变频调速系统在牵引梭车的应用

郑海峰

（华阳集团一矿机电工区，山西 阳泉 045000）

引言

变频调速系统主要被使用在煤矿行业中，应用于采煤机、梭车等。梭车是采煤过程中使用的设备，具有双向操作特点，在接煤和卸煤时不需要调头能够直接开展工作，主要负责连采机、皮带机之间的运输工作。变频器是梭车中的关键部分，能够进行电气牵引，梭车驱动力主要由变频电机控制器、变压器、开关电源构成的变频系统提供。本文主要研究分析变频器控制系统原理和控制方式，通过理论指导、现场实践等方式，制作梭车变频调速牵引系统。

1 变频调速系统主回路

牵引梭车中应用的变频调速系统主要使用两套逆变器共直流母线的设计来完成驱动器之间能量转换，一台设备进行发电，另一台设备就可以利用该设备生产的电能，能够防止电压过高，起到保护作用。变频调速设备由多个部分构成，分别是三相整流桥、滤波电路、逆变模块和输出电抗器等，能够控制驱动装置改变变频器主回路的电压。

1）断路器。该设备是保护装置，主要针对电源线路、电动机等部件进行保护，如果电压过高，电路过载发生短路等事故时，会触发断路器保护功能切断电路。

2）接触器。该设备作用在于接通与断开PLC 自动控制变频器的电源电路。

3）变频器。该设备包括了逆变电路与整流电路，起到变频调速的作用。

4）输入电抗器。输入电抗器的作用主要是对浪涌电压和浪涌电流进行压制，还能够调整改善变频器的功率和压制谐波电流，过滤谐波电压和电流，从而提高电网质量。

5）三相整流桥。三相整流桥设备可以进行交流直流电转换，直接将三相交流电转化为直流电。

6）滤波电容。滤波电容的功能是过滤消除三相整流之后产生的波纹，以此稳定电压。

7）充电回路。充电回路由两个部分构成，分别是限流电阻、接触器。限流电阻主要是控制充电电流，能够保护整流桥，直流母线电压上升到触发数值时会与接触器吸合，整流后直流回路能够借助接触器和三相主回路形成回路。

8）逆变模块。六个IGBT 就能构成一个逆变模块。IGBT可以将直流电改变成交流电，并且可以调整频率。

9）输出电抗器。输出电抗器位于变频器输出口，主要由于IGBT 在开关时会瞬间产生高压电，因此设置电抗器压制高压避免其影响电缆绝缘和电机。

2 变频调速系统控制回路

梭车能够行走的前提是，操作人员在启动前要先选择梭车前进方向，利用梭车脚踏型开关中设置的本质安全型变阻器来控制变频器功率，梭车转弯则利用检测转向油缸行程应用PLC 控制程序来调控梭车左右轮的速度，达到梭车左右、前进、后退功能，而且能够根据需要调整车速。

2.1 操作箱行进方向开关

梭车操作设备上安装着运行开关，能够控制梭车前进方向，主要开关有前进、后退两个，量节点闭合时梭车控制器能够接收运行信号运行。

2.2 变阻器与本质安全型隔离栅

变阻器阻值处于0～10 kΩ 之间，能够发生持续性变化的本质安全型电位计隔离栅可以对电位计阻值进行线性处理，梭车脚踏开关挂在最高点时电位计阻值是0，脚踏开关下拉时电阻值会变小，开关处于最低处时电阻值则是10 kΩ。

2.3 差速控制

差速控制主要是利用控制程序分别控制左右轮速度，在转弯时能够控制左右车轮产生差速运行，避免梭车转弯打滑。

2.4 模拟量和开关量输出

控制器能够接收操作方向开关发生的信号、梭车转向信号、频率给定的电流信号，然后对各类信号进行研究分析，然后发出相应运行信号，控制变频系统开始运行。

2.5 变频器输出

变频器能够发出梭车运行、梭车内部发生故障信号，由控制器接收信号，再对信号进行解读，发出运行命令或者故障提示。

2.6 通信

变频器和控制器需要使用Modbus 协议实现通信，变频器母线电压、运行电流、运行频率和变频器的故障可以利用该协议实时发送到控制器中。

2.7 过热保护

设置有热敏电阻与温度开关在变频电动机内，用以提供开关量与模拟量温度信号。控制其根据实际获得的温度信号来对电动机的内部温度进行动态检测，一旦出现温度异常的情况就及时停机，防止电动机受损。

2.8 控制器

在变频器中控制其是一项非常重要的组成部分，用以对开关信号进行接收与转换，通过对比、分析与判断经过本质安全型隔离栅转换的加速踏板信号后来将左右变频器所需的速度信号确定下来，用以对变频器输出的频率交流电实施控制。

3 变频器参数设置

为保证变频调速系统不仅存在理论中，也能够实际运用，使用现场实践的方式反复调试完善变频雕塑系统的设置参数，把变频器调试到最佳状态为止。

3.1 矢量控制

矢量控制采用的原理是利用测量和控制异步电动机定子电流矢量按照磁场定向。控制异步电动机中的励磁电流和转矩电流，最终完成控制异步电动机转矩目标。矢量控制方法可以提升梭车启动速度，降低启动时产生的电流，帮助变频器适应梭车的运行状态，使变频器的静态、动态性都可与直流电系统一致。

3.2 变频电机

变频调速系统输出电源与普通电源不同，是非正弦电源，所以提高电动机对非正弦电源的适应性是变频调速系统的关键。系统运行时发出的谐波电流也会影响电机的绝缘性能。所以在设置变频调速系统时不仅要对电机进行过热保护，也要重视变频电机绝缘材料的等级和耐性，提升电机的绝缘能力。

3.2.1 尽可能的减小定子和转子电阻

在设置变频电机时，最大限度降低定子和转子电阻能够减小基波铜耗，减小的消耗量可以补充高次谐波导致增加的铜耗。

3.2.2 主磁路

变频电机设计的主磁路通常会被设置成不饱和状态，首先是因为高次谐波会增加磁路的饱和程度。其次是电机处于低频状态时，要增加变频器的电压来提升输出转矩。

3.2.3 常闭温控开关

变频电机内部安装有MK1 型号的常闭温控开关装置，主要作用是过热断电。电机绕组温度过高，超出145 ℃时，温控开关会自动进行保护。

3.2.4 变频电机耐压要求

以2 630 V 作为变频器供电最高参考峰值，制定1～3 s 作为匝间试验脉冲8 000 V 时间。

3.2.5 绝缘等级

变频电机受非正弦电源和谐波电流影响，对绝缘要求较高，通常要求为200 级。

4 结语

变频调速系统已经广泛应用在煤矿井下设备中，特别是牵引梭车，对于采煤运输工作的作用逐渐加大。本文主要分析牵引梭车设置变频调速系统中的使用方法、构成组件、变频参数调试和变频器内部回路等。后续还需要对梭车进行实际使用来不断完善变频调速系统，可以直接提升变频调速系统在牵引梭车控制系统中的科学性、实用性。目前煤矿下使用的梭车变频调速系统已经逐渐调整完成，变频调速系统操作便捷、运行稳定，给煤矿挖掘运输工作提供较大帮助。