煤礦電牽引采煤機變頻器的改造思路

田恩波

摘? ?要：本文以電牽引采煤機變頻器為基本探討對象，從變頻器主回路工作過程入手，總結可行的改造思路，提出與該設備性能相適應的技術，例如提高散熱性能、提高抗振性能、進行成品調試試驗等，以便提升設備的穩定性，在此基礎上提升作業效率，為采煤作業提供支持。

關鍵詞：采煤機? 變頻器? 散熱性能

中圖分類號：TD632.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）03（b）-0051-02

采煤機是煤礦開采作業的重要設備，其所處的運行環境較為惡劣，內部變頻器的穩定欠佳，例如電控箱密封圈老化，在此狀況下大量粉塵與水將進入到變頻器內，使得印刷電路板遭到損壞[1];而在采煤過程中出現的振動現象也會給變頻器造成影響，使得電抗接線柱支撐腿穩定性下降甚至斷裂。對此，必須從變頻器的基本特性出發，提出可行的改造措施，提升變頻器的運行穩定性，消除各類故障帶來的不良影響。

1? 采煤機概況

本文以MG300/720-AWD3 型采煤機為例，該設備是實現自動化開采的關鍵，可顯著提升作業效率。電控系統是整個設備運行的重要支持，可適應于自動化開采需求，該系統采用的是分布嵌入式方案，設置有CAN總線并提供了DSP技術。變頻器是采煤機的關鍵部分，能夠起到改良性能的效果。

2? 變頻器主回路工作過程

變頻器為專用的礦用變頻器，由ABB公司（Asea Brown Boveri Ltd）的ACS800系列變頻器改造而成，其主要由主回路、印刷電路板、顯示和控制盤組成。主回路來自牽引變壓器的400V交流電，通過一個真空接觸器后進入變頻器組件。

首先接一交流接觸器，另有一限流電阻與接觸器主觸點并聯。接觸器輸出側接LCL濾波器組件并與變頻器整流回路相連。整流回路由6只IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）組成橋式電路。整流側輸出端接直流回路，主要由4只大濾波電容組成。直流回路輸出側為逆變回路，主要也由6只IGBT組成橋式電路。逆變回路輸出端即為變頻器輸出端子U、V、W。這樣變頻器內部主電路由輸入到輸出可簡單描述為：真空接觸器-交流接觸器-LCL濾波器-整流側-直流回路-逆變側-輸出端U、V、W。

上電后交流接觸器并不立即吸合，三相電源由R、T兩相經限流電阻整流后向濾波電容充電。當充電電流小到一定值、直流回路建立足夠電壓時，交流接觸器吸合并將限流電阻短接，此時電路建立起穩定的直流電壓，然后經過輸出側IGBT組成的逆變電路將直流電逆變成變頻變壓的交流電，即VVVF（可變電壓、可變頻率）電源。此電源接到牽引電機即可調速。當采煤機沿傾斜煤下行時，采煤機的下滑力大于采煤機所受的阻力的情況下，牽引電機的速度將超過同步轉速而運行于發電狀態，此時發電能量將通過變頻器逆變側的IGBT整流成直流回饋到中間直流回路，然后由整流側IGBT逆變成交流后回饋給電網，從而產生再生發電制動力矩，有效控制下行速度，實現一、三象限轉向。

3? 煤礦電牽引采煤機變頻器的改造思路

3.1 提高散熱性能

IGBT模塊在運行中會散發大量熱量，對此需選擇合適的方式封裝變頻器[2]，確定交流電抗器的合適位置，需將其置于變頻器外部，其該器件與變頻器殼體應保持較大的距離，緩解電抗器散熱帶來的不良影響，確保電子元件的運行穩定性。還需注意的是，在變頻器持續運行之下，IGBT模塊伴隨有持續性的開關現象，此時IGBT模塊的發熱量也將隨之提升。

