連續(xù)型采煤機(jī)行走變頻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊 鵬

（西山煤電（集團(tuán)） 白家莊礦業(yè)有限責(zé)任公司，太原 030022）

0 引言

在采煤機(jī)的構(gòu)成中，連續(xù)采煤機(jī)行走單元是其核心部分，采煤機(jī)所有的牽引力及截割力從可維護(hù)性、成本、有效性等多個(gè)方面對(duì)行走單元提出了較高的要求。隨著電液技術(shù)的飛速發(fā)展，連續(xù)采煤機(jī)所運(yùn)用的行走驅(qū)動(dòng)技術(shù)也得到了極大提升，行走單元所采用的驅(qū)動(dòng)形式也由以往的液壓及直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣髯冾l驅(qū)動(dòng)。隨著該驅(qū)動(dòng)技術(shù)在煤礦機(jī)械設(shè)備的深入應(yīng)用，行走單元又開(kāi)始運(yùn)用四象限交流變頻器，這不僅可以極大降低因制動(dòng)因素所導(dǎo)致的能量消耗，而且在減速環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了能量回饋電網(wǎng)的目標(biāo)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了環(huán)保節(jié)能的目的。該采煤機(jī)的行走變頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案也需要經(jīng)過(guò)一系列改善創(chuàng)新[1]。通過(guò)開(kāi)展相應(yīng)的驗(yàn)證試驗(yàn)，行走變頻器及相關(guān)的電氣系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)改善之后具備較高的穩(wěn)定性、有效性，故障發(fā)生率極大降低，有助于售后，可以應(yīng)用于礦井下連采工作面較為惡劣的條件及環(huán)境下。

1 行走變頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

連續(xù)采煤機(jī)所安裝的電氣系統(tǒng)主要由變頻調(diào)速和電控兩個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成，對(duì)應(yīng)安裝于連續(xù)采煤機(jī)上的為兩個(gè)隔爆型電控箱：變頻器箱和電氣控制箱。電氣控制箱所處部位為連續(xù)采煤機(jī)的右前方，其作用是對(duì)截割電機(jī)進(jìn)行控制等，變頻器箱則處于連續(xù)采煤機(jī)的左后方，其作用在于對(duì)行走電機(jī)進(jìn)行控制。

礦井供電系統(tǒng)1 140 V經(jīng)過(guò)饋電開(kāi)關(guān)或者移動(dòng)變壓器之后連接到電氣控制箱中，變頻箱中存在的相應(yīng)供電應(yīng)當(dāng)從電氣控制箱接入，從而為變頻器箱提供1 140 V的動(dòng)力電能，同時(shí)變頻器利用變頻器箱將其控制及反饋信號(hào)連接到電氣控制箱，如圖1所示。另外，電氣控制箱還可以與駕駛室內(nèi)部設(shè)置的顯示及操作單元相互通信，實(shí)現(xiàn)交互顯示及操作[2]。

圖1 連續(xù)采煤機(jī)電氣系統(tǒng)

該電氣系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)單元共設(shè)置了8個(gè)電機(jī)，分別為液壓、裝運(yùn)、除塵、牽引等機(jī)構(gòu)提供充足的動(dòng)力，以達(dá)到截割、裝煤等各項(xiàng)功能。行走電機(jī)所有的額定電壓及功率分別為1 140 V和55 kW。電氣控制箱內(nèi)部所安裝的機(jī)構(gòu)主要為斷路器、保護(hù)元件等，以完成主令與輔助控制、關(guān)合等多項(xiàng)功能。

連續(xù)采煤機(jī)所安裝的變頻系統(tǒng)采用了交流與直流相互轉(zhuǎn)換的模式，運(yùn)用可靠性較高的IGBT作為主控元件，其具備較多的優(yōu)勢(shì)，如較小的啟動(dòng)電流、較大的輸出力矩等[3]。變頻系統(tǒng)中的硬件構(gòu)成主要有電源、通訊、訊號(hào)檢測(cè)等多個(gè)板塊，其構(gòu)架圖如圖2所示。

