蘇良碧

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艾柯夫SL750采煤機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)分析與研究

蘇良碧

（中煤平朔工業(yè)集團(tuán)井工設(shè)備維修中心，山西 朔州 036002）

對艾柯夫SL750型采煤機(jī)變頻牽引調(diào)速系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)與控制方式進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明，該型號采煤機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)采用了帶速度編碼器的矢量控制模式，具有速度響應(yīng)快、低頻轉(zhuǎn)矩大、控制精度高的優(yōu)點(diǎn)；具有良好的恒功率與恒轉(zhuǎn)矩特性，能滿足采煤機(jī)在割煤或者調(diào)動狀態(tài)下轉(zhuǎn)矩及速度需求；具有良好的四象限調(diào)速性能，能有效地實(shí)現(xiàn)大傾角工作面的回饋制動；主從控制能使負(fù)荷在采煤機(jī)兩套牽引機(jī)構(gòu)中平均分配，有效發(fā)揮了兩臺牽引電機(jī)的輸出功率。

采煤機(jī)；牽引變頻調(diào)速；矢量控制；恒轉(zhuǎn)矩

SL750型采煤機(jī)是德國艾柯夫公司于2006年推出的新型采煤機(jī)，總裝機(jī)功率1 894 kW，采高范圍1.8～4.8 m，最高牽引速度51 m/min。該型號采煤機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、裝機(jī)功率大的優(yōu)點(diǎn)，適用于中底煤層的開采，目前廣泛應(yīng)用于中煤平朔、神華神東、淮南礦業(yè)等公司的礦井。SL750采煤機(jī)采用了目前世界上較為先進(jìn)的電氣控制技術(shù)與變頻調(diào)速技術(shù)，整個控制系統(tǒng)以IPC工控機(jī)為核心，采用CAN模塊作為底層數(shù)據(jù)采集與執(zhí)行元件，以CANBUS與PROFIBUS兩種現(xiàn)場總線相結(jié)合的方式組成通訊網(wǎng)絡(luò)。

牽引電機(jī)變頻驅(qū)動系統(tǒng)采用帶速度編碼器的矢量控制方式，具有速度響應(yīng)快、低頻轉(zhuǎn)矩大、控制精度高的優(yōu)點(diǎn)。但該類型調(diào)速系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障處理難度較其他調(diào)速系統(tǒng)要大，據(jù)統(tǒng)計(jì)，變頻調(diào)速系統(tǒng)故障占到了井下采煤機(jī)電氣故障的60%以上，因此，對該變頻調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行原理的深刻理解有助于日常采煤機(jī)的操作、維護(hù)與故障處理，對提高井工礦工作面產(chǎn)量具有重大意義。

1 變頻調(diào)速系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

SL750采煤機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)使用的是德國REFU公司所生產(chǎn)的變頻器，該型號變頻器采用的是常用的交-直-交的變頻結(jié)構(gòu)，主要由電抗器、預(yù)充電單元、整流單元、中間電容、逆變單元、控制電路板、牽引電機(jī)所組成。

1.1 輸入電抗器

輸入電抗器主要用于抑制浪涌電壓與浪涌電流，延長變頻器的使用壽命。同時，變頻器在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生高次諧波，使電源波形產(chǎn)生畸變，影響系統(tǒng)中其他電氣設(shè)備的正常運(yùn)行，電抗器起到防止諧波干擾的作用。

1.2 預(yù)充電單元

預(yù)充電單元主要起限制電源接通瞬間電容充電電流的作用。電容兩端在電源接通瞬間會產(chǎn)生電流突變，此時，電容相當(dāng)于短路，如果沒有預(yù)充電單元中的電阻對短路電流進(jìn)行限制，則會損壞整流電路中的功率元器件IGBT。當(dāng)電容充電完成后預(yù)充電單元接觸器動作，充電電阻被旁路。

1.3 整流電路

整流電路的主要作用是將三相交流電轉(zhuǎn)換為直流電供逆變器進(jìn)行電源變換，當(dāng)牽引電機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)時，整流電路則將回饋到直流側(cè)的再生電能回饋到交流電網(wǎng)，起到“逆變”的作用，該電路是由6個IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）所組成的PWM可控整流電路。

