四象限变频器

1引言
随着我国煤矿采掘机械化水平的提高，大量的新技术、新装备不断投人到煤炭生产当中，使煤矿生产能力和技术装备得到长足发展。

我国从20世纪70年代分别引进了德国Eiekhoff公司，美国Joy公司的直流电牵引采煤机。

伴随电子技术的发展，从20世纪80年代后期出现了交流电牵引采煤机。

交流电牵引采煤机具有控制灵活、操作方便、监控完善等优点，以前交流电牵引机型主要采用一拖二(一台变频器拖动两台电机)的方式，这种方式存在的主要问题是：
(1)电控系统的监控功能差：变频器对牵引电机的运行参数难以准确检测，控制和保护性能无法完全发挥；
(2)调速系统的可靠性差；
(3)难以实现四象限(Ⅰ、Ⅲ象限为电动运转状态，Ⅱ、Ⅳ象限为制动运转状态)运行，使采煤机不能适应较大倾角煤层开采的需要。

要解决这些问题，提高四象限变频调速电牵引采煤机的性能是当今采煤机技术研究的热点。

2控制要求
根据煤矿操作的具体特点，电牵引采煤机应具有以下功能：
(1)自动与手动运行：自动运行为正常运行方式；手动运行是指在可编程序控制器出现故障的情况下由手动完成采煤机的各种操作。

(2)单牵引方式：采煤机为一拖一(一台变频器拖动一台电机)设计，当主变频器出现故障时需要从变频器牵引采煤机工作。

(3)对运行过程监控：采煤机运行时，要求对其进行可靠的实时监控，包括牵引状态、变频器运行参数、截割电机温度和电流等。

(4)通信功能：通过通信完成对变频器的控制。

(5)系统故障监测、报警、处理：采煤机运行时若发生故障，如出现变频器过流、过压及牵引电机故障等时能自动监测故障位置，并能按事先设定的故障级别进行处理，同时报警。

3系统组成
本电控系统的主要由主／从变频器、可编程序控制器(PLC)、FX2N-8AD模／
数转换模块、触摸屏、信号检测电路等组成。

采煤机电控系统框图如图1所示。

系统采用ABB公司的ACS811系列变频器，它具有回馈制动功能，能够在四个象限运行。

日本三菱公司生产的FX2N系列PLC作为中央处理器，FX2N-8AD 作为特殊功能模块，采样两台截割电机的电流以及温度，牵引变压器的温度等模拟量信号，转化为数字信号后反馈给PLC主机，在电流或温度过大时，立即断电来实现相关的保护功能。

触摸屏能够直观显示采煤机的工作状态和重要参数，实现故障报警、显示等。

4主控制回路的设计
4.1 变频器控制
两台变频器采用主从控制方案，一台主变频器，一台从变频器。

PLC只与主变频器进行通讯，主变频器由PLC给出速度给定，从变频器以主变频器的转矩输出作为其转矩给定，即主变频器由速度和转矩环控制，从变频器仅由转矩环控制。

4.2起停控制与保护电路
采煤机的自动运行，故障复位，单牵引方式，牵引电机正、反转，加、减速，2台截割电机温度监测，电流采样，恒功率保护，制动闸保护，牵引变压器温度监测及采煤机的动作执行等均通过PLC来实现。

瓦斯接点接进PLC中与其他故障一起通过自保接点接进启动回路里。

无论哪台电机的温度超限或瓦斯浓度超限，均可通过这些接点断开启动回路，从而切断采煤机的电源。

4.3故障报警系统
在自动控制系统的设计中，设计了故障显示报警系统，用触摸屏指示采煤机正常运行和故障情况。

当设备正常运行时对应出现采煤机正常工作状态画面，如
牵引速度，截割电机温度、电流，牵引电机电流等动态参数。

当该设备运行有故障时对应出现故障提示画面及相应的排除方法。

历史事件表中将记录该故障。

在处理故障时，又将故障进行分类，有些故障是要求系统停止运行的，但有些故障对系统工作影响不大，系统可带故障运行，故障可在运行中排除，这样就大大减少了整个系统的停止运行时间，提高了系统的可靠性运行水平。

4.4提高输入信号的可靠性
虽然可编程控制器本身具有很高的可靠性，但如果输入给PLC的开关量信号出现错误，模拟量信号出现较大偏差或PLC输出口控制的执行机构没有按要求动作，则这些都可能使控制过程出错。

要提高现场输入给PLC信号的可靠性，除选择可靠性较高的变送单元和各种开关，防止各种原因引起传送信号线短路、断路或接触不良外，应在程序设计时增加数字滤波程序以增加输入信号的可信性。

对数字信号滤波采用程序设计方法，在现场输入触点后加一定时器，定时时间根据触点抖动情况和系统要求的响应速度确定，这样可保证触点确实稳定闭合后才有其他响应。

对模拟信号滤波采用程序设计方法，对现场模拟信号连续采样50次，采样间隔由PLC转换速度和该模拟信号的变化速率决定，50次采样数据去掉最大值和最小值后求取平均值再由PLC运算处理。

4.5 负荷分配的控制
2台牵引电机拖动1台采煤机，只靠电动机速度同步并木能满足实际系统的工作要求，实际系统还要求各传动点电机负载率相同。

按定义电机负载率δ为：δ=P／Pe
式中：P为电机所承担的负载功率；Pe为电机额定功率。

负荷分配要求δ1=δ2=δ总，即：
因此P1=δ总×P1e，P2=δ总×P2e，负荷分配就是使P1，P2满足此要求。

可编程序控制器取各点电机的转矩，然后将从电机和主电机进行比较，调整其频率给定，加大或减小该电机转差率，从而调整该电机转矩以达到负荷平衡。

4.6通信
PLC通过通信方式对2台变频器进行控制以完成对采煤机的牵引控制。

(1)ABB变频器采用的是STD MODBUS通信协议。

该协议是一种串行的、非同步的主从通信协议，网络中只有一个设备能够建立协议，其他的设备只能通过
提供数据响应主机的查询，或根据查询做出相应的动作。

MODBUS协议定义了主机查询的格式，包括从机的编址方法(或广播)，要求动作的功能代码，传输数据和错误校验等，从机的响应也采用了同样的结构。

如果从机在接收信息时发生错误，或不能完成主机要求的动作，则它将组织一个故障信息作为响应。

(2)通信链接。

ACS811变频器通过RMBA-01MODBUS适配器模块构成标准MODBUS链接。

4.7 回馈制动
本系统的采煤机要求在38°左右的大倾角工作面上运行，制动功能会频繁使用。

因此变频调速系统采用的是瑞士ABB公司的ACS811四象限变频器，其内部配有回馈单元，结构如图2所示。

进线侧整流器和电机侧逆变器各包含6个带续流二极管的IGBT模块。

进线侧整流器与供电电网相连，IGBT供电模块将三相交流电整流成为直流电，为中间直流回路提供能量。

中间直流回路又为电机侧逆变器提供能量，推动电机运转。

能量既能从电网流向直流环节，又能从直流环节流向电网，也称回馈单元。

电机侧逆变器与牵引电动机相连，控制牵引电机的运行。

5结语
该交流电牵引采煤机电控系统具有以下特点：
(1)监控保护系统智能化：拖动方式为一拖一，可以准确检测牵引电机的运行状态，使牵引系统的控制和保护性能更趋完善；
(2)调速系统可靠性高、控制灵活、操作方便；
(3)实现四象限运行，能适应较大倾角煤层开采的需要；
该系统投入实际运行，结果表明该调速系统可靠性高，控制灵活，具有良好的运行特性。

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