1 140 V三相交流電在流經(jīng)電抗器之后，再傳輸?shù)絀GBT的整流部分來(lái)進(jìn)行整流，經(jīng)過(guò)IGBT的逆變單元之后，對(duì)行走單元發(fā)揮驅(qū)動(dòng)動(dòng)作。輸入交流1 140 V在經(jīng)過(guò)電源轉(zhuǎn)換電路及變壓器之后，為各個(gè)電路提供電源。

該行走變頻系統(tǒng)運(yùn)用了四象限變頻器，整流部分采用了全控型IGBT功率元件。該變頻系統(tǒng)可以將交流與直流進(jìn)行相互轉(zhuǎn)變，促使電能實(shí)現(xiàn)雙向傳輸。該特點(diǎn)可以有效地解決采煤機(jī)下坡過(guò)程中發(fā)生的因行走電機(jī)發(fā)電所造成的變頻器過(guò)壓狀況，同時(shí)也可以完成電氣制動(dòng)，并且可以確保制動(dòng)能量回饋至電網(wǎng)中。同時(shí)，即便電網(wǎng)不存在過(guò)高的電壓，四象限變頻器可以形成1 140 V的輸出電壓，確保電機(jī)可以輸出轉(zhuǎn)矩?；谶M(jìn)線電壓為1 140 V的交流，IGBT所具有的耐壓應(yīng)當(dāng)超出母線電壓的兩倍，搭配3 300 V反向重復(fù)峰值電壓與220 A正向直流電流的IGBT。

圖2 連續(xù)采煤機(jī)行走變頻系統(tǒng)框圖

2 行走變頻系統(tǒng)的優(yōu)化

在我國(guó)，連續(xù)采煤機(jī)大多應(yīng)用于千萬(wàn)噸煤礦巷道的拓展和房柱式開(kāi)采作業(yè)，工作環(huán)境較為惡劣。在作業(yè)面中，連續(xù)采煤機(jī)有著十分頻繁的調(diào)動(dòng)，通常應(yīng)用于空頂下[4]。因此，與其他應(yīng)用于工頻狀態(tài)下的非移動(dòng)電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)相對(duì)比，變頻系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)速度調(diào)整及牽引功率的相關(guān)要求，而且還需要對(duì)空間、維護(hù)量等多個(gè)方面加以考慮。

連續(xù)采煤機(jī)行走變頻系統(tǒng)中所運(yùn)用到的元件均設(shè)置于隔爆型變頻器箱內(nèi)，其中主要有逆變單元、電抗器等等，可以完成母線電壓力輸出電流的檢測(cè)、通信等多項(xiàng)功能，變頻器箱的構(gòu)造如圖3所示。電氣控制箱與裝運(yùn)、截割等電機(jī)相連接，變頻器則與行走電機(jī)相連接，通過(guò)行走減速器來(lái)帶動(dòng)采煤機(jī)內(nèi)部的履帶，以完成采煤機(jī)的一系列活動(dòng)。

圖3 連續(xù)采煤機(jī)變頻器箱

變頻器箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要將檢測(cè)機(jī)構(gòu)、整流電容、電抗器等分散地設(shè)置于電控箱中。IGBT功率部件存在較大的熱量，其配置于電控箱的后板上部，利用后板上的循環(huán)水來(lái)進(jìn)行冷卻。整流電容、電抗器等各個(gè)部件分別設(shè)置于變頻器箱的底板上。采用這樣的設(shè)置形式，可以使各個(gè)部件的分布簡(jiǎn)單明了，有助于樣機(jī)的維護(hù)和調(diào)試，在開(kāi)展工業(yè)性試驗(yàn)的過(guò)程中有著十分重要的作用。但應(yīng)用這種設(shè)計(jì)方案也存在一定的缺陷，各個(gè)電氣元件之間利用走線形式進(jìn)行連接，控制箱內(nèi)部存在較多的功率元件，并且排列與接線較為繁瑣，對(duì)變頻系統(tǒng)的安裝、調(diào)試及維護(hù)造成了較大的難度，同時(shí)也無(wú)法確保變頻器的系列化及可轉(zhuǎn)移性[5]。

