用于悬臂式煤矿掘进机的截割变频控制装置及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及悬臂式掘进机截割变频控制技术，具体涉及一种用于悬臂式煤矿掘进机的截割变频控制装置及其控制方法。
【背景技术】
[0002]悬臂式掘进机是集截割、装运、行走、操作等功能于一体的工程机械，主要用于截割任意开关断面的井下岩石、煤或半煤岩巷道。
[0003]由于掘进机实际工作时，经常截割的煤岩突然变得较软或操作员突然将截割头退出煤壁时，机械系统会存在一定的转动惯量，截割头的负载突然变轻或几乎卸载，实际上就是变频器的负载突然变轻或几乎卸载，造成转速飙升，致使变频器频繁产生再生能量，变频调速在降速时处于再生制动状态，电动机回馈的能量到达中间直流回路，会使中间直流电压上升，这是很危险的。目前变频器一般都使用斩波电路再外加制动电阻来实现再生能量的消耗。尤其是在系统惯量比较大时，现有技术一般使用斩波电路再外加制动电阻来实现再生能量的消耗。变频器通常是开启斩波电路，通过斩波管和斩波电阻将再生能量消耗掉，以保证变频器中间直流电压不过压，使其正常工作。但斩波电路无疑需要更大的空间来安装斩波管和斩波电阻，也是两个发热源。变频器电控箱是一种防爆型式电气设备外壳，能够承受通过外壳任何接合面或结构间隙进入外壳内部的爆炸性混合物在内部爆炸而不损坏，并且不会引起外部由一种、多种气体或蒸汽形成的爆炸性气体环境的点燃；正因为变频器电控箱是一种隔爆型的密闭箱体，一是不利于电气元器件的散热，二是由于变频器电控箱的外形尺寸受悬臂式煤矿掘进机的外形尺寸的制约，不可能设计太大，因此也不利于过多电气元器件安装。但是在系统惯量较小时，有时为了节省费用而省去制动电阻，当变频器在工作再生制动状态时，只能加大变频器斜坡控制时间或靠变频器“死扛”来消耗再生能量。但是，这种方式下，变频器很容易因再生能量的问题报警而停止工作，甚至因再生能量过大产生故障而损坏。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题:针对现有技术的上述问题，提供一种不需要斩波电路即可实现再生能量消耗，能够节省材料成本、减小安装空间、改善变频器电控箱的散热、实施方便的用于悬臂式煤矿掘进机的截割变频控制装置及其控制方法。
[0005]为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为:
本发明提供一种用于悬臂式煤矿掘进机的截割变频控制装置，包括预充电及开关单元、输入电抗器、整流器、中间直流回路、逆变器、控制器和传感器单元，所述预充电及开关单元的输入端和电源相连，所述预充电及开关单元的输出端依次通过输入电抗器、整流器、中间直流回路、逆变器给悬臂式煤矿掘进机的掘进电机供电，所述传感器单元包括电流传感器、电压传感器和速度传感器，所述电流传感器串接于逆变器的输出端，所述电压传感器并联连接于中间直流回路的直流母线之间，所述速度传感器装设于悬臂式煤矿掘进机的掘进电机输出轴上，所述电流传感器、电压传感器、速度传感器分别与和控制器的输入端相连，所述控制器的输出端与逆变器的受控端相连。
[0006]优选地，所述预充电及开关单元对应每一相线路设有主开关KM1、预充电开关KM2和充电电阻Rl，所述主开关KMl串接于对应相线路中，且所述预充电开关KM2和充电电阻Rl串联连接后再与主开关KMl并联连接；所述中间直流回路包括并联连接于直流母线之间的电阻R和电容Cd。
[0007]优选地，所述整流器的直流侧的直流母线外侧套设有磁环CH。
[0008]本发明还提供一种前述截割变频控制装置的截割变频控制方法，步骤包括:
1)通过电流传感器检测逆变器输出至掘进电机的工作电流、通过电压传感器检测中间直流回路的电压，将中间直流回路的电压减去预设的电压允许值得到当前电压偏差值；如果掘进电机的工作电流小于预设阈值、当前电压偏差值超过预设的允许范围，则判定截割变频控制装置需要再生制动，跳转执行步骤3);否则，判定截割变频控制装置不需要再生制动，跳转执行步骤2 )；
2)通过速度传感器检测掘进电机的转速，以掘进电机的转速作为反馈量生成正向转矩闭环控制量，将所述正向转矩闭环控制量输出至逆变器以控制掘进电机的转速，跳转执行步骤I);
3)以中间直流回路的电压作为反馈量生成负向转矩闭环控制量，并将负向转矩闭环控制量输出至逆变器以控制电机进行再生能量消耗。
