CN109245626A - 采煤机截割用永磁变频驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种永磁变频驱动装置，包括防爆壳体以及安装于防爆壳体内的真空隔离开关、两个永磁同步电机、两个变频器、PLC控制器、两个接触器和变压器，外部电源通过真空隔离开关连接接触器KM1、接触器KM2和变压器，接触器KM1、左截割变频器和永磁同步电机M1依次连接，接触器KM2、右截割变频器和永磁同步电机M2依次连接，变压器、左截割变频器和右截割变频器均与PLC控制器连接。实现了永磁同步电机与截割滚动直接联接，中间省去了减速器，利用永磁同步电机的多级特性，降低转速。变频器控制电机在不同工况下输出不同的速度，不但可以解决启动时电流对电网和设备的冲击，而且可以实现低转速、高扭矩输出，提高传动效率。

Description

采煤机截割用永磁变频驱动装置

技术领域

本发明涉及一种永磁变频驱动装置，尤其涉及一种煤矿综采工作面采煤机截割用永磁变频驱动装置。

背景技术

随着采煤技术的发展，机械化采煤越来越趋向于智能化和自动化，综合机械化采煤设备的可靠性和稳定性已成为增加煤炭产量、提高劳动生产率、减小矿山事故的重要手段。目前国内采煤机的截煤系统采用异步电动机驱动，该驱动系统效率低，启动不平稳，启动电流大，重载启动困难，容易对电网造成冲击；采煤机在截煤过程中受煤层质影响工况复杂，扭矩和电流变化大，如果保护不及时，容易导致异步电机过热烧毁；传统的截割机构需要由电机+减速器的组合用于降低转速，增大扭矩，结构复杂，且减速器需要定时检修，增加了人力成本；煤矿下生产人员对工作面的顶板和卧底进行局部切割时，受电机速度不可调的限制，不能高质量地修整工作面的布局；异步电动机自身需要励磁电流，传动效率低，采煤滚筒有效工作时间短，电力成本高。

发明内容

本发明提出一种永磁变频驱动装置，实现了永磁同步电机与截割滚动直接联接，中间省去了减速器，利用永磁同步电机的多级特性，降低转速。变频器控制电机在不同工况下输出不同的速度，不但可以解决启动时电流对电网和设备的冲击，而且可以实现低转速、高扭矩输出，提高传动效率。

本发明采用如下技术方案：

一种采煤机截割用永磁变频驱动装置，包括防爆壳体以及安装于防爆壳体内的真空隔离开关、两个永磁同步电机、两个变频器、PLC控制器、两个接触器和变压器，外部电源通过真空隔离开关连接接触器KM1、接触器KM2和变压器，接触器KM1、左截割变频器和永磁同步电机M1依次连接，接触器KM2、右截割变频器和永磁同步电机M2依次连接，变压器、左截割变频器和右截割变频器均与PLC控制器连接。

所述防爆壳体上设有形成的机械/电气闭锁机构，机械/电气闭锁机构包括隔离手柄、凸轮、轴套、固定门板、闭锁板A、闭锁板B和联锁机构，闭锁板A、闭锁板B通过联锁机构连接，隔离手柄和凸轮连接，凸轮通过轴套与固定门板连接，联锁机构与轴套连接。

所述永磁同步电动机M1和永磁同步电机M2上连接设置有旋变，所述旋变用于检测永磁同步电机定子与转子的转差率和运行速度，并将所述永磁同步电机的信息发送给所述变频器，以保证所述变频器对所述永磁同步电机实现精准控制。

所述左截割变频器和右截割变频器的电源输入端设置有用于限制电网浪涌、抑制变频器谐波电流干扰的电抗器。

所述左截割变频器、右截割变频器、永磁同步电机M1和永磁同步电机M2粉笔外接有散热水路，散热水路包括热交换器、循环电机、蓄能罐、传感器和外循环电磁阀，传感器和外循环电磁阀与PLC控制器连接。

本发明具有如下优点：

1.本发明采用PLC控制变频器的输出，实现永磁同步电机的低转速、高扭矩起动，不但实现了截煤滚筒的平稳启动，减小了电流对设备和电网的冲击，而且在运行过程中可以精确的将电机调整到额定转速以下的任意值，包括反向转动，整个运行过程扭矩保持恒定。