為了使變頻系統(tǒng)的維護(hù)工作量減少和可靠性提升，同時(shí)實(shí)現(xiàn)行走系統(tǒng)所具有的控制要求，對(duì)該采煤機(jī)內(nèi)部的行走系統(tǒng)進(jìn)行集中式優(yōu)化。對(duì)變頻系統(tǒng)進(jìn)行綜合考慮，大部分電力元件分別與工頻系統(tǒng)中的電力元件安裝于不同的系統(tǒng)中，并且對(duì)于變頻器而言，其控制與檢測(cè)系統(tǒng)與工頻供電系統(tǒng)相互獨(dú)立，可以有效封裝變頻系統(tǒng)中的各個(gè)元件，利用功率母排將整流與逆變單元進(jìn)行集中連接。行走系統(tǒng)在優(yōu)化之后，其框架圖如圖4所示，變頻器箱的內(nèi)部構(gòu)造如圖5所示。

圖4 優(yōu)化后行走變頻系統(tǒng)框圖

圖5 優(yōu)化后變頻器箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

變頻器內(nèi)部可以將驅(qū)動(dòng)電路、整流部分、逆變部分等完全封裝于不銹鋼機(jī)殼中。外部接口是工頻1 140 V電源及控制訊號(hào)，物理接口則運(yùn)用快插接頭。

變頻器在優(yōu)化完成之后，供電電源AC1 140 V經(jīng)過(guò)三相電抗器之后連接到變頻器中，行走系統(tǒng)所發(fā)出的控制信號(hào)在經(jīng)過(guò)電控系統(tǒng)內(nèi)部的PLC之后，利用CAN通信形式將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩信號(hào)傳送到變頻器中，變頻器也可以利用該通信形式將各種故障代碼傳送到PLC中，之后再在人機(jī)界面上加以顯示[6]。對(duì)于該采煤機(jī)中的電控系統(tǒng)而言，行走變頻系統(tǒng)就如同一個(gè)黑盒子。在經(jīng)過(guò)優(yōu)化之后，該封裝式的結(jié)構(gòu)形式將有助于開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)檢修工作，當(dāng)變頻器產(chǎn)生故障之后，不需要再耗費(fèi)時(shí)間及精力來(lái)仔細(xì)排查變頻系統(tǒng)中的功率部件及相應(yīng)故障，只需要將變頻器看做是電氣元件來(lái)進(jìn)行更換，極大提升了工作效率，縮短了空頂狀態(tài)下的時(shí)間。

3 行走變頻系統(tǒng)優(yōu)化的關(guān)鍵問(wèn)題

（1）集成設(shè)計(jì)

由于連續(xù)采煤機(jī)對(duì)變頻器提出了較高的要求，如較高的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和較大的拖動(dòng)負(fù)載功率，因此其必須應(yīng)用功率較大的電力電子元件，并且變頻器中強(qiáng)電與弱電、動(dòng)力電源與控制信號(hào)共同存在。如何將這些集中分裝為一體，并且與使用需求相符，為變頻器的集成封裝造成了一定難度，這是改善變頻器的核心內(nèi)容[7]。

（2）復(fù)合母排設(shè)計(jì)

