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四象限变频调速技术在电牵引采煤机上的应用研究


一.论文题目 四象限变频调速技术在电牵引采煤机上的应用研究 二.内容提要
八十年代以后, 世界各国的采煤机技术装备为适应煤矿现代化高产高效的 需要,加速应用各项新技术,特别是随着微机控制技术和大功率电子元件的发 展,美、英、德、日等国的电牵引采煤机迅速发展。交流变频调速技术在我国 煤炭行业采煤机装备上推广应用是在九十年代初开始的, 目前该项技术仅应用 于水平煤层的电牵引

采煤机。 我国煤炭储量丰富, 煤炭产量居世界首位, 其中缓倾斜煤层的储量占 30% 左右,目前仍使用技术落后的液压牵引采煤机,无法达到高产高效。交流电牵 引采煤机还未解决在倾斜煤层下行时的制动及能量反馈等牵引问题而无法应 用。 本文就电牵引采煤机在倾斜煤层的应用的有关问题进行研究, 提出了相关 对策,并开发出一套电牵引采煤机四象限变频调速技术系统应用于 MGYS180/460-WD 型采煤机。介绍了该系统的设计原理和结构,进行了系统 试验、牵引特性试验并对试验情况进行相关分析,结果表明应用该项技术的交 流电牵引采煤机能适应倾斜煤层的开采。

三.目的要求

四.附有图纸、图表

四象限变频调速技术在电牵引采煤机上的应用研究
摘 要

八十年代以后, 世界各国的采煤机技术装备为适应煤矿现代化高产高效的 需要,加速应用各项新技术,特别是随着微机控制技术和大功率电子元件的发 展,美、英、德、日等国的电牵引采煤机迅速发展。交流变频调速技术在我国 煤炭行业采煤机装备上推广应用是在九十年代初开始的, 目前该项技术仅应用 于水平煤层的电牵引采煤机。 我国煤炭储量丰富,煤炭产量居世界首位,其中缓倾斜煤层的储量占 30% 左右,目前仍使用技术落后的液压牵引采煤机,无法达到高产高效。交流电牵 引采煤机还未解决在倾斜煤层下行时的制动及能量反馈等牵引问题而无法应 用。 本文就电牵引采煤机在倾斜煤层的应用的有关问题进行研究, 提出了相关 对策,并开发出一套电牵引采煤机四象限变频调速技术系统应用于 MGYS180/460-WD 型采煤机。介绍了该系统的设计原理和结构,进行了系统试 验、牵引特性试验并对试验情况进行相关分析,结果表明应用该项技术的交流 电牵引采煤机能适应倾斜煤层的开采。 关键词:电牵引采煤机,四象限,变频调速,倾斜煤层。

目录

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第一章 采煤机概述?????????????????????????1 1.1 采煤机的结构及工作原理???????????????????1 1.2 采煤机的分类????????????????????????2 第二章 电牵引采煤机的现状与发展??????????????????3 2.1 电牵引采煤机的技术及应用现状????????????????3 2.2 采煤机电牵引技术介绍????????????????????4 2.3 采煤机电牵引技术的应用发展方向???????????????9 2.4 电牵引采煤机存在的问题???????????????????10 第三章 倾斜煤层开采的电牵引采煤机对策???????????????12 3.1 采煤机减速停车时的制动功率计算???????????????12 3.2 采煤机在倾斜煤层开采的受力分析???????????????14 3.3 电牵引采煤机在不同倾角煤层的应用方案????????????16 第四章 四象限变频调速技术的原理??????????????????19 4.1 变频调速机械特性??????????????????????19 4.2 变频调速的控制方式?????????????????????21 4.3 四象限变频调速技术介绍???????????????????23 第五章 四象限变频调速技术在采煤机上应用的要求与总体思路??????28 5.1 交流电牵引采煤机对变频调速系统的一般要求??????????28 5.2 对用于倾斜煤层的采煤机变频调速系统的一些特殊要求??????30 5.3 系统设计总体思路??????????????????????30 第六章 系统设计与开发???????????????????????31 6.1 四象限变频调速装置选择???????????????????31 6.2MGYS180/460-WD 型电牵引采煤机电气系统研制?????????34 6.3MGYS180/460-WD 型电牵引采煤机控制及保护原理????????35 6.4MGYS180/460-WD 型电牵引采煤机牵引调速系统设计???????39 6.5 相关技术及措施???????????????????????46 6.5.1 装置的隔爆技术及措施???????????????????46 6.5.2 装置的抗震技术及措施???????????????????47 6.5.3 装置的冷却技术及措施???????????????????49 附录 ???????????????????????????????57 参考文献 ?????????????????????????????63 致谢 ???????????????????????????????65

第一章

采煤机概述

第一章

采煤机概述

采煤机是煤矿生产的重要设备,其具有采煤和装煤等功能。采煤 机一般有连续采煤机和滚筒式采煤机两种。 本文所涉及的采煤机均为 滚筒式采煤机。

1.1 采煤机的结构及工作原理
采煤机的结构经过单滚筒到双滚筒、单电机到多电机、纵向布置 到横向布置的发展,已逐步趋向于成熟。如图 1-1 所示为多电机横向 布置的双滚筒采煤机,其结构从功能上分有:截割部、牵引部、电气 控制系统、液压调高系统、水路冷却喷雾系统等。

图 1-1 采煤机的结构图 Fig.1-1 Structure chart of Shearer 截割部有左截割部和右截割部,由滚筒 1(或 11) 、摇臂 2(或 10)及电动机组成,由其完成落煤和装煤。牵引部由控制系统(主要 由变频调速箱 6 组成,内含牵引变压器、变频调速装置等)和左传动 箱 4(包括牵引电动机或液压马达) 、牵引箱 3、右传动箱 9(包括牵
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采煤机概述

引电动机或液压马达) 、牵引箱 3 组成,由其完成采煤机的牵引行走。 电气控制系统(主要由电控箱 7、端头控制站、无线电遥控装置等组 成)实现采煤机的检测、保护、控制、显示等功能。液压调高系统由 液压系统(主要由调高泵箱 5、阀组等组成) 、调高油缸及管路等组 成,完成采煤机摇臂的高度调节功能。水路冷却喷雾系统由水阀 8、 管路及喷嘴等组成,实现采煤机各部件的冷却、外喷雾及滚筒的内喷 雾等功能。 采煤工作面的主要设备有采煤机、刮板输送机、液压支架组等。 采煤机的工作原理:采煤机沿刮板输送机的轨道左右行走的同时,由 于采煤机的滚筒装有截齿, 滚筒旋转截割煤层并将落煤装进刮板输送 机。刮板输送机将煤运往工作面以外的运输系统。液压支架组的作用 是为采煤机、刮板输送机支撑出一个工作空间。每个液压支架和刮板 输送机之间有推进油缸,可以推刮板输送机和拉液压支架,起到将整 个采煤工作面向前推进的目的。为适应煤层厚度的变化,可通过控制 调高油缸的伸缩来改变摇臂摆角以实现滚筒高度的改变。

