煤矿电机应急调速系统研究

杜志超

（同煤集团挖金湾煤业公司， 山西 大同 037042）

引言

在煤炭开采过程中需要应用大量的机电设备，而机电设备的调速系统需要用到变频器，由于变频器的维护周期较长，所以一旦变频器损坏将给煤矿带来经济和安全上的巨大损失，因此提出设计一套机电设备的应急调速系统。当机电设备变频调速器出现故障时，该系统能够及时切换并替换原来的变频器，保证电机的正常工作[1]。

1 煤矿电机应急调速系统的功能要求

1）该系统的特点是应急时使用，结构简单，安装方便，能适应煤矿开采过程中苛刻环境，包括潮湿、瓦斯防爆、粉尘污染等。

2）煤矿开采过程中使用的电机具有大扭矩、高精度、软启动、电机保护等也是该系统应具有的。

3）该系统应具有自动切换和手动切换两种模式，自动切换是当电机的变频器发生故障时，该系统能够自动匹配该电机的参数，并切换控制该电机。手动切换是当电机的变频器发生故障时，利用手动的方式输入该电机的参数，并手动切换控制该电机。

4）该系统应具有良好的人机交互界面，能够对各机电设备的工作状态进行实时监控，并对数据进行分析[2]。

2 系统方案设计

2.1 系统整体架构设计

电机应急调速系统工作原理为：当机电设备变频器发生故障时，由应急系统的主控制器启动应急变频器，并将故障变频器中存储的电机运行参数转存到应急变频器中，应急变频器工作时，主控制器负责对电机的运行状态进行实时监测，利用PID控制算法保证电机的正常工作[3]。该系统的结构如图1所示。

图1 系统总体架构图

如图1所示，煤矿机电应急调速系统主要由主控制模块、切换模块、变频器模块、人机交互模块、终端监测模块、报警模块等构成。

主控制模块由PLC控制器构成，负责接收监测系统采集到的终端数据并对数据进行分析，包括运行电机的工作参数，变频器的工作参数等。将采集到的数据分析后，将指令传达给切换模块，最终实现对故障电机的准确控制。

变频模块主要实现对故障电机的转速进行控制，主要由变频器组成。当电机变频器发生故障时，主控制器PLC首先将故障变频器停止工作，同时收集故障电机的工作参数传送到应急变频器，利用切换模块使应急变频器开始工作，保证电机的正常工作，人机交互模块主要负责对应急调速系统的参数进行设定和输入，包括该系统中的中央控制器PLC、应急变频器、应急切换装置等。

应急切换模块主要负责当电机变频器发生故障时，中央控制器负责下达指令给应急切换装置，实现应急变频器和故障变频器之间的工作交接，保证电机的正常运转。

报警模块负责当终端监测系统发现电机的工作状态异常时，报警模型发出信号给中央控制器，保证电机设备及时恢复正常工作。

2.2 变频器的选型

变频器作为电机应急调速系统的执行部件，其作用至关重要。变频器按照变换方式可以分为两类：交流到交流变频器和交流到直流再到交流变频器。交流到交流变频器的工作方式为将固定频率的交流电变换为频率和电压可调的交流电。交流到直流变频器的工作方式为，将固定频率的交流电变换为直流电，然后再将直流电变换为频率和电压均可调的交流电。本文主要介绍后一种变频器[4-5]，其电路如图2所示。

图2 变频器硬件结构

从图2中可以看出，该变频器组要部件由整流器、中间滤波器、逆变器等组成。其中整流器负责将三相交流电整流成直流。中间滤波器负责将整流过程中的不稳定电压过滤掉。逆变器负责将直流电转变成工作元件需要的交流电。

控制电路主要由运算单元、保护单元、信号检测单元、速度检测单元、驱动单元等组成。其中运算单元负责计算逆变器需要的电压和频率；信号检测单元负责检测系统运行过程中的电压和电流等；保护单元负责当系统运行过程中出现电压或电流超载时，断开相应的开关，保护系统中的用电设备受到损坏。

变频器的选择应该依据以下几个方面：

1）电机的负载情况，主要分为恒转矩负载和恒功率负载两种；

2）电动机的额定参数（电流和电压），决定变频器额定输出（频率、电流和容量）；

3）变频器的功能和成本等。

根据以上特点，本文决定采用森兰变频器，该变频器具有高精度、大转矩、多段速、灵活的传输接口等特点。

2.3 PLC的选型

PLC作为机电应急调速系统的主控制器，其必须满足内部和外部两方面的要求。外部要求，PLC必须在恶劣的环境下保证正常工作；内部要求，PLC能够实现相对复杂的控制和保证稳定的可靠性等[6]。

可编程控制器主要由中央处理器、存储器、输入/输出接口、电源等部件构成。其结构示意如图3所示。

其中CPU模块主要负责对系统信号的接收，存储并经过控制器的运算，然后发出指令，来实现对运动部件的控制。

图3 PLC硬件结构

输入/输出单元负责接收终端监测装置采集的终端设备的数字信号并发送可编程控制器下达的指令，并将该指令以电信号的方式传送给执行机构。

外部接口，其主要负责和执行元件的对接即数据传输接口，保证其执行元件的多样性。

通过以上分析，本文决定选择西门子品牌的S7-200系列PLC作为本系统的主控制器，它具有结构简单、工作稳定、操作方面、应用广泛等优点。

2.4 应急系统的切换装置

切换装置是应急调速系统的主要部件，是应急系统能否代替电机中故障的变频器保证电机正常工作的执行结构。

切换方式常见的主要有冷切换和热切换。其中冷切换是要求电动机和变频器都处于停止工作的状态时才能实现的切换，这种切换要求电机和变频器之间必须连接有断路器和接触器。热切换又分为硬切换和软切换两种模式。硬切换是指把电动机从变频控制状态切换到工频控制方式，这种切换方式容易使变频器损坏。软切换是当变频控制和工频控制二者之间的频率达到一致时的一种切换，当二者的频率不同时切换也会严重损坏变频器。

当出现变频器故障停机时，可以采用硬切换的方式实现应急变频器的切入使用，也可以采用改进的硬切换方式进行切入。改进的硬切换方式是指，当电动机变频器故障时，应先检测电机感应电动势的频率和相位，当变频器和电动机二者的频率接近时，将变频器的输出相位锁定，使二者达到相同的频率。此时将应急变频器切入同电机连接，最终保证电机由故障到正常工作的平稳过渡。

3 结语

通过建立煤矿电机应急调速系统，对煤矿电机的工作状态进行监测。通过对电机中变频器维修周期长等因素的分析，提出该系统的建立，主要做了以下工作：

1）对煤矿机电应急调速系统的功能需求和整体结构进行分析；

2）对煤矿电机应急调速系统各个控制模块进行功能需求分析及硬件选型等。