刘海滨

（西山煤电股份有限公司西铭矿， 山西 太原 030052）

1 西铭矿工作面情况

西铭矿是山西焦煤西山煤电集团股份有限公司的主力生产矿井，于1956年建成，经过三次技术改造年设计生产能力360万t，属高瓦斯矿井。矿井采用走向阶梯平峒开拓，各盘区距离井口距离较远、各工作面运输距离长。

48705工作面井下位于北七采区左翼，东为48703掘进工作面，南为北七左翼回风巷，西为48707工作面采空区，北为随老母断层。该面上覆2号煤已回采，切眼附近2号煤为小窑所采，3号煤不可采，工作面中南部3号煤层内有废弃巷道。48705皮带巷长1836m，单轨吊巷长1709m。传统的软启动无法实现长距离稳定运输，保证不了采煤队组正常生产，故选用西山机电厂两台BPJ1-400/1140G三电平两象限VF变频器，以此来保证矿井正常生产、运输需求。

2 西铭矿工作面变频器介绍

西铭矿前几个工作面选用两电平（正、负电平）、两象限（电动）变频器。本次选择的西山机电厂变频器，选用现今较为流行的三电平（正、零、负电平）、四象限（第一象限为正传电动状态；第二象限为回馈制动状态；第三象限为反转电动状；第四象限为反接制动状态）。两电平和三电平的对比：

1）损耗计算：每个开关运行周期中，原使用的变频器输出两电平为负、正电平。现使用三电平输出为正、零、负电平，因此两电平拓扑损耗较高。

2）输出谐波：使用三电平变频器配以电抗器输出电平台阶越多，波形越趋近于正弦波带出的谐波越少，系统性能得以提升。

3）器件耐压：由于三电平较两电平每组中各多使用了一块IGBT模块，三电平中变频开关承受的直流母线电压为直流侧母线电压的一半（1/2UDC），两电平变频器则为全部直流母线电压（UDC）。

4）三电平在无负载的情况下降低了能耗和开关频率，减少了开关损耗，节约了电能。CM3000系列防爆变频器是防爆行业专用型变频机芯（文中统称为变频器），西铭矿使用的是1 140 V电压等级，最大输出功率可达750 kW。产品具有完善的过温、过流、过压的保护技术，具备低噪声、低谐波污染、高功率因数等特点，与导热管、防爆壳、散热风机组成高品质、高性能集成度的防爆变频一体机。采用了丰富的控制方式：速度传感器矢量控制、无速度传感器矢量控制、V/F控制，还支持V/F分离控制。用户可以用梯形图等方式进行程序编写存储到MD38PC1用户可编程卡，与西门子S7-200PLC连接实现用户二次开发功能，出现特殊故障时可以通过改写程序实现简化。

3 CM3000为控制核心的变频器介绍

3.1 变频器的起停控制

变频器的起停控制命令有3种控制方式，分别是面板控制（近控）、端子控制（远控）、通讯控制（RS485），通过功能参数F0-02选择，如表1所示。

1）面板起停控制。通过键盘操作，使用功能码F0-02=0，即为操作面板起停控制方式，按下键盘上RUN（运行）键，变频器即开始运行（RUN指示灯会点亮）；在变频器运行的状态下，按下键盘上STOP（停止）键，变频器即停止运行（RUN指示灯会熄灭）。

表1 变频器启动通道设置

2）端子起停控制。端子起停控制方式适合井下远距离启动停止的场合，主从机通过端子排X1上面的7、8、9段子相互连接，通过X2端子排上D28和D32实现主机起动主机、主机的X2端子排E10、E11、E12、D28与从机的 D50（D53/D57并接）、D54、D52、D58连接实现设备的远程控制。CM3000变频器提供了多种端子控制方式，通过功能码F4-11确定开关信号模式、功能码F4-00～F4-09确定起停控制信号的输入端口。

3）通讯起停控制。上位机以通讯方式控制变频器运行的应用已愈来愈多，如通过RS485、Profibus-DP，CANlink，CANopen 等网络，都可以和CM3000变频器进行通讯，用户可编程卡与CM3000之间也是采用通讯方式进行数据交换的。在变频器多功能扩展口上，插入相应的通讯接口卡，并将控制命令方式选为通讯方式RS485（F0-02=2），就可以使通讯方式RS485控制变频器的起停运行了。

3.2 变频器之间的通讯

CM3000变频器之间两台通讯采用了CANlink来实现（见图1），用来实现一台主机根据自身频率或转矩信号对两台从机目标频率和目标转矩的给定。

图1 变频器串行通讯的使用

PLC与变频器通讯控制。CM3000变频器提供RS485通讯接口，并支持Modbus-RTU从站通讯协议。通过PLC实现集中控制并通过该通讯协议设定变频器运行命令，修改或读取功能码参数，读取变频器的工作状态及故障信息等。

3.3 变频器的外围控制与联机通讯

在井下远距离输送过程中，往往面临着环境复杂的情况，对线路、设备干扰大的挑战，为了提高变频器在现场供电的稳定性，设备以西门子S7-200PLC为核心，使用通信电缆，利用屏蔽层将外界多余的干扰屏蔽掉，达到信号传输的功能，提高了系统工作的稳定性。主机和从机之间的通讯可采用Profibus总线技术，通过在变频控制系统的通讯网络中采用一根光纤总线就可以实现主从机之间的通讯。所以，该电器控制系统的主机和控制台之间通过光纤进行数据传输，可以大大减少外界干扰对信号的影响，保证数据信号传输的可靠性。

3.4 变频器冷却技术

变频器采用了风冷冷却技术，利用井下环境温度低的特点，采用了两台2.5 kW冷却风机同时工作，将风量直吹入设备机身内部冷却系统，热量通过机身后面的导热管排出，保证了变频器长时间的稳定工作。

3.5 两电平与三电平的应用对比

1）三电平逆变器与传统的两电平逆变器相比增加了一个“零电平”，使变频器可在更平稳的运行状态下启停，可实现高低频率平稳切换，增加了设备运行的可靠性。

2）两电平的元器件具有2倍的正向阻断电压能力，并能有效抑制谐波和降低开关使用频率，从而使系统机械损耗减小，使电动机等低压用电设备应用更广泛。

3）三电平可以降低开关频率，较少开关损耗。

4 控制端子说明

变频器的启停、外部接线都是通过端子来实现控制，具体端子控制说明如表2所示。

表2 变频器端子控制说明

5 电缆布线要求

电缆布线要求如图2所示。

图2 变频器接线示意图

6 结语

近年来，高压整流、滤波、逆变（IGBT）等新型器件的发展使PWM逆变器在工业应用中成本逐渐降低的同时，性能也得到改善。传统两电平变频器正逐渐被使用IGBT的三电平PWM逆变器所取代，随着抑制谐波、减少电磁污染在输入、输出电抗器变频终点的应用，三电平逆变器方案必将得到广泛的应用。通过三电平变频器在生产运输系统中的应用，提高了西铭矿的运输能力，提高了运输效率，大大降低了事故维护率，弥补了西铭矿在机电维护中的短板。