1.2 采煤机的分类
采煤机有不同的分类方式: 根据采煤方式的不同可分为: 连续式采煤机和长臂滚筒式采煤机。 根据牵引方式的不同可分为: 机械牵引采煤机、 液压牵引采煤机、 电牵引采煤机。而电牵引方式又有电磁滑差调速、变频调速、开关磁 阻调速等。 根据滚筒布置方式的不同可分为: 单滚筒采煤机、 双滚筒采煤机、 短臂采煤机。

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第一章

采煤机概述

根据电机布置方式的不同可分为: 单电机或双电机纵向布置采煤 机和多电机横向布置采煤机。 目前国际上采煤机行业的发展方向是:多电机驱动、横向布置交 流电牵引采煤机。

第二章 电牵引采煤机的现状和发展

2.1 我国电牵引采煤机的技术及应用现状
八十年代中期开始,中国煤炭科学研究总院上海分院与波兰 KOMAG 合作,于 1991 年在国内率先研制成功第一台应用交流变频调 速技术的 MG344-PWD 型薄煤层强力爬底板采煤机。随后,利用研制成 功的交流变频调速技术对 MG300 和 AM500 型液压牵引采煤机进行了改 造, 形成了 MG300/680-WD 和 MG375/830-WD 型截割电机纵向布置的交 流 电 牵 引 采煤 机; 同 时 , 在国 内首 先 开 发 截割 电机 横 向 布 置的 MG200/500-WD、MG250/600-WD、MG400/920-WD 和 MG450/1020-WD 型 中厚煤层交流电牵引采煤机以及 MG200/450-WD、MG250/550-WD 型较 薄煤层交流电牵引采煤机,并已成功应用于晋城、淮南、徐州、大同 等局矿。 到目前为止, 国内各采煤机生产厂家均对交流电牵引采煤机进行 了大量的研制开发: 太原矿山机器厂在与煤科总院上海分院合作将 AM500 液压牵引 采煤机改造成 MG375/830-WD 型交流电牵引采煤机后,与兖州矿业集
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第二章

电牵引采煤机的现状和发展

团合作,研制成功了应用交流变频调速技术的 MGTY400/900-3.3D 型 交流电牵引采煤机, 同时也开发了 MG250/600-1.14D 型交流电牵引采 煤机。 鸡西煤机厂在与煤科总院上海分院合作将 MG2?300-W 型液压牵 引采煤机改造成 MG300/680-WD 型交流电牵引采煤机后,也研制开发 了应用交流变频调速技术的 MG200/463 型、MG400/985 型交流电牵引 采煤机。 辽源煤机厂在与煤科总院上海分院合作生产 MG344-PWD 交流电 牵引采煤机后,1998 年与邢台矿业集团合作研制成功我国首台应用 电磁转差离合器调速技术的 MG668-WD 电牵引采煤机。 无锡采煤机厂与中纺机电研究所合作,于 2000 年开发研制成功 国内首台应用开关磁阻电机调速技术的 MG200/500-CD 型电牵引采煤 机。 经过近二十年的研制开发, 我国的交流电牵引采煤机已逐步走向 成熟。交流电牵引技术的应用也不断推陈出新,满足了不同煤矿用户 的使用要求,为煤矿生产的技术进步起到了积极的推动作用。

2.2 采煤机电牵引技术的介绍
目前国内使用的交流电牵引采煤机的电牵引调速系统主要有三 种:电磁转差离合器调速系统,交流变频调速系统和开关磁阻电机调 速系统。它们的调速原理、性能和特点各不相同,但基本上都可分为 控制部分和牵引电机两大部分。 2.2.1 电磁转差离合器调速系统 该系统控制部分较为简单,关键部分是牵引电机,即电磁转差离

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第二章

电牵引采煤机的现状和发展

合器(俗称滑差离合器) 。 电磁转差离合器工作原理如图 2-1 所示,它的电枢为一钢体圆 筒,装在三相异步电动机的输出轴上,与电动机同速旋转,兼有导磁 和导电的功能。磁极为一对对相互交叉的爪极,通过非磁性材料将爪 极焊接为整体装在输出轴上。磁极与电枢间有气隙,两者间无机械连 接。励磁绕组装在支架上,支架一端与磁轭相联,它兼作线圈固定与 导磁用,支架的另一端固定于端盖上,组成静止的导磁部分,并借助 两辅助气隙与磁极分开。 电枢作为主动转子与三相异步电动机转子硬 连接以恒速旋转, 磁极作为从动转子在电枢与静止的导磁部分之间旋 转,并产生转矩,带动采煤机牵引减速箱运转。 当励磁绕组通入直流电流后,沿磁极圆周交替产生 N、S 极,磁 力线经过磁极、气隙、电枢、支架等构成回路。由于电枢以恒速 n1 旋转,电枢与磁极间存在一定的转速差,电枢切割磁场产生感应电动 势并产生涡流, 此涡流与磁场作用在电枢上产生与其旋转方向相反的 力,根据作用力与反作用力的原理,在磁极上

图 2-1 电磁转差离合器工作原理图 Fig.2-1 Operational principle diagram of Electromagnetic differential clutch
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第二章

