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

        2020-07-23 09:07:30
        機電工程技術(shù) 2020年6期
        關(guān)鍵詞:電氣控制采煤機變頻

        楊 鵬

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

        0 引言

        在采煤機的構(gòu)成中,連續(xù)采煤機行走單元是其核心部分,采煤機所有的牽引力及截割力從可維護性、成本、有效性等多個方面對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)采煤機所運用的行走驅(qū)動技術(shù)也得到了極大提升,行走單元所采用的驅(qū)動形式也由以往的液壓及直流電機驅(qū)動轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣髯冾l驅(qū)動。隨著該驅(qū)動技術(shù)在煤礦機械設(shè)備的深入應(yīng)用,行走單元又開始運用四象限交流變頻器,這不僅可以極大降低因制動因素所導致的能量消耗,而且在減速環(huán)節(jié)實現(xiàn)了能量回饋電網(wǎng)的目標,進而實現(xiàn)了環(huán)保節(jié)能的目的。該采煤機的行走變頻系統(tǒng)設(shè)計方案也需要經(jīng)過一系列改善創(chuàng)新[1]。通過開展相應(yīng)的驗證試驗,行走變頻器及相關(guān)的電氣系統(tǒng)在經(jīng)過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

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

        礦井供電系統(tǒng)1 140 V經(jīng)過饋電開關(guān)或者移動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)當從電氣控制箱接入,從而為變頻器箱提供1 140 V的動力電能,同時變頻器利用變頻器箱將其控制及反饋信號連接到電氣控制箱,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,實現(xiàn)交互顯示及操作[2]。

        圖1 連續(xù)采煤機電氣系統(tǒng)

        該電氣系統(tǒng)的驅(qū)動單元共設(shè)置了8個電機,分別為液壓、裝運、除塵、牽引等機構(gòu)提供充足的動力,以達到截割、裝煤等各項功能。行走電機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)部所安裝的機構(gòu)主要為斷路器、保護元件等,以完成主令與輔助控制、關(guān)合等多項功能。

        連續(xù)采煤機所安裝的變頻系統(tǒng)采用了交流與直流相互轉(zhuǎn)換的模式,運用可靠性較高的IGBT作為主控元件,其具備較多的優(yōu)勢,如較小的啟動電流、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、訊號檢測等多個板塊,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的整流部分來進行整流,經(jīng)過IGBT的逆變單元之后,對行走單元發(fā)揮驅(qū)動動作。輸入交流1 140 V在經(jīng)過電源轉(zhuǎn)換電路及變壓器之后,為各個電路提供電源。

        該行走變頻系統(tǒng)運用了四象限變頻器,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行相互轉(zhuǎn)變,促使電能實現(xiàn)雙向傳輸。該特點可以有效地解決采煤機下坡過程中發(fā)生的因行走電機發(fā)電所造成的變頻器過壓狀況,同時也可以完成電氣制動,并且可以確保制動能量回饋至電網(wǎng)中。同時,即便電網(wǎng)不存在過高的電壓,四象限變頻器可以形成1 140 V的輸出電壓,確保電機可以輸出轉(zhuǎn)矩?;谶M線電壓為1 140 V的交流,IGBT所具有的耐壓應(yīng)當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)采煤機行走變頻系統(tǒng)框圖

        2 行走變頻系統(tǒng)的優(yōu)化

        在我國,連續(xù)采煤機大多應(yīng)用于千萬噸煤礦巷道的拓展和房柱式開采作業(yè),工作環(huán)境較為惡劣。在作業(yè)面中,連續(xù)采煤機有著十分頻繁的調(diào)動,通常應(yīng)用于空頂下[4]。因此,與其他應(yīng)用于工頻狀態(tài)下的非移動電機拖動系統(tǒng)相對比,變頻系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)速度調(diào)整及牽引功率的相關(guān)要求,而且還需要對空間、維護量等多個方面加以考慮。

        連續(xù)采煤機行走變頻系統(tǒng)中所運用到的元件均設(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、通信等多項功能,變頻器箱的構(gòu)造如圖3所示。電氣控制箱與裝運、截割等電機相連接,變頻器則與行走電機相連接,通過行走減速器來帶動采煤機內(nèi)部的履帶,以完成采煤機的一系列活動。