若變頻器內部溫度過高，將對各類電子元器件帶來損害，這一現象在半導體器件中體現的尤為明顯，該器件對于溫度尤為敏感，當溫度超出合理范圍時易出現半導體器件完全損壞的現象。因此，溫度控制是確保變頻器穩定運行的關鍵，最為可行的途徑則是提升半導體器件的散熱性能。基于此，在針對變頻器采取封裝作業時，需要合理放置IGBT模塊，宜將其置于下層散熱鋁板上，并向其中增設導熱硅脂，以發揮出降低熱阻的作用。關于散熱鋁板的選擇，較為可行的是鋁合金材料，其具有較好的導熱性能，具體以20mm厚的散熱鋁板為宜，在具備較好散熱效果的同時可顯著提升鋁板硬度。在安裝散熱鋁板時依然要在底部增設導熱硅脂，此舉可提升散熱效果，避免因溫度過高而引發變頻器運行異常的狀況。

3.2 提高抗振性能

振動是電牽引采煤機工作狀態下無法避免的一種現象，在持續影響之下，電抗接線柱的支撐柱將受到影響，從而出現振斷等問題，部分電子元件甚至會直接掉落。對此，需通過可行的措施從根本上提升變頻器的抗震性，具體如下分析：

（1）確定交流電抗器的合適安裝位置，需要與變頻器主機單獨放置。

（2）針對電抗器的固定措施較多，在設置固定支撐腿的基礎上還需要采取壓板螺栓連接的方式，通過在壓板下方設置橡膠墊的方式可提升整體抗振能力。

（3）變頻器的封裝工藝尤為關鍵，重要較小的器件主要分布在上層，同時將部分大型器件集中放置在下層。

（4）通過設置固定螺栓的方式可以達到固定電路板的效果，但此時必須增設減振墊，處理較脆弱的電子元件可利用加固膠處理，以免在后續運行中受振動的影響而出現振斷現象。部分插頭與插座易出現松動現象，可通過涂抹加固膠的方式提升其穩定性。

（5）壓塊是提升變頻器穩定性的關鍵，需設置成斜面形式，并且底板也要采取斜面的方式，通過上述兩個斜面的壓接可有效緩解振動。

3.3 成品調試試驗

變頻器經過改裝作業后，為確保使用性能需通過調試的方式將其調整至最佳狀態，具體內容有。

（1）測試絕緣性。依據變頻器的實際特性為之適配合適的搖表并展開測試，若改造后的變頻器為380V或460V，需為之選擇500V搖表。基于絕緣性測試的方式有助于確保主回路的穩定性。

（2）加載試驗。此環節最為關鍵的便是加載能力與過載能力[3]，若要滿足電牽引采煤機的運行需求，變頻器的電流必須達到額定值的120%，同時要具備1min內過載的能力。

（3）測試恒轉矩調速性能。此環節需要調整好調速裝置的運行狀態，使其輸出頻率達到50Hz，隨后改變轉矩，從空載開始逐步提升最終到達額定值，在此基礎上提升負載，此階段轉速需適當降低。

（4）測試恒功率調速性能。調節電源電壓，使其控制在額定值的95%～110%的區間內，在此基礎上改變調速裝置輸出頻率，要求該值恒定為70Hz，依然從空載開始持續加載當達到指定值后便需要提升負載，此階段適當降低轉速。

（5）測試溫升性能。要求變頻器輸出頻率時刻保持在50Hz，持續提升電動機負載，通過此方式可提升變頻器輸出轉速，使其上升至額定值，保持此狀態一段時間，使其溫度持續上升并達到穩定狀態，后續每1h展開一次溫度檢測，要求變動幅度穩定在1K內。

（6）修改參數并測試。依據實際情況，變頻器的參數也需要做出靈活的改變，在此基礎上測試，經此改進措施后若變頻器處于穩定運行狀況，便要通過更改電動機速度的方式做進一步檢驗，評定變頻器是否可以正常控制。

4? 結語

綜上所述，電牽引采煤機的工作環境較為特殊，通過對變頻器改造的方式可提升該設備的運行性能。實際改造工作中需考慮到電控箱結構、參數調整等多個方面，全面確保變頻器的運行穩定性。

參考文獻

[1] 李劍峰.電牽引采煤機變頻器故障分析與處理[J].煤礦機械，2012（2）：189-189.

[2] 任朋飛.電牽引采煤機變頻器的改造措施[J].煤礦機電，2017（3）：74-75.

[3] 李立元.電牽引采煤機變頻器的改造與試驗[J].煤礦機械，2010（10）：162-164.