CN105281642A - 适用于双速电机的矿用隔爆兼本质安全型交流变频系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于双速电机的矿用隔爆兼本质安全型交流变频系统，属于矿用刮板输送机用变频调速装置技术领域，提供了一种结构简单、合理，有效提高刮板输送机运行稳定性，延长使用寿命的适用于双速电机的矿用隔爆兼本质安全型交流变频系统，采用的技术方案为输入电源经隔离开关、高速回路与异步电机相连接，低速回路并联在高速回路上，进线滤波回路的输入端设置有输入真空接触器，进线滤波回路的输出端通过电抗线圈与整流回路的输入端相连接，整流回路的输出端通过电容与逆变回路的输入端相连接，逆变回路的输出端与出线滤波回路的输入端相连接，出线滤波回路的输出端设置有输出真空接触器；本发明广泛用于刮板机的变频调速。

Description

适用于双速电机的矿用隔爆兼本质安全型交流变频系统

技术领域

本发明涉及一种适用于双速电机的矿用隔爆兼本质安全型交流变频系统，属于矿用刮板输送机用变频调速装置技术领域。

背景技术

随着电气传动领域发生重大的技术变革，交流调速技术获得了飞速发展，变频控制方式具有良好的调速特性和节能效果。变频器由初期的变压变频（VVVF）调速方案，到目前的矢量、直接转矩控制方案，使变频控制不仅具有稳态的控制特性，而且具有良好的动态性能，可以与直流调速系统相媲美，不仅解决了风机、泵类等负载的拖动，而且也解决了带式输送机、刮板输送机、绞车、提升机等低速大扭矩等场合的控制。采用变频调速技术，可以解决:①节能问题；②设备的高精度转矩控制；③净化环境，安全生产的问题。由于煤矿井下具有爆炸性气体的特殊环境，通用变频器不允许直接下井使用，因此，设计研制防爆变频器非常关键。

　　鉴于历史的原因及我国煤矿实际情况，煤矿电压等级为380V、660V和1140V，其所有设备都是围绕这几种电压。随着煤炭产量的提高，大功率的采、掘、运设备不断增加，其电压等级也逐步升高。目前已有6kV和10kV直接进综采高产高效工作面或掘、锚一体化的工作线。虽然电压逐步在升高，但大部分设备的电压还是在1140V以下，这些设备占煤矿总设备的96%左右，目前正是这96%的设备电机的控制需要改造。根据我国煤炭工业的现状和发展趋势，目前矿山(尤其是国有大矿)综采工作面大多数以1140V作为井下供电系统的主导电压，大巷设备采用660V供电，为此，防爆变频器电压应选用660V、1140V两个电压等级。考虑近几年矿山机电设备的发展趋势，带式输送机、刮板输送机、给煤机、通风机、水泵及油泵等设备都有选配变频控制器的趋势。

　　由于国外没有防爆变频器，也没有1140V的电压等级，而且国外把1000V～3000V以上的电压等级归入中压，故给国内煤矿用户的选型带来一定的困难，加上煤矿井下环境恶劣，有甲烷等爆炸性气体和煤尘存在，终因防爆散热问题得不到解决，使变频器在煤矿井下使用受到限制。

随着新材料、新技术的不断发展，散热技术日趋完善，煤矿井下用变频器的散热问题已能得到解决。为此，集变频调速技术、散热技术、电气技术、防爆技术和环保技术为一体的煤矿井下用防爆交流变频器必将受到煤矿的青睐。

刮板输送机具有工作环境恶劣、负载变化大、停机随机性等特点，也引起了难启动的问题。当刮板输送机带载启动时，启动电流是额定电流的6~8倍，造成电网冲击，电网电压下降，影响刮板输送机的启动性能，影响电网上其它设备的正常运行，引发控制设备发热、过流等问题，同时还会使电机绕组发热，从而加速绝缘老化，影响电机寿命；且在起动、运行过程中存在堵转情况，需频繁起停、频繁换向。另外，刮板输送机运行时，存在大量空载、轻载运行情况，造成电能浪费，产生机械磨损；停机时，传动系统为松驰状态，各个环节都有一定的间隙，启动瞬间施以较大的启动转矩，在克服间隙的过程中，对整个传动系统造成强大的机械冲击，容易引起断链等事故，材料消耗大。当多机拖动时，还存在功率不平衡问题，刮板输送机的以上种种特殊性限制了常用变频装置或变频器在刮板输送机上的应用及推广。