2.本发明节能效果明显，在空载运行时，电流仅为10安以下，且截煤过程中有功功率因素可达93%以上，经济效益可观。

3.本发明为了解决井下封闭空间中变频器的散热问题，采用内循环水路冷却方式，使得变频器输出时不受外部环境的影响。

附图说明

图1为本发明的原理图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为快开门闭锁机构的结构示意图；

图4为快开门闭锁机构的状态图；

图5为快开门闭锁机构的状态图；

图6为内外循环水冷装置的结构示意图；

图中：QF1为真空隔离开关，KM1和KM2为接触器，M1和M2为永磁同步电机；1为接线腔，2为控制腔，3为隔离手把，4为控制腔快开门，5为变频器腔，6为变频器门，7为内循环散热腔，8为外循环进水口，9为隔离手柄，10为凸轮，11为轴套，12为固定门板，13为闭锁板A，14为闭锁板B，15为联锁机构，16为内循环电机，17为水压表，18为流量传感器，19为压力传感器，20为温度传感器，21为热交换器，22为外循环水路、23为外循环电磁阀、24为蓄能罐、25为内循环水路。

具体实施方式

结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步说明：

如图1所示，本发明所述的采煤机截割用永磁变频驱动装置具有矿用隔爆型永磁同步电机M1和M2、左右截割变频器、信捷PLC控制器、隔离开关、接触器KM1和KM2、循环水路等，其中外部电源线缆通过接线腔1进入控制腔2，隔离开关QF1通过隔离手柄3将电源输入到接触器KM1、KM2和变压器，控制回路得电。截割变频器用于控制永磁同步电机M1和M2的启动、停止、正反转。所有按钮安装于主控制腔2的门板上。其中，隔离开关为整个电控箱电源输入停送电，变压器为控制器和变频器提供控制电源，PLC接收操作人员的控制信号，对变频器进行输出控制，从而使永磁电机实现平稳起动，变频器与永磁同步电机需要水路散热。所述PLC主控连接设置有模拟量输入模块，用于接收温度、流量、水压、速度、电压、电流等模拟量信号。

所述永磁同步电动机上连接设置有旋变，所述旋变用于检测永磁同步电机定子与转子的转差率和运行速度，并将所述永磁同步电机的信息发送给所述变频器，以保证所述变频器对所述永磁同步电机实现精准控制。

所述变频器的电源输入设置有电抗器，所述电抗器既可以限制电网的浪涌电流，也可抑制所述变频器的谐波电流对其他设备造成电磁干扰。

内循环水路包含热交换器、循环电机、蓄能罐、传感器、外循环电磁阀。一方面保证内循环水路工作正常后，变频器才可以起动。另一方面，为防止凝露，装置不输出时，及时停止外循环水路流通。

快开门4与隔离手柄3具有机械联锁，开门前，需要钥匙将凸轮向下旋转，快开门方可打开。快开门4处于开门位置时，闭锁板13和闭锁板14相互移动，带动联锁机构15移动，联锁机构15末端与隔离手柄9的凹槽卡死，隔离手柄9不能移动。防爆壳体安装的隔离机构与快开门形成机械和电气闭锁，送电前，门必须关到位，隔离开关方可操作，隔离手柄后方的电气闭锁按钮才可接通，系统控制回路得电。

快开门4处于关闭状态时，联锁机构15移动，与隔离机构分离， 隔离手柄9方可旋转，旋转时需要向外抬起，与后方的闭锁点分离，隔离手柄9旋转到合闸位置再次接触闭锁点，控制回路方可带电，隔离手柄9抬起时，控制回路断电。

本发明采用的内外循环冷却水装置中，循环电机16用于为内循环水路提供流通动力，热交换器21可使外循环冷却水将内循环水路中的热量带走，流量传感器18、压力传感器19、温度传感器20将内循环的状态发送到PLC，实时监测内循环状态。操作人员也可通过压力表17观察内循环水压。蓄能罐24用于维持内循环水的压力，保证散热效果。

本发明的控制核心为希捷PLC控制器，该控制器与两台变频器采用485通信，PLC作为主站，变频器作为从站，PLC接收变频器的状态信号，待变频器充电就绪后，PLC对变频器进行调频输出。

本方案控制器具有模拟量输入输出模块，可以接收0-5V，4-20mA的信号，通过采集电机绕组、轴承温度，循环水路水压、流量、水温，瓦斯传感器浓度，电压、电流信号，实时对系统进行监控，出现异常可立即切断接触器的输出，及时保护变频器和电机。

所述驱动系统包含本地控制和远程控制，通过门板上的转换开关进行切换，当采煤机使用遥控进行操作时，需将转换开关置于远程位置。

所述驱动系统运行前，需对变频机与永磁同步电机进行调试，通过旋变寻找电机的初始角，初始调试时变频器对电机采用开环矢量控制，待参数调试完毕后，方可采用闭环矢量控制，确保电机起动时不会出现抖动、正反转的现象。