        圖3 連續(xù)采煤機變頻器箱

        變頻器箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要將檢測機構(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)水來進行冷卻。整流電容、電抗器等各個部件分別設(shè)置于變頻器箱的底板上。采用這樣的設(shè)置形式,可以使各個部件的分布簡單明了,有助于樣機的維護和調(diào)試,在開展工業(yè)性試驗的過程中有著十分重要的作用。但應(yīng)用這種設(shè)計方案也存在一定的缺陷,各個電氣元件之間利用走線形式進行連接,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,對變頻系統(tǒng)的安裝、調(diào)試及維護造成了較大的難度,同時也無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)的維護工作量減少和可靠性提升,同時實現(xiàn)行走系統(tǒng)所具有的控制要求,對該采煤機內(nèi)部的行走系統(tǒng)進行集中式優(yōu)化。對變頻系統(tǒng)進行綜合考慮,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,并且對于變頻器而言,其控制與檢測系統(tǒng)與工頻供電系統(tǒng)相互獨立,可以有效封裝變頻系統(tǒng)中的各個元件,利用功率母排將整流與逆變單元進行集中連接。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)動電路、整流部分、逆變部分等完全封裝于不銹鋼機殼中。外部接口是工頻1 140 V電源及控制訊號,物理接口則運用快插接頭。

        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)出的控制信號在經(jīng)過電控系統(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,之后再在人機界面上加以顯示[6]。對于該采煤機中的電控系統(tǒng)而言,行走變頻系統(tǒng)就如同一個黑盒子。在經(jīng)過優(yōu)化之后,該封裝式的結(jié)構(gòu)形式將有助于開展現(xiàn)場檢修工作,當變頻器產(chǎn)生故障之后,不需要再耗費時間及精力來仔細排查變頻系統(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進行更換,極大提升了工作效率,縮短了空頂狀態(tài)下的時間。

        3 行走變頻系統(tǒng)優(yōu)化的關(guān)鍵問題

        (1)集成設(shè)計

        由于連續(xù)采煤機對變頻器提出了較高的要求,如較高的啟動轉(zhuǎn)矩和較大的拖動負載功率,因此其必須應(yīng)用功率較大的電力電子元件,并且變頻器中強電與弱電、動力電源與控制信號共同存在。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

        采取復(fù)合母排來取代傳統(tǒng)配線。傳統(tǒng)原直導線大約存在0.8 nH/cm的寄生電感,因此IGBT變頻器所具有的連接長度應(yīng)當小于40 cm。而因受到有限空間的制約,隔爆型變頻器箱不能進行平直布線,在布線的時候極易超出標準長度,導致寄生電感出現(xiàn)超標狀況。通過運用復(fù)合多層母排的方法,IGBT整流、電容等各個電位的功率元件可以相互連接,運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,同時其還具備一定的優(yōu)勢,如阻抗、感抗、功率損耗和電壓降均較低等。變頻器經(jīng)過改善之后,在運用復(fù)合母排的時候,其導電層選用了導電率較高的銅材料,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,使其生產(chǎn)出的變頻器可以實現(xiàn)連續(xù)采煤機的規(guī)?;a(chǎn),同時減少裝配失誤,提升生產(chǎn)效率。

        (3)散熱結(jié)構(gòu)

        在使用變頻器的過程中,大約有2%~3%的電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?,這遠遠超出了其他電器設(shè)備所形成的熱量。在連續(xù)采煤機中,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,其所運用的冷卻形式是利用導熱硅脂將IGBT直接分布在電控箱的后板上,運用循環(huán)冷卻水的形式來分散熱量。在將連續(xù)采煤機的變頻系統(tǒng)加以改善之后,運用陣列形式將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熱硅脂。通過運用這種散熱形式,可以改善散熱不均的問題,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)當將控制單元及驅(qū)動單元進行分區(qū)排列,并運用相應(yīng)的措施來降低變頻內(nèi)部的接線率,促進散熱,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,減少無功功率的消耗,同時諧波必須達到安標及公用電網(wǎng)諧波的要求,其中電壓總諧波產(chǎn)生畸變的概率應(yīng)當小于4%。

        4 結(jié)束語

        在連續(xù)采煤機中,其內(nèi)部安裝的行走電氣驅(qū)動系統(tǒng)已經(jīng)由交流變頻器轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷髡{(diào)速系統(tǒng)。從第一臺連續(xù)采煤機下線之后,我國所用連續(xù)采煤機中的行走變頻系統(tǒng)已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)樗南笙拮冾l系統(tǒng),并且對其工藝與設(shè)計進行了改善。通過實踐表明,連續(xù)采煤機內(nèi)部的行走變頻系統(tǒng)在經(jīng)過改善之后,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)時間得以降低,同時公用電網(wǎng)的各個要求得到滿足。該型號的四象限變頻器不僅可以實現(xiàn)采煤機的應(yīng)用需求,而且在采煤機優(yōu)化項目及梭車中有著廣泛運用。

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