电牵引采煤机的现状和发展

就产生一个与电枢旋转方向相同的力,使磁极按电枢旋转方向旋转, 即按异步电动机的旋转方向输出转矩来带动负载运转。 电磁转差离合 器的输出转速就是磁极的转速 n2。 转速 n2 的高低取决于磁极与电枢间 耦合力的大小,即取决于励磁电流的大小,当负载转矩恒定时,励磁 电流越大,n2 越大,但 n2 始终低于 n1,若没有(n1-n2)这个转速差, 电枢中就不能产生涡流,也就没有电磁转矩了。 该调速系统应用于采煤机上主要有以下特点: 〔1〕 技术可靠、成熟,制造难度小; 〔2〕 控制系统简单,便于采煤机操作、维护工人的熟悉和掌握; 〔3〕 输出机械特性较软,对采煤机牵引部齿轮减速传动系统起到保 护作用,可以避免卡、阻现象形成的突加负载对齿轮、轴可能造成的 损坏; 〔4〕 供电电压为 1140V,和采煤机截割电机供电电压一致,使采煤 机供电系统显得简单方便。 同时该调速系统也有一定的局限性,主要有: 〔1〕 调速范围小:只能在异步电动机额定转速下调速,不能满足采 煤机高产高效要求的高牵引速度的需要; 〔2〕 效率低:该调速系统在交流调速类型中属转差功率消耗型调速 系统,它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低(恒转矩负载 时) ,越向下调速效率越低; 〔3〕 换向可靠性低:由于该调速系统的输出换向是通过切换三相异 步电动机 1140V 电源的相序来实现,所以在采煤机上必须安装接触 器,而接触器的抗机械振动和冲击性能较差。 〔4〕 电磁转差离合器的散热要求高:因为其效率的损失部分均转换
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第二章

电牵引采煤机的现状和发展

成热能,所以必须有完善的冷却系统。 2.2.2 交流变频调速系统 交流变频调速系统应用于采煤机上所使用的牵引电机均为通用 的隔爆型三相异步电动机。系统的关键在于控制部分,即变频器。目 前采煤机上应用的变频器基本上是 VVVF(变压变频)变频器。 众所周知,异步电动机的转速 n=60fs/p(1-s),[其中 fs 为定子 供电频率,p 为电动机极对数,s 为转差率]。从公式可以看出,通过 连续地调节电动机定子供电频率 fs, 就可以平滑地改变电动机的转速 n。
DA DB DC

T V + C RZ

TA

TB

TC

M
A D' B D' C D'

T' A

T' B

T' C

图 2-2 VVVF 变频器主电路 Fig.2-1 VVVF converter main circuit 另外, 根据电机定子每相电动势的有效值公式可知变频调速有两 种情况:基频以下调速为恒转矩调速,基频以上调速为恒功率调速。 图 2-2 为 VVVF 变频器主回路电路,由桥式整流电路、滤波环节、 逆变电路组成。380V 三相交流电源经桥式整流电路整流,再经滤波 为逆变电路提供恒定的直流电源。逆变电路是变频器的关键,一般它 由六组功率管(IGBT 或 IPM 管)构成三相上、下桥臂。六组功率管 的通断是由微机电路和驱动电路来控制的,通过一定的控制方式(如

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电牵引采煤机的现状和发展

PWM 控制方式) ,使逆变电路输出变频变压的电源给三相异步电动机, 实现电机的调速与换向。 该调速系统应用于采煤机上具有以下特点: 〔1〕 起动性能好:与三相异步电动机直接起动相比,变频调速系统 可以实现软起动; 〔2〕 针对调速系统有基频以下和基频以上两个区域的特点,将采煤 机牵引设计成:基频以下的恒转矩区进行进刀割煤,基频以上的恒功 率区进行空刀调动,适应了煤炭生产高产高效的快速牵引的要求; 〔3〕 由于变频调速属转差功率不变型调速系统,所以效率高; 〔4〕 随着微机控制技术的发展和大功率电子元器件的日新月异,变 频调速技术在调速性能、 调速精度等方面已经完全可以与直流调速相 比拟; 〔5〕 由于变频调速系统负载电机(即牵引电机)采用普通隔爆型三 相异步电动机,可靠性高,可以基本做到免维护。 但变频调速系统技术难度大,控制系统结构相对复杂,煤矿现场 工人初期难掌握。 2.2.3 开关磁阻电动机调速系统(SRD) 开关磁阻电动机调速系统(以下简称 SRD 系统)融新颖的电动机 与现代电力电子技术、控制技术为一体,兼有异步电动机变频调速系 统和直流电动机调速系统的优点, 但又不同于交流变频调速与直流调 速,SRD 系统是利用磁场和磁场力所具有的特性直接将磁场力转换成 机械能的过程。 整个 SRD 系统由电动机和控制部分组成(如图 2-3 所示) 。电动 机为定转子双凸极 12/8 齿结构(如图 2-4 所示) 。定子齿上有集中绕
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电牵引采煤机的现状和发展

组,每四个齿的绕组相连接(图中只表示 A 相) ,构成 A、B、C 三相 绕组。SR 电动机运行遵循“磁阻最小原理” ,磁通总是沿着最小的路 径闭合。当某相绕组通电时,将产生一个使邻近转子齿与该相绕组轴 线相重的电磁转矩。依次对 A、B、C 相循环通电,即可使电动机旋转 起来。改变三相通电次序即可改变电动机旋向,控制绕组电流的大小 和通断时刻,就可以改变输出转矩和转速。

图 2-3 SRD 系统框图 Fig.2-3 Block diagram of SRD system
A

A

图 2-4 SR 电动机结构图 Fig.2-4 SR motor construction 为了检测电动机转子的瞬时位置和转速, 必须在电动机上装有光 电编码位置传感器。

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电牵引采煤机的现状和发展

控制部分的主电路如图 2-5 所示。 三相交流电源经桥式整流器转 换为直流电源。 六组 IGBT 管和六组二极管组成三相半桥式逆变电路, 为电动机的 A、B、C 三相绕组依次供电。
A D' B D' C D'

TA V + C A A' DA T' A

TB

TC

B B' DB T' B

C C' DC T' C

图 2-5 控制部分的主电路 Fig.2-5 Main circuit of control unit SRD 调速系统应用于采煤机上有如下特点: 〔1〕 起动转矩大。起动转矩可达额定转矩的 150%,起动电流仅为 额定电流的 30%,适用于重载频繁起动; 〔2〕 控制电路结构简单可靠,适用于恶劣的工况条件; 〔3〕 系统效率高,特别能在大扭矩,高转速状态下保持高效率运行; 〔4〕 SR 电动机损耗小,效率高,转子不存在励磁及转差率,因此在 很宽的调速范围内效率高达 87%以上; 〔5〕 SRD 系统三相电流单向流动,与转矩方向无关。做到只用一组 主开关器件即可控制系统运行, 而且主电路中始终有一相绕组与主开 关器件串联,这就从结构上排除了短路击穿的可能。

2.3 采煤机电牵引技术的应用发展方向
〔1〕 高电压。目前在采煤机上应用的三种交流电牵引技术除电磁转 差离合器调速系统的供电电源为 1140V 外,其余均为 380V,使得采 煤机供电系统繁杂,并且还需要牵引变压器,增加了采煤机结构的复
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第二章