发明内容

为解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种结构简单、合理，有效提高刮板输送机运行稳定性，延长使用寿命的适用于双速电机的矿用隔爆兼本质安全型交流变频系统。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为适用于双速电机的矿用隔爆兼本质安全型交流变频系统,包括：隔离开关、高速回路、低速回路和异步电机，输入电源经隔离开关、高速回路与异步电机相连接，所述低速回路并联在高速回路上，所述高速回路主要由进线滤波回路、整流回路、逆变回路和出线滤波回路构成，所述进线滤波回路的输入端设置有输入真空接触器，进线滤波回路的输出端通过电抗线圈与整流回路的输入端相连接，所述整流回路的输出端通过电容与逆变回路的输入端相连接，所述逆变回路的输出端与出线滤波回路的输入端相连接，所述出线滤波回路的输出端设置有输出真空接触器；

所述电容上还连接有预充电回路，所述预充电回路主要由控制开关和功率电阻构成，所述控制开关的进线接线端与输入真空接触器的进线接线端相连接，所述控制开关的出线接线端通过功率电阻与整流回路的输入端相连接；

所述低速回路包括低速回路接触器，所述隔离开关的出线接线端通过低速回路接触器与异步电机相连接。

优选的，所述异步电机上还设置有漏电闭锁保护电路，所述漏电闭锁保护电路分别与高速回路、低速回路相连接。

优选的，还包括PLC控制器和变频主控模块，所述变频主控模块通过驱动电路与逆变回路相连接，所述变频主控模块与接口板相连接，所述接口板上连接有控制盘，所述接口板通过Modbus通讯模块与PLC控制器通讯连接，所述PLC控制器上连接有操作按键和显示器。

优选的，所述逆变回路是由GTO半导体器件、GTR半导体器件或IGBT半导体器件组成的三相逆变。

优选的，所述电容采用薄膜电容。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：本发明把工频电源通过整流器变成平滑直流，然后利用半导体器件组成的三相逆变器，将直流电变成可变电压和可变频率的交流电，由于采用正弦脉宽调制方法，使输出波形近似正弦波，用于驱动异步电机，实现无级调速；并且安全、可靠，有效提高刮板输送机的运行稳定性，延长刮板输送机的使用寿命。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，适用于双速电机的矿用隔爆兼本质安全型交流变频系统,包括：隔离开关1、高速回路2、低速回路3和异步电机4，输入电源经隔离开关1、高速回路2与异步电机4相连接，低速回路3并联在高速回路2上，高速回路2主要由进线滤波回路5、整流回路6、逆变回路7和出线滤波回路8构成，进线滤波回路5的输入端设置有输入真空接触器9，进线滤波回路5的输出端通过电抗线圈10与整流回路6的输入端相连接，整流回路6的输出端通过电容11与逆变回路7的输入端相连接，电容11采用薄膜电容，逆变回路7的输出端与出线滤波回路8的输入端相连接，出线滤波回路8的输出端设置有输出真空接触器12；电容11上还连接有预充电回路13，预充电回路13主要由控制开关14和功率电阻15构成，控制开关14的进线接线端与输入真空接触器9的进线接线端相连接，控制开关14的出线接线端通过功率电阻15与整流回路6的输入端相连接；低速回路3包括低速回路接触器16，隔离开关1的出线接线端通过低速回路接触器16与异步电机4相连接，逆变回路7是由GTO半导体器件、GTR半导体器件或IGBT半导体器件组成的三相逆变，异步电机4上还设置有漏电闭锁保护电路17，漏电闭锁保护电路17分别与高速回路2、低速回路3相连接。

