，其內(nèi)部配有回饋單元，結(jié)構(gòu)如圖2所示。進線側(cè)整流器和電機側(cè)逆變器各包含6個帶續(xù)流二極管的IGBT模塊。進線側(cè)整流器與供電電網(wǎng)相連，IGBT供電模塊將三相交流電整流成為直流電，為中間直流回路提供能量。中間直流回路又為電機側(cè)逆變器提供能量，推動電機運轉(zhuǎn)。能量既能從電網(wǎng)流向直流環(huán)節(jié)，又能從直流環(huán)節(jié)流向電網(wǎng)，也稱回饋單元。電機側(cè)逆變器與牽引電動機相連，控制牽引電機的運行。5結(jié)  語該交流電牽引采煤機電控系統(tǒng)具有以下特點：(1)監(jiān)控保護系統(tǒng)智