电牵引采煤机的现状和发展

杂性。如果实现 1140V(或 3300V)供电的变频调速系统或 SRD 系统, 必将使采煤机更趋优化。 〔2〕 大功率。为了实现煤矿生产的高产高效,要求采煤机的截割功 率、牵引功率不断增大,牵引速度不断提高。目前国际上美国 JOY 公 司生产的 7LS5 型交流电牵引采煤机的牵引功率已达 2×110kW。 〔3〕 高可靠性。高产高效要求采煤工作面达到日产 7000~10000t 水平,采煤机的可靠性将成为影响原煤产量的主要因数。而电牵引系 统是采煤机的关键,其技术装置的可靠性必定是至关重要的。

2.4 目前电牵引采煤机存在的问题
2.4.1 适应性问题 现有交流电牵引采煤机基本上应用于近水平煤层的开采, 对于倾 斜煤层、大倾角煤层无法适应。其原因在于电牵引系统不能实现完全 可靠的四象限运行,而在倾斜煤层应用时,采煤机必须要有可靠的制 动力来克服自重所产生的下滑力。 这就大大缩小了交流电牵引采煤机 的使用范围。而我国倾斜煤层的储量占相当大比例,要实现倾斜煤层 开采的高产高效,就必须解决交流电牵引采煤机的四象限运行问题。 2.4.2 抗震问题 众所周知, 采煤机在煤矿井下的工作环境必然存在振动和冲击的 强烈程度随采煤工作面的条件不同而变化:如煤质硬度、夹矸、顶底 板条件、三机配套的合理性等。市场销售的通用性变频器基本上是固 定静止安装设计,最多只考虑了运输途中的震动因素。其给出的抗震 指标也不能满足采煤机的使用要求。 电牵引采煤机将通用性变频器移 植到机身上时必须增加防震措施。 2.4.3 散热问题
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第二章

电牵引采煤机的现状和发展

散热主要是针对变频器的大功率元器件,如整流桥、IGBT 模块 等。由于使用在煤矿井下有瓦斯和煤尘等爆炸性气体的环境,将通用 性变频器改装到一个隔爆型箱体内, 这样就打破了原有变频器风冷的 方式。电牵引采煤机采用何种散热方式需要我们认真考虑。

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第四章

四象限变频调速技术的原理

第三章 倾斜煤层开采的电牵引采煤机对策

3.1 采煤机减速停车时的制动功率计算
根据电力传动系统的运动方程式,当电动机减速时,负载转矩 M Z 大于电磁转矩 M,其差值为减速转矩,不考虑摩擦阻力的作用,可 得制动转矩 M 制 为
M制



GD 2 dn 375 dt

(3-1) 其中 n-电动机转速 图 3-1 所示为制动时间图, 设电动机从最高转速 N 减速到 0 所需 要的时间为 t1 秒,系统重复使用的周期为 t2 秒。由(3-1)式可得, 电动机从最高转速 N 减速到 0 所需的最大制动转矩为:
M制

=

GD 2 ( N ? 0) 375 t1

(3-2) 实际的采煤机传动系统中,存在有机械摩擦损耗,另外还有一些 附加损耗,根据使用的实际情况,假设这些损耗大约为电机额定转矩 的 10%左右, 由电机额定转矩的计算公式:
Me



975

Pe ne

(3-3) 得实际的制动转矩 M 实 为:

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第四章

四象限变频调速技术的原理

M (3-4)





GD 2 N 375 t1



975 Pe 10 ne

N

t1

t2

式中,
Pe —电动机的额定功率; ne —电动机的额定转速;

0 DB 图2

图 3-1 制动时

间图 Fig.3-1 chart of braking process 由公式(3-4) 可得实际需要的最大制动功率 P实Max 为
? GD 2 N 2 975 NPe ? P实MAX ? ? ? g 375 t ? 10 n ? 975 ? 1 e ? ?

Time

(3-5) 对于 MG250/600-WD1 采煤机, 飞轮矩 GD 2 包括两台牵引电动机出 轴和转子的飞轮矩之和 GD 2 d 、牵引部传动机构的飞轮矩 GD 2C 、采煤 机做直线运动时质量折算到电机轴的飞轮矩 GD 2 m ,即 GD (3-6) GD 2 的精确计算较为困难,只能进行估算。 从牵引电机出轴到行星头有四级传动,传动系统 I 轴~IV 轴的 转 动 惯 量
2



GD 2 d



GD 2C



GD 2 m

折算到电机出轴的计算值为 0.0272kg .m 2 。 根据采煤机两个牵引传动系统,可得飞轮矩为
GD C ? 2 ? 4 gJ ? 2.13 N .m2 。
2

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第四章

四象限变频调速技术的原理

两个牵引电机的飞轮矩包括轴的飞轮矩与转子飞轮矩之和,经计算 得
GD 2 d =20.4N.m 2

采煤机做直线运动时,其质量折算到电机轴的飞轮矩估算为
GD 2 m = 365

mgv 2 z =0.78N.m 2 2 N

式中, m -采煤机的质量,34000kg; v z -采煤机的最大运行速度,0.2m/s; 根据上述计算,由式(3-6)可得 GD 2 =23.3kg .m 2 假设采煤机从最大转速减速到零的减速时间设定为 3s,由式 (3-5)可得制动功率为:
P实Max =0.22kW

根据图 3-1 的制动时间图,可得出一个周期的平均制动功率为:
P均 ? P实Max t1 t2

(3-7) 考虑最恶劣的情况, t 2 ? 2t1 ,由式(3-7)式,可得出一个周期 的平均制动功率为:
P均 ? 0.11kW

3.2 采煤机在倾斜煤层开采的受力分析
如图 3-2 所示,当采煤机沿倾斜煤层下行时,牵引电机将运行 于发电状态。 为使采煤机在倾斜角为α 的采煤工作面下行时能正常稳 定的运行,考虑空载下行的最严重状况,由图 3-2 所示的采煤机沿倾 斜煤层下行时的受力分析图可知,采煤机受力必须满足

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第四章

四象限变频调速技术的原理

F制 = FG

- f

(3-8)



G

2

α

图3 图 3-2 采煤机下行模拟受力图 Fig.3-2 Loading analysis diagram of shearer running down along slant coal bed