[0009]优选地，所述步骤3)的详细步骤包括:
3.1)预先初始化设置依次按照从小到大排列的第一负向转矩闭环控制量、第二负向转矩闭环控制量和第三负向转矩闭环控制量；初始化上次电压偏差值和上次偏差变化率；
3.2)将当前电压偏差值减去上次电压偏差值得到当前偏差变化率；
3.3)判断当前电压偏差值的绝对值是否小于第一偏差阈值，如果小于第一偏差阈值，则将第一负向转矩闭环控制量作为生成的负向转矩闭环控制量输出；否则根据当前偏差变化率和上次偏差变化率的差值判断当前偏差变化率的变化趋势，如果当前偏差变化率的变化趋势为变小，则将第二负向转矩闭环控制量作为生成的负向转矩闭环控制量输出；如果当前偏差变化率的变化趋势为变大，则将第三负向转矩闭环控制量作为生成的负向转矩闭环控制量输出；最终，跳转执行步骤I)。
[0010]本发明用于悬臂式煤矿掘进机的截割变频控制装置具有下述优点:本实施例在普通变频器的基础上去掉斩波电路，控制器基于电流传感器检测到负载突然变轻或几乎卸载(产生再生能量)时，通过控制逆变器生成负向转矩闭环控制量，从而使得悬臂式煤矿掘进机的掘进电机产生负向转矩来达到消耗再生能量的目的，从而能够防止再生能量造成掘进电机转速飙升、防止中间直流回路的中间直流电压上升，不需要斩波电路即可实现再生能量消耗，相对现有技术而言减少了斩波电路，即去掉了斩波模块和斩波电阻，节省了材料成本，减小了安装空间；而且由于斩波模块和斩波电阻都是重要的发热源，相当于减少了发热源，对于密闭的电控箱散热改善非常明显，具有能够节省材料成本、减小安装空间、改善变频器电控箱的散热、实施方便的优点。
[0011]本发明用于悬臂式煤矿掘进机的截割变频控制方法具有下述优点:本发明用于悬臂式煤矿掘进机的截割变频控制方法为本发明用于悬臂式煤矿掘进机的截割变频控制装置对应的截割变频控制方法，同样也能够防止再生能量造成掘进电机转速飙升、防止中间直流回路的中间直流电压上升，不需要斩波电路即可实现再生能量消耗，具有能够节省材料成本、减小安装空间、改善变频器电控箱的散热、实施方便的优点。
【附图说明】
[0012]图1为本发明实施例装置的电路原理示意图。
[0013]图2为本发明实施例控制方法的流程示意图。
[0014]图3为本发明实施例控制方法生成负向转矩闭环控制量的流程示意图。
[0015]图例说明:1、预充电及开关单元；2、输入电抗器；3、整流器；4、中间直流回路；5、逆变器；6、控制器；7、传感器单元；71、电流传感器；72、电压传感器；73、速度传感器；8、控制器。
【具体实施方式】
[0016]如图1所示，本实施例用于悬臂式煤矿掘进机的截割变频控制装置包括预充电及开关单元1、输入电抗器2、整流器3、中间直流回路4、逆变器5、控制器6和传感器单元7，预充电及开关单元I的输入端和电源相连，预充电及开关单元I的输出端依次通过输入电抗器2、整流器3、中间直流回路4、逆变器5给悬臂式煤矿掘进机的掘进电机供电，传感器单元7包括电流传感器71、电压传感器72和速度传感器73，电流传感器71串接于逆变器5的输出端，电压传感器72并联连接于中间直流回路4的直流母线之间，速度传感器73装设于悬臂式煤矿掘进机的掘进电机输出轴上，电流传感器71、电压传感器72、速度传感器73分别与和控制器8的输入端相连，控制器8的输出端与逆变器5的受控端相连。本实施例在普通变频器的基础上去掉斩波电路，控制器8基于电流传感器71检测到负载突然变轻或几乎卸载(产生再生能量)时，通过控制逆变器5生成负向转矩闭环控制量，从而使得悬臂式煤矿掘进机的掘进电机产生负向转矩来达到消耗再生能量的目的，从而能够防止再生能量造成掘进电机转速飙升、防止中间直流回路4的中间直流电压上升，不需要斩波电路即可实现再生能量消耗，具有能够节省材料成本、减小安装空间、改善变频器电控箱的散热、实施方便的优点。
[0017]本实施例中，预充电及开关单元I对应每一相线路设有主开关KMl、预充电开关KM2和充电电阻R1，主开关KMl串接于对应相线路中，且预充电开关KM2和充电电阻Rl串联连接后再与主开关KMl并联连接；中间直流回路3包括并联连接于直流母线之间的电阻R和电容Cd。在系统开启之前主开关KMl处于断开状态，首先打开预充电开关KM2，通过充电电阻Rl给电容Cd充电，从而确保逆变器5的正常工作，然后断开预充电开关KM2、闭合主开关