1.4 中間電容

變頻器在運(yùn)行過程中需要相對穩(wěn)定的直流母線電壓進(jìn)行電源變換，但整流電路輸出的直流電具有6倍諧波，會使逆變電路輸出的交流電產(chǎn)生紋波，因此，必須通過電容對整流電路的輸出進(jìn)行濾波，減少電壓或者電流波動，起到穩(wěn)定直流母線電壓的作用。

1.5 控制電路

控制電路主要由運(yùn)算電路、檢測電路、控制信號的輸入輸出電路和驅(qū)動電路等構(gòu)成?？刂齐娐分饕瓿蓪δ孀兤鞯拈_關(guān)控制和頻率控制，對整流電路的電壓控制，對預(yù)充電電路進(jìn)行切換控制，接收編碼器反饋的牽引電機(jī)速度信號，解決電壓控制與頻率控制的協(xié)調(diào)問題，同時完成各種保護(hù)功能。

1.6 逆變電路

逆變電路的作用是將整流電路輸出的直流電逆變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電，用于驅(qū)動牽引電機(jī)。逆變電路由6個IGBT所組成，觸發(fā)電路通過有規(guī)律地控制逆變器中IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷，可以得到任意頻率的三相交流電輸出，IGBT導(dǎo)通關(guān)斷頻率被稱為開關(guān)頻率，當(dāng)開關(guān)頻率達(dá)到2 kHz時，變頻器輸出電源波形接近正弦波。

1.7 牽引電機(jī)

SL750采煤機(jī)采用的是BREUER公司所生產(chǎn)的三相交流異步電動機(jī)，電機(jī)內(nèi)部包含電磁抱閘與編碼器，電機(jī)功率為90 kW，工作頻率為0～120 Hz，電機(jī)轉(zhuǎn)速為0～1 480 r/min。

1.8 編碼器

編碼器用于采集牽引電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，非接觸式電磁編碼器將牽引電機(jī)齒輪的角位移轉(zhuǎn)換為“0”和“1”的電信號，輸出兩組相位差為90°的脈沖，通過這兩組脈沖不僅可以測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速，還可以判斷出電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。變頻器通過采集到的電機(jī)轉(zhuǎn)速來建立數(shù)學(xué)模型，并通過該數(shù)學(xué)模型對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，編碼器輸出電壓為10～30 VDC，最大輸出頻率為50 kHz。

2 變頻調(diào)速控制方式

2.1 矢量控制

SL750采煤機(jī)變頻調(diào)速采用的是控制精度更高的矢量控制方式，具體過程是將異步電動機(jī)的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量（勵磁電流）和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量（轉(zhuǎn)矩電流）分別加以控制，并同時控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以稱這種控制方式為矢量控制方式。SL750采煤機(jī)采用矢量控制方式可使?fàn)恳姍C(jī)有很寬的調(diào)速范圍（0～3 535 rpm），同時可以控制牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)矩（0～582 Nm），電機(jī)速度控制更加精確。

2.2 恒轉(zhuǎn)矩與恒功率控制

采煤機(jī)在工作采煤過程中，需要根據(jù)被破落煤的截割阻抗和工作面工況條件的變化，不斷調(diào)節(jié)牽引速度的大小，該速度值稱為工作牽引速度；采煤機(jī)還需要在不割煤的狀態(tài)下以較高的速度在工作面上移動，該速度被稱為調(diào)動牽引速度，采煤機(jī)在割煤和調(diào)動的過程分別利用到電機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩特性與恒功率特性。采煤機(jī)在割煤過程中，牽引速度值不大，但輸出的牽引力值最大（582 Nm）并保持恒定，這一特性稱為恒轉(zhuǎn)矩特性；采煤機(jī)在調(diào)動時，對牽引速度的要求比較高，此時采煤機(jī)沒有截割阻力，所需牽引力比較小，為了充分利用牽引電機(jī)的功率，牽引電機(jī)的功率達(dá)到最大（90 kW）并保持恒定，這一特性稱之為恒功率特性。