式中, FG — 采煤机的下滑力;
f — 采煤机与刮板运输机之间的摩擦力;
F制 — 采煤机电牵引系统提供的电制动力。

根据功率与力、速度的关系有:
P制 ? F制 ? v Z

(3-9) 式中, P制 — 采煤机电牵引系统(即变频器)提供的电制动功率;
v Z — 采煤机下行的最大速度。

由式 3-8 和式 3-9,得
P制 ? ?FG ? f ? ? v Z =

?mg sin? ? ?mg cos? ? ? vZ
mg ?sin ? ? ? cos? ? ? v Z

= (3-10) 式中, m -采煤机的质量;
g -重力加速度;

? -工作面倾斜角;

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四象限变频调速技术的原理

? -采煤机与刮板运输机之间的摩擦系数;

例如 MG250/600-WD1 型交流电牵引采煤机,其质量 m =34000kg, 若取 v Z =0.2m/s, 工作面倾角 ? =20 ? , 而摩擦系数一般介于 0.18~0.25 之间,这里取 ? =0.2。我们可以由式 3-3 计算出一台 MG250/600-WD1 交流电牵引采煤机在倾角为 20 ? 的采煤工作面上,以 v Z =0.2m/s 速度 空载下行时所需的电制动功率为:
P制 ? 10.6kw。

由式(3-10)可以绘出采煤机重量在 30t、40t、50t 时的煤层倾 角、采煤机速度、所需的电制动功率关系曲线,如图 3-3、图 3-4、 图 3-5:
P 制动功率 kW) (
45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
15° 25° 35° 45°

13.9 米/分 12 米/分 8.3 米/分 6 米/分

α (煤层倾角)

图 3-3 采煤机重量为 30000kg 曲线 Fig.3-3 Brake power curve when shearer weights 30000kg.

P(制动功率 kW)

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第四章

四象限变频调速技术的原理

60

13.9 米/分
50 40 30 20 10 0
15° 25° 35° 45°

12 米/分 8.3 米/分

6 米/分

α (煤层倾角)

图 3-4 采煤机重量为 40000kg 曲线 Fig.3-4 Brake power curve when shearer weights 40000kg.
P(制动功率 kW)
70

13.9 米/分
60 50 40 30 20 10 0
15° 25° 35° 45°

12 米/分 8.3 米/分 6 米/分

α (煤层倾角)

图 3-5 采煤机重量为 50000kg 曲线 Fig.3-5 Brake power curve when shearer weights 50000kg.

3.3 电牵引采煤机在不同倾角煤层的应用方案
根据以上分析可以知道, 交流电牵引采煤机是可以运行于倾斜煤 层工作面的,而且根据采煤机所需制动功率的大小,还可以选择不同 的变频器运行方案。
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第四章

四象限变频调速技术的原理

根据图 3-3、图 3-4、图 3-5 关系曲线,以及我们掌握的电牵引 采煤机的实际运行经验和采煤工作面等有关综合因素,大致可考虑: 煤层倾角在 15~25°左右、并且煤层倾角的连续长度不大时,可采 用通用变频器附加动态制动单元的方式运行;在煤层倾角大于 25° 时,我们应采用四象限运行变频器,确保采煤机可靠安全地运行。 3.3.1 动态制动单元的方案 采用动态制动单元方案时,考虑到制动单元为间歇工作制,因 此必须具有充分功率余量。一般变频器制动单元的短时制动功率可 达到 20kW 以上,若选用两个或三个制动单元并联使用,再配以足够 功率余量的制动电阻, 如果倾角煤层的连续长度不大,我们认为电 牵引采煤机采用通用变频器附加制动单元的工作方式是可行的。

制动单元 制 动 电 阻

变频器

比较器

放大器

基准

0V

图6

图 3-6 动态制动单元框图 Fig.3-6 Block diagram of braking unit 动态制动单元框图如图 3-6 所示。其基本原理是:制动单元检 测变频器直流回路的电压,并和其基准信号相比较。当采煤机牵引 电机处于发电工况时,变频器直流回路的电压升高,制动单元的比 较器输出信号,经放大器驱动 IGBT 导通,使制动电阻并接在变频器 直流回路,从而达到耗能制动的目的。

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第四章

四象限变频调速技术的原理

动态制动单元所配的制动电阻的阻值可由下式计算: R=V/I (3-11) 其中:R — 制动电阻的电阻总值; V — 制动单元开启时的直流回路电压值,大约在 600~ 720v 左右; I — 制动单元连续工作电流值。 因为制动电阻安装在隔爆腔内,工作时主要是发热(约 200°C 左右) 。针对这一使用环境恶劣的条件,我们认为制动电阻的功率必 须有 3-5 倍以上的足够余量,并且必须采取良好的散热措施,如水冷 或水冷与风冷相结合的办法等。 3.3.2 四象限变频器方案 如果煤层倾角大于 25°, 或倾角煤层的连续长度较大的话,电 牵引采煤机所需制动功率将增大,制动时间也变长,这时如采用制动 单元方案,将会引起制动单元和制动电阻烧毁,因此必须采用四象限 变频器方案。 四象限变频器能实现电动状态运行和制动状态运行 (发电回馈电 网)两种工作方式。当牵引电机处于电动状态时,变频器由电源供电 工作;当采煤机沿倾斜煤层空载下行时,牵引电机运行于发电状态, 发电能量经直流回路由电源侧的 IGBT 管连续反馈到电网,于是产生 连续稳定的电制动力,因此下行的速度是平稳的。而且发电回馈电网 的能力和电动运行的能力是同等的,因此从理论上讲,任何倾角的煤 层、任何运行速度四象限变频器都能适应。

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第四章

四象限变频调速技术的原理

第四章 四象限变频调速技术的原理

4.1 变频调速的机械特性
第二章对变频调速原理作了简单介绍。为了进一步地了解,我们 对变频调速的机械特性做更详细的分析。异步电动机的电磁转矩 Tem 与每极气隙磁通Φ M、折算到定子侧的每相转子电流 Ir 以及转子电路 的功率因数 cos?r 等有关。Tem 可以由下式(4-1)求出: Tem (4-1) 式中 由于 所 以 (4-2) 式中 Er-折算到定子侧的转子每相电动势; Rr-折算到定子侧的转子每相电阻; xrσ -折算到定子侧的转子每相漏抗。 转子电路的功率因数为 cos?r= ( Rr/s ) /[ ( Rr/s ) 2+ ( xr σ ) 2]1/2 (4-3) 异步电动机的转矩是个多变量函数,在调速过程中它随多个因素 的变化而变化。 4-1 所示为异步电动机稳态时的转矩-转速特性以 图 及负载转矩特性。图中曲线 I 表示当定子频率 fs=K1 时异步电动机的 转矩-转速特性,当转差率 s=0 时,转矩 Tem=0;在小转差率范围
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kT