变频器采用内外循环水路冷却方式，内水路蓄能罐所承受得压力范围为0.1Mpa-0.3Mpa之间，PLC控制器实时监测内循环水的压力，温度，流量，当水路压力低于0.1Mpa，温度高于40℃，流量低于2m³/h时，控制器将切断变频器的输出，显示相应的故障状态。

永磁同步电机采用水路冷却方式，当轴承温度超过80℃，绕组温度超过120℃，变频器将停止输出，显示屏显示温度红色预警。

本发明的接触器合闸前，需对变频器的直流电压进行检测，当直流电压高于80V时，控制器不允许接触器合闸，避免系统在反复送电时，对直流电容造成充放电冲击，直流充满电后，变频器发出就绪信号到PLC，PLC确认所有状态满足要求并受到上位机发出的运行信号后方可起动变频器。

本发明通过变频器改变永磁同步电机的转速，实现了截煤系统的平稳起动，由于电机转速低，0-25转平滑调速，系统噪音小。试验效果如下：

传动效率高，节约能源，永磁同步电机无需励磁，有功功率高。煤矿工作面煤层复杂，截煤滚筒运行时在空载和满载之间不断变化，本截煤调速驱动系统不在满载状态下时大大节省了无功功率，

节能效果非常明显。

本发明截割用永磁变频驱动系统在额定转速内保持恒转矩，可提高运行稳定性，特别是在低频、低压、低速可提供足够的转矩。可以使截煤滚筒1在0-100%的额定转速范围内实现无极调速。

截割电机运行过程中发生堵转时，变频器会保持恒转矩输出，电机绕组不会过流，很难造成电机线圈烧毁。传统驱动系统如果过流保护出现问题，会不断的增大扭矩，最终损坏电机。

本发明通过采用矿用隔爆型永磁同步电动机，用于直接带动截煤滚筒，输出额定的转矩和连续可调的转速；变频器，通过改变电源的频率来改变电源电压，驱动所述永磁同步电机运转，具有空载电流小，起动平稳，对电网冲击小等优点； PLC控制器，通过Modbus总线与变频器通讯，实现对变频器的逻辑控制，结合内循环散热装置与各类传感器返回的参数，对截割电机实现有效保护，并将控制装置的参数发送至显示屏和上位机。壳体，控制腔采用快开门结构，机构与隔离开关存在闭锁功能，开门必须断电，保证用电安全。本发明利用永磁同步电机的优点，实现电机与截煤滚筒的直联，节省了中间的减速环节，变频器采用内循环水路散热的方式，保证了大扭矩输出。不仅可以根据实际工况的需求对截煤滚筒实现自动调速，且实现了截煤过程中所需要的低转速、高扭矩输出。

以上所述为本发明的较佳案例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则范围内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明范围的保护范围内。

Claims (5)

1.一种采煤机截割用永磁变频驱动装置，其特征在于，包括防爆壳体以及安装于防爆壳体内的真空隔离开关、两个永磁同步电机、两个变频器、PLC控制器、两个接触器和变压器，外部电源通过真空隔离开关连接接触器KM1、接触器KM2和变压器，接触器KM1、左截割变频器和永磁同步电机M1依次连接，接触器KM2、右截割变频器和永磁同步电机M2依次连接，变压器、左截割变频器和右截割变频器均与PLC控制器连接。

2.根据权利要求1所述的采煤机截割用永磁变频驱动装置，其特征在于，所述防爆壳体上设有形成的机械/电气闭锁机构，机械/电气闭锁机构包括隔离手柄（9）、凸轮（10）、轴套（11）、固定门板（12）、闭锁板A（13）、闭锁板B（14）和联锁机构（15），闭锁板A（13）、闭锁板B（14）通过联锁机构（15）连接，隔离手柄（9）和凸轮（10）连接，凸轮（10）通过轴套（11）与固定门板（12）连接，联锁机构（15）与轴套（11）连接。

3.根据权利要求2所述的采煤机截割用永磁变频驱动装置，其特征在于，所述永磁同步电动机M1和永磁同步电机M2上连接设置有旋变，所述旋变用于检测永磁同步电机定子与转子的转差率和运行速度，并将所述永磁同步电机的信息发送给所述变频器，以保证所述变频器对所述永磁同步电机实现精准控制。

4.根据权利要求3所述的采煤机截割用永磁变频驱动装置，其特征在于，所述左截割变频器和右截割变频器的电源输入端设置有用于限制电网浪涌、抑制变频器谐波电流干扰的电抗器。

5.根据权利要求4所述的采煤机截割用永磁变频驱动装置，其特征在于，所述左截割变频器、右截割变频器、永磁同步电机M1和永磁同步电机M2粉笔外接有散热水路，散热水路包括热交换器、循环电机、蓄能罐、传感器和外循环电磁阀，传感器和外循环电磁阀与PLC控制器连接。