2.3 四象限調(diào)速特性

變頻驅(qū)動控制系統(tǒng)能使采煤機(jī)向兩個方向牽引，當(dāng)采煤機(jī)在大傾角工作面處于下溜加速狀態(tài)時，為了保持采煤機(jī)安全勻速運(yùn)行，必須為采煤機(jī)提供反向制動力。這就需要變頻調(diào)速系統(tǒng)既能提供與采煤機(jī)運(yùn)動方向一致的牽引力，又能提供與采煤機(jī)運(yùn)動方向相反的制動力，即四象限調(diào)速特性。

為了實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)牽引系統(tǒng)的四象限運(yùn)行，變頻器的12個IGBT組成整流-逆變（回饋-逆變）橋，當(dāng)牽引電機(jī)工作在電動運(yùn)行狀態(tài)時，變頻器工作為正常輸出狀態(tài)，三相交流電通過整流、逆變后驅(qū)動牽引電機(jī)；當(dāng)牽引電機(jī)工作為回饋制動狀態(tài)時，回饋電能通過變頻器的“逆變電路”整流為直流電，給濾波電容充電，當(dāng)電容兩端的電壓高于電源電壓時，回饋電路工作，將再生電能逆變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻率同相位的交流電回送電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)回饋制動。

2.4 主從控制

SL750采煤機(jī)變頻牽引驅(qū)動系統(tǒng)采用的是一拖一的結(jié)構(gòu)，即兩臺變頻器各自單獨(dú)驅(qū)動一臺牽引電機(jī)，兩臺牽引電機(jī)同時輸出功率共同驅(qū)動采煤機(jī)左右行走，兩臺牽引電機(jī)扭矩軸通過齒輪和銷軌相互耦合在一起，需要使用變頻器的主從控制功能來使兩臺牽引電機(jī)負(fù)載平衡。IPC通過RS485總線向主變頻器給定速度控制信號，主變頻器通過光纖串行通訊鏈路來控制從變頻器，主變頻器采用的是速度控制模式，從變頻器采用的是轉(zhuǎn)矩控制模式，主變頻器根據(jù)采煤過程中所檢測到負(fù)載的大小，給定從變頻器一個轉(zhuǎn)矩信號，從而為兩臺牽引電機(jī)平均分配負(fù)荷，兩臺電機(jī)負(fù)荷一致，避免一臺牽引電機(jī)單獨(dú)出力，長時間過負(fù)載損壞牽引電機(jī)。

3 結(jié)論

SL750采煤機(jī)牽引調(diào)速系統(tǒng)采用了帶速度編碼器的矢量控制方式，具有速度響應(yīng)快、低頻轉(zhuǎn)矩大、控制精度高的特點(diǎn)；變頻調(diào)速系統(tǒng)的恒轉(zhuǎn)矩與恒功率特性能滿足采煤機(jī)在割煤或調(diào)動過程當(dāng)中對牽引電機(jī)轉(zhuǎn)矩與速度的要求；四象限調(diào)速特性能有效地實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的回饋制動，回饋制動能為采煤機(jī)提供足夠的制動功率，使采煤機(jī)能在工作面傾角較大的情況下安全勻速的牽引；主從控制模式能使負(fù)荷在兩臺牽引電機(jī)上平均分配，有效地利用兩臺牽引電機(jī)的輸出功率。

［1］閆建宙.采煤機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能控制技術(shù)研究［J］.機(jī)械管理開發(fā)，2018，05（02）：158-159.

［2］任保明.變頻驅(qū)動技術(shù)在連續(xù)采煤機(jī)行走系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.江西煤炭科技，2018（03）：40-42.

［3］馮戎.采煤機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)研究［J］.煤炭與化工，2017（08）：71-74.

［4］鄧孝祥，王安華，劉宏洋.采煤機(jī)變頻牽引回饋制動的控制策略［J］.黑龍江科技大學(xué)學(xué)報，2017（03）：211-214.

［5］孟鐳.連續(xù)采煤機(jī)變頻行走控制裝置的設(shè)計(jì)［G］//煤炭開采智能化、信息化新技術(shù)及應(yīng)用2016年學(xué)術(shù)年會論文集，2016，12（15）：56-59.

2095－6835（2018）23－0064－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2018.23.064

蘇良碧（1985—），男，山西朔州人，工程師，碩士研究生，目前主要從事煤礦機(jī)械機(jī)電系統(tǒng)維修與升級改造工作。

〔編輯：張思楠〕