Φ

M

Ir

cos?r

kT-转矩常数。 Ir= Er/(Rr/s+jxrσ ) Ir= Er/[ ( Rr/s ) 2+ ( xr
σ

) 2]1/2

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四象限变频调速技术的原理

内,转差率增大时转子电流增大,因而转矩随转差率的增大而近似线 性增大。 但是当转差率增大到一定数值后, 一方面转子电流 Ir 的增大 有使转矩增加的趋势;另一方面,转差率 s 增大,使得 cos?r 减小, 又有使转矩减小的趋势。 因而异步电动机的转矩-转速特性有一个最 大值。最大

图 4-1 异步电动机机械和转矩特性 Fig.4-1 Machinery and torque characteristic curve of asynchronous motor 转矩 Tm 称为临界转矩或颠覆转矩, 因为电动机的负载超过此值后, 转 速即迅速下降直至停机。 对应于颠覆转矩 Tm 的转子旋转频率称为颠覆 频率,相应的转差频率则称为颠覆转差频率。图 4-1 中所示的曲线Ⅱ 为负载转矩特性。曲线Ⅰ和曲线Ⅱ的交点 1 即为 fs=K1 时的稳定工作 点。 如果变频调速系统为以频率为对象的开环系统,则当提高定子频 率时,由于机械惯性的原因,转子旋转频率几乎不变,而转差频率和 转差率均将增大,进而使转矩增大。例如,当定子频率由 fs=K1 提高 到 fs=K2 时, 电机所产生的转矩将由点 1 增到点 2’ 于是电动机加速, 。
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第四章

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最后达到新的稳定点 2。同样,当定子频率降低时,例如由 fs=K1 降 低到 fs=K3 时, 电动机所产生的转矩将由点 1 变到点 3’ 并出现电机 , 的轴转速高于同步转速的情况,这时转差率为负值。当电动机进入发 电机状态工作时,电机产生制动转矩,并将电机轴上的机械能转换为 电能。根据变频调速系统主电路结构和控制方法不同,这种电能或者 被反馈到电源中去(再生制动)或者消耗在外接电阻与主电路中(能 耗制动) 。在制动过程中,电动机逐渐减速,最后稳定运行在某一较 低速度的工作点 3 上。由图可知,在转差率不加控制的频率开环系统 中,定子频率的调节不能过快,否则将超过颠覆点造成停机。 已 知 转 差 率 : (4-4) 式中ω r 为转子角频率;ω s 为转差角频率。 如果在起动时改变定子供电电源的相序,气隙磁场的方向就会反 转,从而使电动机向相反方向旋转。如果在运行中突然改变定子电源 的相序, 与定子磁场的转向相比, 转子的转速则变为负值。 (4-4) 由式 可知,这时 s?1,电机为反接制动工作状态。由于鼠笼式异步电机不 能外接转子电阻限制转子电流,所以反接制动时,定、转子电流将急 剧增加,因而一般不宜采用这种反接制动方式。 在工频电源下运行的鼠笼式异步电机, 起动电流一般为额定电流 的 5~6 倍,而起动转矩却较小,这是由于起动时转差频率较高,转 子漏抗增大,转子功率因数下降而造成的。在变频调速系统中,以低 频起动时则可以提高起动时转子的功率因数,进而增大起动转矩,无 论负载轻重,一般起动电流可不超过额定电流的两倍左右。 s= ( ω sω
r

) /

ω

s

4.2 变频调速的控制方式
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四象限变频调速技术的原理

利用改变定子工作频率进行变频调速时,希望同时改变定子电 压,以便使气隙磁通维持不变。根据定子电压 Vs 和定子频率 fs 的不 同比例关系,将有不同的变频调速控制方式,常用的有恒压频比、恒 磁通、恒功率等三种方式。 ⑴ 恒压频比控制方式 数的比例控制方式。 在异步电机中,外加电源电压若为 Vs,定子产生的反电势侧为 Es=4.44fs Nsk0Φ M 如果略去定子阻抗压降,则有 Vs (4-5) 式中 fs-定子频率; Ns-定子每组绕组的匝数; k0-比例系数; ?M-气隙磁通 由式(4-5)可知,为保持气隙磁通近似不变,在调节定子频率 fs 的同时必须正比例地调节定子外加电压 Vs,即使 Vs/fs=4.44Nsk0Φ M= 常数。 另外,假定转差频率 fsL 很小,电机转速又不是很低,那么转子 漏抗 xrσ 与转子电阻 Rr 相比,其作用可以忽略,即 xrσ << Rr 那么,转子功率因数 cos?≈1,式(4-1)所示的转矩公式变为 Tem (4-6)
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恒压频比控制方式是保持 Vs/fs 等于常



Es=4.44fs

Nsk0

Φ

M



kT

Φ

M

Ir

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四象限变频调速技术的原理

式中Φ M 为恒值。在以上条件下,转子电流只与转差频率成正比,所 以转矩也只与转差频率成正比。 由上可知,调速过程中若保持磁通恒定,在转差频率 fsL 较小时, 输出转矩 Tem 与转差频率在任何工作频率下均为线性关系。若在恒转 矩负载条件下工作, 则在不同的定子调节频率情况下, 转子中的电压、 电流具有相同的恒定工作频率。而转差率 s 不是定值,当定子频率 fs 减小时,转差率 s 增加。转子中的损耗随着 fs 增加。转子中的损耗 随着 fs 的降低而增加。 ⑵ 恒磁通控制方式 恒磁通控制方式是保持 Tem 等于常数的控

制方式。在上述按照 Vs/fs=常数的恒压频比控制方式下,在低频时 由于定子电阻 Rr 的压降占的比重增加,即使在转差率 fsL 很小的情况 下, 也无法使电机的最大转矩 Tm 保持恒定。 m 要随频率的下降而减小, T 在低频时起动转矩也很小,甚至不能带动负载。因此,Vs/fs=常数的 恒压频比控制方式只适用于调速范围不宽或转矩随转速下降而减小 的场合,如风机、泵类等负载。对于调速范围宽的转矩性质的负载, 则希望在整个调速范围中维持 Tem 不变。 亦即按 Es/fs=常数进行控制。 为了保证 Tem 不变,随着 fs 的降低必须适当提高定子电压 Vs,以 便补偿定子电阻 Rr 上的压降。 也就是说, 提高外加电压的目的仍然是 为保持气隙磁通恒定,进而保证最大转矩 Tm 不变。频率越低,需要的 外加补偿电压越高。 ⑶ 恒功率控制方式 在电机的工作频率超过同步频率时,也即