此外，还包括PLC控制器18和变频主控模块19，变频主控模块19通过驱动电路与逆变回路7相连接，变频主控模块19与接口板20相连接，接口板20上连接有控制盘21，接口板20通过Modbus通讯模块与PLC控制器18通讯连接，PLC控制器18上连接有操作按键22和显示器23。

其工作原理如下：

a、高速回路

隔离开关、输入真空接触器、输出真空接触器，隔离开关可以在需要时方便设备检修，输出真空接触器确保了变频器在不工作时与负载可靠分断。

b、预充电回路

辅助充电接触器在系统上电时先通过两个充电电阻对直流支撑电容进行充电，充电完成后切换至主回路输入接触器。直流回路并接功率电阻，系统掉电后，电容上的剩余的电能可以通过此电阻进行放电，并保证在10分钟内放电至安全电压。

c、整流回路

整流器是将交流电变换成直流的电力电子装置，其输入电压为正弦波，输入电流非正弦，带有丰富的谐波。一般由功率二极管进行整流。

d、直流回路

直流回路的储能、滤波、支撑电容全部采用薄膜电容，与传统使用的电解电容相比，薄膜电容具有以下优点：等效串联电阻（ESR）极低，耐压高，可以直接并联使用，提高了效率，大大降低其ESR，减小了电容发热，提高了电容的寿命；薄膜电容器过流能力可以达到1.5倍；薄膜电容器容量温度变化率仅为铝电解电容器的10％左右，薄膜电容器的损耗仅为铝电解电容器的1％左右，发热量小，温升低；没有酸污染、寿命长、可长时间存储。保证了变频器的稳定性。

e、逆变回路

逆变回路主要是将直流电转换为电压和频率可调节的交流电，逆变模块采用3300V系列IGBT，电流余量为标准值的4倍，满足刮板输送机负载变化剧烈、起停频繁容易堵转等工况要求。IGBT驱动板采用即插即用型驱动，驱动信号通过光纤进行隔离，确保驱动信号的稳定和控制回路的安全。

f、EMC解决方案

内置输入滤波器、输入电抗器、输出滤波器，及参数间的匹配，具有完备的EMC解决方案。消除刮板输送机用变频器对本机及联合运行设备的干扰，保证本机及配套运行设备的正常运行。

g、PLC控制系统

PLC作为上位机，通过通讯方式实现对变频器核心的完全控制，避免了模拟信号控制变频器容易受到干扰的问题，提供简易的用户操作及友好的显示界面；易于和用户接口，便于控制功能扩展。变频器与外部接口部分采用本安化处理。PLC自带MODBUS通讯、可以扩展以太网模块、PROFIBUS模块等，便于和其它控制系统连接。

PLC控制系统实现电源缺相、负载缺相、漏电闭锁、接地保护、过压保护、欠压保护、等磁力起动器所有保护功能，以及充电故障、电机堵转、电流传感器故障、过流、主控板故障等变频回路的保护。

PLC控制人机界面，实现变频器参数设定、参数显示、故障记录及故障查询功能，出现故障时可给出可能的故障原因提示

h、控制技术

控制核心具有直接转矩控制功能，具备过流、短路、缺相、IGBT过热等故障保护功能。直接转矩控制（DTC）可以对所有交流电机的核心变量进行直接控制,即使不使用任何来自电机轴上的速度反馈，变频器也能进行精确的转矩和速度控制。使用DTC控制，在40HZ以下典型的转矩响应时间在1到2ms，而带编码器的矢量控制和直流传动响应时间在10-20ms之间，不带编码器的矢量控制响应时间为100-200ms。在没有速度反馈的情况下实现零速满转矩，启动时可达2倍额定转矩，适应刮板输送机重载启动、负载变化剧烈等特点。

i、低速回路设计

低速回路运用在特殊应急场合，如刮板输送机出现卡链或需要紧链、点车、调试、调整等场合。

低速回路由真空接触器实现，电机控制保护由控制回路的PLC及电流传感器实现，可与高速回路电气进行电气互锁，同时通过外部配接矿用隔爆型滤波电抗器，实现工频、变频的灵活切换。通过PLC进行控制和保护，可以实现完整的磁力启动器的功能。