采取復(fù)合母排來(lái)取代傳統(tǒng)配線。傳統(tǒng)原直導(dǎo)線大約存在0.8 nH/cm的寄生電感，因此IGBT變頻器所具有的連接長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)小于40 cm。而因受到有限空間的制約，隔爆型變頻器箱不能進(jìn)行平直布線，在布線的時(shí)候極易超出標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度，導(dǎo)致寄生電感出現(xiàn)超標(biāo)狀況。通過(guò)運(yùn)用復(fù)合多層母排的方法，IGBT整流、電容等各個(gè)電位的功率元件可以相互連接，運(yùn)用足夠的空間就可以完成連接，極大降低了成本、提高了效率，同時(shí)其還具備一定的優(yōu)勢(shì)，如阻抗、感抗、功率損耗和電壓降均較低等。變頻器經(jīng)過(guò)改善之后，在運(yùn)用復(fù)合母排的時(shí)候，其導(dǎo)電層選用了導(dǎo)電率較高的銅材料，絕緣層則選擇了介電系數(shù)與擊穿電壓均較高的材料。

由于復(fù)合母排所具有的特征及優(yōu)勢(shì)，使其生產(chǎn)出的變頻器可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)采煤機(jī)的規(guī)模化生產(chǎn)，同時(shí)減少裝配失誤，提升生產(chǎn)效率。

（3）散熱結(jié)構(gòu)

在使用變頻器的過(guò)程中，大約有2%～3%的電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了其他電器設(shè)備所形成的熱量。在連續(xù)采煤機(jī)中，其行走變頻系統(tǒng)存在較多的IGBT、較大的功率，并且全部封裝于一起，不具有充足的散熱空間。在早期的行走變頻系統(tǒng)中，其所運(yùn)用的冷卻形式是利用導(dǎo)熱硅脂將IGBT直接分布在電控箱的后板上，運(yùn)用循環(huán)冷卻水的形式來(lái)分散熱量。在將連續(xù)采煤機(jī)的變頻系統(tǒng)加以改善之后，運(yùn)用陣列形式將IGBT分布于已完成封裝的變頻器底板中，并將該底板安裝于變頻器箱的后板中，中間需要均勻地涂抹導(dǎo)熱硅脂。通過(guò)運(yùn)用這種散熱形式，可以改善散熱不均的問(wèn)題，增加散熱的效率[8]。

此外，在已經(jīng)封裝的變頻器內(nèi)部，應(yīng)當(dāng)將控制單元及驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)行分區(qū)排列，并運(yùn)用相應(yīng)的措施來(lái)降低變頻內(nèi)部的接線率，促進(jìn)散熱，使變頻器的溫升降低。

（4）功率因數(shù)、諧波抑制

變頻器系統(tǒng)在改善之后，其要求功率因數(shù)必須超出0.9，減少無(wú)功功率的消耗，同時(shí)諧波必須達(dá)到安標(biāo)及公用電網(wǎng)諧波的要求，其中電壓總諧波產(chǎn)生畸變的概率應(yīng)當(dāng)小于4%。

4 結(jié)束語(yǔ)

在連續(xù)采煤機(jī)中，其內(nèi)部安裝的行走電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)由交流變頻器轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷髡{(diào)速系統(tǒng)。從第一臺(tái)連續(xù)采煤機(jī)下線之后，我國(guó)所用連續(xù)采煤機(jī)中的行走變頻系統(tǒng)已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)樗南笙拮冾l系統(tǒng)，并且對(duì)其工藝與設(shè)計(jì)進(jìn)行了改善。通過(guò)實(shí)踐表明，連續(xù)采煤機(jī)內(nèi)部的行走變頻系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)改善之后，其生產(chǎn)效率得到了極大提升，行走系統(tǒng)在作業(yè)面空頂狀態(tài)下的服務(wù)時(shí)間得以降低，同時(shí)公用電網(wǎng)的各個(gè)要求得到滿足。該型號(hào)的四象限變頻器不僅可以實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的應(yīng)用需求，而且在采煤機(jī)優(yōu)化項(xiàng)目及梭車中有著廣泛運(yùn)用。