变频器调速装置抗干扰系统的优化研究

任志杰

（山西焦煤霍州煤电庞庞塔煤矿，山西 吕梁 033200）

庞庞塔煤矿井下一采区运煤系统所使用的输送机为DTL140/220/3×560X 型，正常运行时的带速为3.2 m/s。为了提高输送机系统的运行稳定性和经济型，其传动系统采用了BPJ1-2×630/1140 型变频器控制驱动，能够根据输送带上的物料负载情况灵活地调整输送机的运行带速，在保证物料运输需求的情况下最大限度地提高物料运行经济性。由于在运行时变频器调速装置的输出波形是通过正弦脉宽调试技术[1]来实现的，且井下有较为复杂的电磁干扰环境，导致变频器的变频调速装置在进行调控时极易受到电磁干扰，严重影响了输送机运行的调节效率和精确性。

针对目前变频器调速控制系统的不足，项目组对变频调速控制理论进行了研究，提出了一种新的变频器抗干扰调速控制系统，将抗干扰性极强的IGBT 作为了系统的开关器，并对电磁环境下的控制信号进行改进，提高变频器在不同环境下的抗干扰性。

1 变频器抗干扰调速控制系统

结合变频器的变频调速原理，本文所提出的变频器抗干扰调速控制系统主要包括控制装置、监控主站及监控平台三个部分。控制装置主要是接收监控主站的控制指令，快速准确实施调速控制指令；监控主站主要是接收监控平台传送的数据，对数据进行分析处理，并向控制装置发送各类监测控制指令；监控平台主要是用于对输送机运行状态及变频器运行控制状态进行监控，并向监控主站发送监控数据。

该抗干扰调速控制系统的硬件部分主要由UPS接口电路、数据处理器、驱动模块、转换接口等构成，模块化程度高，其硬件控制结构如图1[2]。

图1 抗干扰调速控制系统硬件结构示意图

该抗干扰调速系统有以下优点：（1）采用了低能耗、高性能的AT89C51ED2 型数据处理器，能够实现数据的快速读取和写入；能够反复拭处256byte 的随机存储数据[3]，为快速链接外部数据模块进行数据处理分析提供了基础；该数据处理器采用了双屏蔽抗干扰技术，能够满足井下复杂电磁环境下的使用要求；（2）采用了多组UPS 放电维护电路接口，能够将UPS 电源直接和数据主机连接，利用变频器逆变电路将直流电源转换为稳定的交流电源，从而提高了在复杂电磁环境下变频调速的精确性。

该抗干扰调速系统的主控电路如图2[4]。

图2 抗干扰调速控制系统控制电路示意图

由图2 可知，在系统得电时，由整流电路将交流电转换为直流电，同时主控单元对电压、温度、电池电量等数据进行监测和分析。若满足放电要求，则控制S2 闭合，逆变电路将其转换为交流电输出，同时控制S1 闭合，为电池充电；若不满足放电要求，则只控制S1 闭合，给电池充电。当主控电源检测到满足放电要求时，则控制S2 闭合，输出电压。此过程保证了系统放电的稳定性，避免因为放电不足导致的调节误差。

为了进一步降低系统对数据信息的收集偏差，系统采集到各类数据信息后首先进行信号转换处理，通过数据通信接口将其传输到数据处理器内，经过分析处理后将其输出，满足变频器调控需求。由于RS485 标准的信号传输具有抗干扰性强的优点，因此也可以保证信号的精准传输。

2 数据采集模块控制优化

通过对煤矿上原有数据采集模块进行分析可知，其数据采集芯片为单通道转换器[5]，数据传输能力受到了极大的限制，导致实际应用过程中的数据分析延迟率高，影响了调速控制的精确性。本文提出采用新的CS5460 型双通道智能模数转换器来进行替换，具有数据传输通道大、数据计算能力快的优点。另外，该转换器还能够将控制电路的电压和电流通过UPS 转换电路传输到VIN+端口和IIN+端口[6]，通过该端口可以对采集到的数据信息分别进行处理，提高了系统放电电流计算的准确性。

