煤矿乳化液泵变频_工频切换控制.pdf

第 4 3卷 第 1 期 2 01 7年 1月 工矿 自 动化 I nd us t r y a n d M i ne Au t o ma t i on Vo 1 ． 4 3 NO ．1 J a n ．2 0 1 7 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 7 0 1 0 0 7 7 0 4 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 7 ． 0 1 ． 0 1 9 付翔 ， 王然风 ， 袁继成， 等． 煤矿乳化液泵变频／ 工频切换控制[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 7 ， 4 3 1 7 7 8 O ． 煤矿乳化液泵变频／ 工频切换控制 付 翔 ， 王 然风 ， 袁 继成 ， 董 志勇 太原 理工 大学 矿 业工 程学 院 ，山西 太 原0 3 0 0 2 4 摘 要 针 对 煤矿乳化 液 泵站采 用变频 器“ 一拖 多” 的 多泵联 动 方案 时存在 冲击 电流 大的 问题 ， 提 出 了乳化 液泵 变频／ 工频 异步切换 和 同步切 换控 制 方案 。现场 试验 结 果表 明 ， 变频／ 工频 同步 切换 控 制 能 更有 效地 避 免 冲 击 电流 ， 真 正 实现 乳化 液泵 变频 至工频 的 无扰 切 换 。 关 键词 乳化 液 泵 ；变频／ 工频切 换 ；异 步切换 ；同步切 换 中 图分 类号 T D6 3 文 献标 志码 A 网络 出版 时间 2 0 1 6 1 2 3 0 1 0 3 3 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 6 1 2 3 0 ． 1 0 3 3 ． 0 1 9 ． h t ml Swi t c hi n g c o nt r o l be t we e n v a r i a b l e f r e q ue n c y a n d po we r f r e q u e nc y o f e mul s i o n p u mp i n c o a l mi ne F U Xi a n g ， W ANG Ra n f e n g ， YUAN J i c h e n g， DONG Z h i y o n g Co l l e g e of M i n i ng En gi n e e r i ng，Ta i y u a n U n i v e r s i t y o f Te c hn ol o gy，Ta i y ua n 03 0 02 4，Chi n a Ab s t r a c t I n vi e w o f pr o bl e m o f hi g h i mpu l s e c u r r e nt whe n s c h e me o f m u l t i pl e pump s l i nk a g e wi t h o ne f r e qu e n c y c o nv e r t e r a p pl i e d i n c o a l mi ne e m u l s i o n pu m p s t a t i o n，a s y nc hr o no us s wi t c hi n g a n d s y n c hr o n ou s s wi t c hi n g c o n t r ol s c he m e b e t we e n v a r i a b l e f r e q ue n c y a nd p owe r f r e qu e n c y o f e mul s i o n pu m p we r e p r o p os e d．