变频器的具体工作模式

变频器具有单台/多台，正转/反转，工频/变频，本控/远控，手动/自动，工作/检修/放电等控制方式，并能通过预留的通讯端口与上位机进行可靠的通讯，从而实现现代化控制系统对设备进行集中控制的的要求。

1）单台/多台传动控制模式：在单台/多台应用中，系统由几个变频器共同驱动，其电机轴相互耦合，作为控制信号接收的末端变频器设置为单台，其余变频器设置为多台。单台/多台变频器通过双绞屏蔽电缆连接进行数据传输。

2）正转/反转控制模式：用户通过本安操作板可以对变频器进行正转和反转的运行控制，如若改变了变频器的输出转向，那么电机回首先被制动到零然后再根据相反的转向速度运转。

3）工频/变频控制模式：在使用中，用户可以通过本安操作板对变频器的工频和变频模式进行设定，在变频器无故障情况下建议用户采用变频控制模式；当变频单元出现故障时，可以设定为工频控制模式，作为应急旁路系统，可以有效地防止因变频器故障而引起的停产。

4）本控/远控工作模式：变频器可以接受来本地或来自外部数字/模拟输入口的起动、停止命令及给定信号值。利用可选的的现场总线适配器能够通过开放的现场总线连接控制变频器的工作，变频器设定为本控模式时，其控制指令由本地控制I/O点给出，使用本控模式时，本变频器不受外部I/O发出的起动，停止信号的影响。变频器设定为远控模式时，其控制指令由外部I/O端或现场总线接口给出。

5）速度给定工作模式选择：变频器在单台运行时可以采用两种速度给定模式。

a.手动方式：即通过本安接线腔的绕线式电位器阻值的大小来调节模拟量给定值，从而来控制变频器的频率或速度电动机运行速度；

b.恒速给定：变频器有三种可选的恒定速度给定值（速度值可设），用户可以根据实际需要通过本安接线腔内的四档位转换开关选择需要的速度值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包在本发明范围内。

Claims (5)

1.适用于双速电机的矿用隔爆兼本质安全型交流变频系统,包括：隔离开关、高速回路、低速回路和异步电机，输入电源经隔离开关、高速回路与异步电机相连接，所述低速回路并联在高速回路上，其特征在于：所述高速回路主要由进线滤波回路、整流回路、逆变回路和出线滤波回路构成，所述进线滤波回路的输入端设置有输入真空接触器，进线滤波回路的输出端通过电抗线圈与整流回路的输入端相连接，所述整流回路的输出端通过电容与逆变回路的输入端相连接，所述逆变回路的输出端与出线滤波回路的输入端相连接，所述出线滤波回路的输出端设置有输出真空接触器；

所述电容上还连接有预充电回路，所述预充电回路主要由控制开关和功率电阻构成，所述控制开关的进线接线端与输入真空接触器的进线接线端相连接，所述控制开关的出线接线端通过功率电阻与整流回路的输入端相连接；

所述低速回路包括低速回路接触器，所述隔离开关的出线接线端通过低速回路接触器与异步电机相连接。

2.根据权利要求1所述的适用于双速电机的矿用隔爆兼本质安全型交流变频系统，其特征在于：所述异步电机上还设置有漏电闭锁保护电路，所述漏电闭锁保护电路分别与高速回路、低速回路相连接。

3.根据权利要求1或2所述的适用于双速电机的矿用隔爆兼本质安全型交流变频系统，其特征在于：还包括PLC控制器和变频主控模块，所述变频主控模块通过驱动电路与逆变回路相连接，所述变频主控模块与接口板相连接，所述接口板上连接有控制盘，所述接口板通过Modbus通讯模块与PLC控制器通讯连接，所述PLC控制器上连接有操作按键和显示器。

4.根据权利要求1所述的适用于双速电机的矿用隔爆兼本质安全型交流变频系统，其特征在于：所述逆变回路是由GTO半导体器件、GTR半导体器件或IGBT半导体器件组成的三相逆变。

5.根据权利要求1所述的适用于双速电机的矿用隔爆兼本质安全型交流变频系统，其特征在于：所述电容采用薄膜电容。