同时为提高数据信息采集和处理的效率，项目组还开发了一种基于RS485 总线[7]的抗干扰调速通信网络，将数据监测中心、电源模块、控制模块等进行了连接。通过连接，实现了电源模块对系统电池组合工作电压、电流等的监测和调整功能，确保各类控制电流及通信电流信号的稳定性；也实现了系统对电池的内阻和电压的监测和预警功能，当电压超过警戒值时，由系统进行控制，实现高压向低压的转换，保证了电池供电电压的总体平衡，提高电池组的使用寿命和控制精确性。

3 控制逻辑优化

根据抗干扰自动调速控制系统的实际需要，结合变频器抗干扰调速控制系统硬件结构及调速控制的需求，项目组提出了一种新的变频调速控制逻辑程序，如图3[8]。

图3 抗干扰变频控制系统控制逻辑示意图

由图3 可知，系统开始运行时，首先对初始化的参数进行汇总分析，对控制中心的运行状态进行判断，若处于正常工作状态，则对电源的输出电压以及控制电路的运行状态进行监测和调整，解决了传统控制逻辑无法对系统状态是否正常判断的不足，提高了控制的效率和精确性。

为了确保在电磁干扰下的控制精确性，在控制逻辑中设置了变频调速修正程序，根据UPS 的放电控制理论，将系统电池容量、工作时的放电速度、系统安全参数作为调节逻辑，进行精确调节控制。变频调速修正程序如图4[9]。

图4 变频调速修正程序逻辑图

由图4 可知，控制系统处在智能维护状态时，系统首先对放电电流、电压以及电容进行监测和分析：若电容容量充足，则触发IGBT 工作，主电路通电；若电容容量不足，则系统返回到测量阶段重新进行计算，直到达到系统触发条件。

系统处在手动维护模式下时，系统首先对工作电流、电压、电容容量是否满足系统的控制时间进行对比，若达到系统设定时间则切换到主电路工作，若没有达到设定时间则系统重新返回到测量阶段，重新进行计算，直到达到系统的触发条件[10]。

根据抗干扰控制系统的硬件结构，通过对抗干扰控制逻辑的优化，实现了控制系统在不同电磁环境下对变频调速装置的智能调控，提高了系统的调节精度和灵活性。

4 实际使用分析

该变频器抗干扰控制系统主要是为了提高变频器在调速过程中的调节效率和精确性，因此在庞庞塔矿对不同时间下的变频器维护系统进行了实际对标对比验证，系统设定的不同时间点的维护位置见表1。

表1 不同时间下变频器维护位置要求汇总表

分别采用传统的变频调速控制方案和新的变频器抗干扰调速控制系统对其控制结果进行对比，见表2。

表2 不同控制逻辑下的位置调节对比

当在煤矿井下实际运行时，采用传统控制方案时，调控的准确性只有60%，而采用新的抗干扰调速控制模式时系统的调节控制精度达到了100%，极大地提升了变频器的调节控制精度。同时对系统发出煤量调节信号到驱动电机执行速度调整的实际时间进行统计，采用传统的控制模式下的执行时间约为3.7 s，采用新的抗干扰调速控制系统后的实际执行时间约为1.2 s，将调节时间缩短了67.6%，对提升运煤系统的调节效率和可靠性具有十分重要的意义。

5 结论

（1）抗干扰调速控制系统的硬件部分主要由转换电路、开关电路、单片机控制电路够成，模块化程度高。

（2）将单通道转换器替换为CS5460 型双通道智能模数转换器，其具有数据传输通道大、数据计算能力快的优点，能够对采集到的数据信息进行分类处理，对各类电气故障信息进行分析和预警，提高系统放电电流计算的准确性。

（3）新的控制系统能够将变频调速精度提升到100%，将调速时间降低67.6%，对提升输送机系统的运行效率和调速精度具有十分重要的意义。