The f i e l d t e s t r e s u l t s s ho w t ha t t he s yn c h r on ou s s wi t c h i ng c on t r o l c a n a v o i d i mpu l s e c ur r e n t mor e e f f e c t i v e l y a n d t r ul y r e a l i z e f r e e s wi t c hi ng b e t w e e n v a r i a b l e f r e q ue n c y a nd p o we r f r e q ue nc y． Ke y wo r d s e mu l s i o n p u mp；s wi t c h i n g b e t we e n v a r i a b l e f r e q u e n c y a n d p o we r f r e q u e n c y；a s y n c h r o n o u s s wi t c hi ng；s y nc hr o no us s wi t c hi n g 0 引言 乳 化 液泵 站作 为煤 矿工 作 面 液压 动 力 源 ， 是 保 障煤矿正常生产的关键设备 。为适应工作面支架推 进速度 ， 国 I- L 化液泵站大多采用高压力、 大流量乳 化 液泵 ， 而 国 内由于技术 限制和成 本考 虑 ， 主要采 用 多台乳化液泵配 1台变频器的组合形式 ， 可避免 因 单 台泵故障导致整个泵站瘫痪[ 1 。 ] 。 单 台变 频 器对 多 台 电动 机 的“ 一 拖 多 ” 控 制 方 式 ， 不仅可实现乳化液泵组的顺序软启动 ， 还可对其 中单 台乳 化液泵 进行 调速 _ 5 1 ， 实现 乳化 液供 给 流量 调节 。当泵站需要增加乳化液泵供液时， 为降低泵 启动时的冲击电流， 需要应用变频／ 工频切换技术 。 根据 电动机运行特性 、 工频旁路切换频度和对象系 统的要求， 变频与工频之间常用 的切换方式分为直 接 切换 、 异 步切 换 、 同步 切 换 ] 。其 中 直接 切 换 是 指 在变 频与 工频 相 序一 致 情 况 下 直 接倒 闸切 换 ， 该 方 法切 换 时的 电 流波 动 和 冲 击较 大 ， 很 少 使 用 。本 文重点讨论乳化液泵变频／ 工频异步切换和同步切 换 控制 过程 。 1 乳 化液 泵变频 和 工频 电气 回路 为 适 应 国 内工 作 面实 际 工 况 ， 笔者 所 在 团 队研 发了智能乳化液供给系统 。该系统中的乳化液泵动 收稿 日期 2 0 1 6 1 0 一 l 1 ； 修 回日期 2 0 1 6 1 1 - 3 0 ； 责任编辑 盛男 基金项 目 国家 自然科学基金资助项 目 5 1 2 7 4 1 4 8 。 作者简介 付翔 1 9 8 6 -- ， 男 ， 山西太原人， 博 士研究生 ， 主要研究方 向为煤矿 机电综合 自动化 、 数据 挖掘和机器 学习技术 等， E - ma i l ； 1 4 6 3 2 2 3 5 q q ． C O IT I 。 2 0 1 7年 第 1期 付翔 等 煤 矿乳 化液 泵 变频／ 工频切 换控 制 7 9 建 蜂 昌 一 鞋 g 蜒 8 4 0 0m s ／ 格 a 工频直接启动 b 异步切换 l 一4 0 0 ms ， t 2 7 0 0 ms 蜒 鞋 g 0 辔 高 辔 8 0 一⋯ 一 圈奠 _ ‘ _ _ “ 。 _ - u 一 _ 一 翔■ - ， ⋯ 4 0 0 ms ／ 格 c 异步切换 ￡ l 一4 0 0 ms ， t 2 4 0 0 ms 4 0 0ms ／ 格 d 异步切换 ￡ l 一4 0 0 ms ， t 2 3 0 0 ms 图 3 工频直接启动和异步切换过程 电流 、 电压波形 的 冲击 电流有效 值小 于工 频直接 启动 的 冲击 电流有 效值 ； 图 3 b 中的异步切换时间略大于图 3 c 中的 时 间 ， 且 图 3 b 中 冲 击 电 流 持 续 时 间 也 略 大 于 图 3 c 中冲击 电流 持 续 时间 ， 这 可能 是 由于 电动 机 停机 后转 速下 降较 多引起 的 ； 图 3 d 中 的异 步切 换 时间略小于图 3 c 中的时间， 但图 3 d 中冲击电流 持续时间也略大于图 3 c 中冲击电流持续时间， 这 可能是 由于 电动机 定 子绕 组感 应 电 动势 较 大 引 起 的 。 