转速超过额定转速时,如采用 Vs/fs=常数的方式进行调速,势必增 加外加电压 Vs,并使其超过额定电压,这在一般情况下是不允许的, 所以同步转速以上的调速往往不再使定子电压升高, 而是保持为额定
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四象限变频调速技术的原理

电压。但因此在升高频率时气隙磁通即减小,并导致转矩减小。它类 似于直流电机弱磁调速的方式, 可近似认为这种调速方式为恒功率调 速。

4.3 四象限变频调速技术介绍
4.3.1 异步电动机在变频控制下的四象限运行 我们知道交流异步电动机有三种运行状态,即电动运行状态、发 电运行状态和制动运行状态。当异步电动机由一功率可逆、相序能任 意改变的变频电源供电时, 可以方便地实现在三种运行状态之间的转 换。 特别是在电动运行状态和发电运行状态之间的转换使系统实现发 电回馈制动。 通过改变变频电源频率和异步电机转子角频率的相对大 小使异步电动机工作在转矩—速度平面的一象限或二象限。 通过改变 变频电源的输出相序,改变电机旋转磁场的方向,使电机工作在三、 四象限,实现所谓四象限运行,如图 4-2 所示。 4.3.2 四象限变频调速对变频器的基本要求——功率可逆 功率可逆是对四象限变频调速的最基本要求。异步电机运行发电 状态时,把输入机械能转换为电能,从定子绕组输出,这部分电能必 须回送到变频器。变频器必须以某种方式吸收这些能量,并以某种方 式将这些能量送回电网或以某种形

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第四章

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制动

n

电动

2

1

0

t1 t2

T

电动

制动

图 4-2 异步电动机变频控制下的四象限运行 Fig.4-2 four-quadrant running curve of asynchronous motor controlling by frequency conversion 式存储或消耗掉,这个过程就是功率(能量)可逆的过程。我们前面 讨论过几种实现功率可逆的方法, 比较理想的就是将异步电机回送的 电能进一步回馈到交流电网,这种方式又常被称为再生制动。 4.3.3 可实现再生制动四象限运行的变频器的基本结构特点 交流变频调速技术发展到今天,人们研制出了许多交流变频技 术,如:直接交—交变频,交—直—交变频,矩阵式交—交变频等。 这些变频调速技术中能实现再生制动四象限运行的主要是交—直— 交变频和矩阵式交—交变频技术, 下面分别对这几种变频调速系统的 四象限运行作简单介绍。 目前研究最多应用也最广泛的是电压源型交—直—交变频器。 而 基于 SPWM 技术的电压源型交—直—交变频器,在中、小功率通用型 变频器中属于主流产品,这种变频器的主电路基本结构如图 4-3a 所 示,这种电路结构的变频器。由于其输入侧采用的是不可逆二极管整 流,无法实现制动能量向电网的回馈。要实现再生制动的四象限运行 需要采用类似图 4-3b 或图 4-3c 所示电路, 输入侧采用可控整流或不 可控整流并联回馈逆变器的方法实现能量回馈。 当需要发电制动状态
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第四章

四象限变频调速技术的原理

工作时, 控制变频器在给定的方向使输出频率略低于异步电机转子角 频率,且控制输出电源使其与输出频率保持协调(电压—频率曲线类 似图 4-4) 。这种异步电

交流 输入

变频交 流输出

交流 输入

变频交 流输出

图 4-3a 电压源型交—直—交变频器 限运行变频器 Fig.4-3a Voltage source Fig.4-3b Four-quadrant frequency frequency converter

图 4-3b 四象 type ac-dc-ac converter

机从变频器吸入滞后的无功功率(用作定子励磁) ,同时发出电能通 过逆变桥主控元件上的整流二极管,回到交—直—交变频器直流回 路,并使电压源型变频器中间直流回路电压升高。

交流 输入

变频交 流输出

整流桥Ⅰ 整流桥Ⅱ 图 4-3c 晶闸管可逆变流器 Fig.4-3c Reversible converter using thyristor 图 4-3c 晶闸管可逆变流器是一种曾经较流行的再生能量向电网 回馈方式。在电机运行状态下,由整流桥Ⅰ向负载提供功率;再生制 动状态下,由反并联的整流桥Ⅱ作有源逆变运行(α >90°)将功率 回馈到交流电网,这种方式下采用相位控制方式调压,电网换相技术
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第四章

四象限变频调速技术的原理

比较成熟。但也有相应的缺点,如深控时功率因数低,谐波含量高, 换相重叠引起电网电压波形畸变等。 随着各种全控式开关器件的实用化, 人们又研究出斩控式可逆变 流器,图 4-5 为采用自关断器件 IGBT 为主开关的斩控式可逆变流器 的原理图。
U 电动 空载

再生制动 f1

0

图 4-4 电压——频率曲线 Fig.4-4 Voltage-frequency curve

电网侧 交流输入

变频输出交流

M
脉宽调制 电流调节器 逆变控制 调节器

功率因素、交 流跟踪调节器

直流回路 电压调节器

可逆交流控制器

图 4-5 斩控式可逆变流器的原理图 Fig.4-5 Schematic diagram of chop-type reversible converter 当异步电机发电运行,回馈能量使中间直流回路电压升高时,斩 控制可逆变流控制器根据检测到的输入交流电压相位, 幅值以脉宽调
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第四章