由于异 步切换 控制 没有考 虑变 频与 工频 的 电压 相位差 ， 仍然存在较强的冲击电流 ， 但其有效值 比工 频直接启动要小得多， 而异步切换时间的合理设 置 可 以进一 步 降低切 换过 程 的冲击 电流持续 时 间 。 4 变频／ 工 频 同步 切换 控制 变频／ 工频同步切换是指在检测电压的幅值、 频 率 和相 位后 ， 控制 高压 变频器 进行 锁相 功能 ， 即保证 变 频器输 出电压 与 工 频 电压 同频 、 同幅 、 同相 ， 进 而 实现无扰切换 ] 。异步切换过程无法避免冲击 电流 的产生 ， 其 原 因就 是 切 换 时 的反 电动 势 和工 频 电压 相 位不 一致 。在 同步 切换 控 制 中， 变 频器 输 出 电压 的相位 与工 频 电压 的 相位 是 否 一 致 ， 是衡 量 切 换 是 否成 功 的关 键 因素 ， 因此 同步切 换 控 制 中一 个 重 要 环 节 就是“ 锁相 ” [ 5 ” ] 。 为避 免 工频 回路 与 变频 回路 短 路 ， 在 图 1的变 频 回路输 出总 线上 串入 1个 切换 电抗 器 L 。 ， 且 并 联 1个 接 触 器 KM1 0 ， 辅 助 同 步 切 换 过 程 ， 如 图 4 所示 。 Ll M l M 2 M 3 M 4 图 4变 频 ／ 工 频 l司步 切 换 电气 回路 正 常变 频 运 行 时 ， KM1 0闭合 。切 换 电抗 器 的 串接可以使变频和工频回路接触器短时间内同时闭 合 ， 实 现 电动机 在 变频 ／ 工 频 切换 过 程 中不 断 电 ， 保 证 转速 不变 。以电动 机 M 为例 ， 变频 ／ 工 频 同步 切 换 控制 流程 如 图 5 所 示 。 由 图 5可知 ， 同步 切 换 控制 在 切 换 前先 进 行 锁 相 ， 锁 相过程 由变 频器 完 成 。变 频 器 通 过 检测 电 网 电压 即工频输出电压 的幅值 、 频率和相位 ， 调整变 频 输 出 电压 与 之 匹配 ， 完 成锁 相 过 程 。之后 由 P L C 控 制 ， 断开 KM1 0 ， 接 入 电抗 器 L ， t 时 间后 工频 输 出接 触器 KM5闭合 ， 工 频 和 变 频 输 出接 触 器 同时 闭合 ， t 。时间 后变 频 输 出接 触器 KM1断开 ， 完成 同 步切 换 过程 。其 中 ， 对 于 切 换 时 间的要 求 t t ≤ 3 S ， 即切换 电抗器投入使 用实 际不超过 3 S ； t ≤ 6 0 ms ， 即工频 和变频输 出接触器 同时闭合不超过 6 0 ms。 根据上述逻辑过程 ， 通过 P L C编写相应程序并 配合变频器， 进行变频／ 工频 同步切换现场试验 ， 并 8 0 工矿 自动 化 2 0 1 7年 第 4 3卷 使用示波器记录切换过程 中电网电压、 动力开关柜 输 出的电压 和 电流 ， 如 图 6 所 示 。 蓬 量 一 蟪 8 KM9闭合 ● 变 频 器 上 电 高 I 闭合 I ● M l 变频回路接通 l 变频器启动 I l -------------------------_ _ J ● M1 变频运行 5 器 0 H l 至 l l -- --- -- -- --- ． ．-- -． ．． ．_-J ● 准备切换， 进行锁相 I 锁相成功， 发l l 送 P L C信号f l K MI O 断开 l L L K M1 断开， 完成 同步切换过程 图 5同步切换控制流程 图 6变 频／ 工 频 l司步 切 换 过 程 电流 、 电压 波形 现场试 验 中 ， 与异 步 切换过 程不 同 ， 乳 化液 泵在 同步 切换 时人体 感官 无法 察 觉到 任 何声 音 。由 图 6 可知 ， 同步 切换 过 程 中 电压 和 电流 平稳 可 靠 。电 网 电压和输出电压几乎无任何变化 ， 这是 由于同步切 换控制并没有使 电动机断电； 而输 出电流在切换过 程 中仅有 1个波 形 略 微增 大 ， 这是 由于 锁 相 功能 基 本消除了变频与工频间的电压相位差 。由此可见 ， 变频 ／ 工频 同步 切换 控制 利用 变频器 的锁 相功 能 ， 通 过 P L C顺序可靠控制， 实现了乳化液泵变频至工频 的无 扰切换 。 计和现场试验 ， 提出了切换过程 中存在 的问题及解 决 方案 ， 通过 对 比分 析变 频／ 工频 异 步 切 换 、 同 步切 换 的 电压和 电流过 程特 性 ， 得 出变 频／ 工频 同步 切换 可有效减小冲击电流 ， 具有更好的平稳性和可靠性 ， 真正 实 现变频 ／ 工频 的无 扰切 换 。 参考文献 [1 ] [ 2] [3 ] [ 4] [ 5] [ 6] [ 7] [ 8] [ 9] [ 1 O 3 [ 1 1 ] [ 1 2 ] [ 1 3 ] [ 1 4 ] 5结语 [ 1 5 ] 对 乳化 液泵 变 频 ／ 1 - _ 频 切换 过 程 进行 了 电路设 王丁磊 ， 郭涛． 变频 一工 频切换 技 术在 供水 设备 中的 应用[ J ] ． 电机与控制应用 ， 2 0 1 1 ， 3 8 5 3 6 4 0 ． 王国法 ， 李 占平 ． 大采 高工作 面乳化 液泵 站变频 驱动 方式 优 化 设 计 [ J ] ． 煤 炭 科 学 技 术 ， 2 0 1 4 ， 4 2 4 6 6 6 9 ． 李进荣． 乳化液泵站 变频 恒压 控制 系统 的研 究[ J ] ． 机 械工程与 自动化 ， 2 0 1 2 5 1 4 0 1 4 2 ． 宿吉奎． 乳化 液泵 站变频 恒压 控制 系统 的研 究 [ D] ． 太原 太原理工大学 ， 2 0 1 2 ． 王允建 ， 陈 丰， 刘 晓东． 基于预 测控 制 的电机变 频／ 工 频同步切 换 [ J ] ． 河南 理 工大 学 学报 自然 科 学版 ， 2 0 1 4 ， 3 3 2 2 1 6 2 2 1 ． 朱洪波 ， 于庆广 ， 李锫 ， 等 ． 高压 变频 器与工 频 电源之 间软切换 方式 的研 究 [ J ] ． 电力 系统 自动化 ， 2 0 0 4 ， 2 8 6 9 1 9 3 ． 赵祥卿 ， 张桂芳． 软切 换技术 在变频 与工频 切换 中的 应用[ J ] ． 兰州 石 化职 业技 术 学 院学 报 ， 2 0 0 8 ， 8 3 2 6 2 8． 徐友 ， 刘永超 ， 郑建 勇 ， 等． 电网 电压 矢量定 向的三 相 异步电机 同步 切换 控制 策 略 [ J ] ． 电力 自动化 设 备 ， 2 O 1 3 ， 3 3 4 8 2 - 8 6 ． 张少云 ， 刘斐 ， 张铁 军 ， 等 ． 一种 变频 器和工 频 电 网之 间同步切换 的方 法 I- J ] ． 大 功 率变 流 技术 ， 2 0 1 1 3 5 1 5 3 ． 王丁磊 ， 郭 涛． 变频 一工频 切换 过程 中冲击 电流 产生 原因及防范措施[ J ] ． 电气传动 ， 2 0 1 1 ， 4 1 8 1 5 - 1 9 ． 杨 涛 ， 李文英． 基于压 力控制 的多泵 并联乳 化液 泵站 系统研究 l- J ] ． 煤矿机械 ， 2 0 0 8 ， 2 9 9 1 1 1 1 1 3 ． 侍寿永． 变 频器 的切 换分 析 与 同步控 制 [ J ] ． 电气传 动 ， 2 0 1 2 ， 4 2 7 6 9 7 2 ． 黄荣才． 变频器 的变频 切换 [ J ] ． 科协 论坛 下半月 ， 2 0 1 3 2 4 0 - 4 1 ． 刘思 ， 张加胜． 基 于 P L C控制 的 电机 变频 ／ 工频 同步 切换口] ． 电气 自动化 ， 2 0 1 1 ， 3 3 1 4 1 4 3 ． 卢春艳 ， 刘建 坤 ， 徐 溪． 基 于单 片机控 制 的电机变 频／ 工频同步切换[ J ] ． 煤矿机械 ， 2 0 1 2 ， 3 3 1 1 2 4 3 2 4 5 ．