四象限变频调速技术的原理

制的方式启动输入侧 IGBT 实施逆变, 且逆变电压高于输入交流电压, 迫使输入电流反向,使变频器从吸收电网功率变成向电网馈送电功 率。从而使中间回路直流电压维持在给定值。在回馈中可采用 SPWM 方式,并借助输入交流电抗器,使回馈电流波形为正弦波,大大减轻 对电网的谐波污染。这种方案实现了变频器的高性能化,可以做到再 生制动功率等于电动功率,具有比较理想的四象限特性。这种方式的 缺点是控制复杂,输入侧要用自关断器件,造价较高。 矩阵式交—交变频器是另一种较新式的变频器。 虽然该技术尚未 成熟,但由于该技术省去中间直流环节,从而省去了体积大,价格贵 的电解电容,并且它能实现功率因数为 1,正弦输入、正弦输出,提 供固有的能量双向流动四象限运行的特性,具用较广泛的应用前景。 根据参考文献[22][27] 、 ,目前这种技术在实验室已进行 4kW 电机 的试验,其结构如图 4-6。由于采用该技术进行变频转换所用的九个 主开关全部为双向开关, 从理论上讲这种技术的四象限运行能力是固 有的。但这种变频器电压转换系数低(最高 0.86)对相间电压不平 衡敏感等一些缺点,距真正实用化还有一定的距离。
a b c

双向开关

输入 滤波
A B C

钳位电路 1M
3~

电网输入

图 4-6 矩阵式交—交变频器 Fig.4-6 Matrix-type ac-ac frequency converter
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第四章

四象限变频调速技术的原理

就现阶段来看, 比较先进成熟且实践检验比较可靠的四象限变频 器,还是采用 IGBT 双向逆变的交—直—交电压源型变频器。

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第五章

四象限变频调速技术在采煤机上应用的要求及总体思路

第五章 四象限变频调速技术在采煤机上应用的要求 及总体思路

经过近二十年的不断努力, 采用异步电机变频调速拖动的交流电 牵引采煤机技术逐渐成熟, 并且在近水平煤层的开采中得到了推广应 用。但目前的交流电牵引采煤机只能在平缓的煤层开采中使用,而我 国煤田范围广阔,煤层结构复杂,倾斜煤层占有相当比例(约 30%) , 开发适应于倾斜煤层的交流电牵引采煤机, 已成为采煤机技术发展的 一个重要方向。 由于采煤机自身重量极大,约 30t~50t,这样沉重的设备在倾斜 煤层采煤工作面上下运行时的制动和安全是必须解决的问题。 在倾斜 煤层中运行时,采煤机牵引系统的负载特性非常类似于起重机负载, 即是位能负载,采煤机自重越大,煤层倾斜度越大,这种位能负载效 应越是明显, 这种负载特性要求交流电牵引系统具备四象限运行的能 力。前面我们讨论过采煤机在倾斜煤层下行工作时,牵引电机回馈电 能较大,且工作时间长,而采煤机上空间有限,难于安装足够容量的 制动电阻,因此应该考虑用再生能量向电网回馈的变频系统。应用于 倾斜煤层的采煤机对牵引拖动系统的另一个要求是其运行必须绝对 安全可靠,能够在重负荷冲击下平稳启、停和运行,有支持机械抱闸 和失速保护的能力。

5.1 交流电牵引采煤机对变频调速系统的一般要求
〔1〕 具有足够的牵引功率,满足采煤机割煤、行走对牵引速度和牵 引力的要求。由于采煤机工作环境极恶劣,在牵引过程中经常发生岩
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第五章

四象限变频调速技术在采煤机上应用的要求及总体思路

石、坑木、煤块堵塞齿轨等情况造成牵引阻力突增的现象,这就要求 牵引系统有足够的牵引功率和牵引力应付非正常的阻力增加。 变频器 和牵引电机及传动系统都必须有足够安全系数。 由于通用变频器过负 荷性能一般不大,对煤矿应用而言,应该在选用变频时考虑足够的功 率和电流裕量。在采煤机割煤时实现恒转矩无级变速,是对牵引系统 的基本要求。 〔2〕 变频牵引系统必须满足《煤矿安全规程》 ,即必须是防爆的。由 于采煤工作面存在瓦斯、煤尘这类爆炸物质,无论是变频器还是牵引 电动机都必须采用防爆设计。 可以采用的防爆设计一般有隔爆型和增 安型两种。 考虑到变频器结构比较复杂, 其中存在大容量的储能元件, 而采煤机要求安装空间又相当有限,一般只能采用隔爆型设计。 〔3〕 变频器必须结构坚固,有相当的长期抗震能力。采煤机在割煤 运行中当遇到坚硬的岩石或煤块时,会产生强烈的刚性冲击或震动, 其特点是震动幅度大,频谱范围宽,引起的加速度甚至达到 5-10g, 这对变频装置来讲是一种极其严峻考验, 而这种考验在采煤机的整个 工作过程中将始终存在,所以在设计机载交流变频调速装置时,必须 在抗震方面多下功夫。 〔4〕 散热问题。采煤机用变频装置安装空间狭小,出于防爆考虑, 又不能用外部空气进行直接风冷。考虑变频器中功率损耗元件,特别 是功率开关元件的散热能力问题,系统必须要有可靠、合理的散热设 计。 〔5〕 可靠、耐用。采煤机一般每天必须连续工作 16 小时,有的甚至 是 20 小时。如果牵引系统失效,会导致采煤工作面停产,而停产一 天将使煤矿损失数十万元。 所以牵引系统必须具有相当的可靠性和耐
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第五章

四象限变频调速技术在采煤机上应用的要求及总体思路

用性。 〔6〕 需要齐全的保护措施。由于煤矿井下供电系统电压波动范围大 (-30%~+15%) ,而且变频器输出过电流、短路,牵引电机堵转情况时 有发生。这就要求变频牵引系统有过压、欠压、过流、短路、过热等 一系列保护。由于变频装置采用机载隔离变压器直接供电,这也要求 系统有单独漏电闭锁和漏电保护措施,确保操作人员和设备的安全。 〔7〕 便于维修和维护。系统应当拆装方便,便于故障检查和修复, 最大限度地减少检修、维护工作量和时间。 〔8〕 价格合理,具有很好的性能价格比。

5.2 对用于倾斜煤层的采煤机变频调速系统的一些特殊要求
〔1〕 实现能量向电网回馈的再生制动, 可以在任一象限中长时运行。 在再生制动运行中有足够的制动转矩裕量,应付突发的下行制动,以 增强安全性,制动运行须和电动运行具有相同的调速能力。 〔2〕 支持自动的机械抱闸保护措施。根据《煤矿安全规程》规定, 在倾斜煤层中使用的采煤机必须设有机械抱闸制动装置。 当采煤机停 止工作或意外断电停机时,机械抱闸装置动作,防止采煤机滑行,造 成危险、事故;而当牵引启动时机械闸应自动松开,这就要求变频调 速系统必须和抱闸系统紧密配合,按设定的程序起、停。 〔3〕 无论在电动状态还是发电制动工作状态,都应能平稳启动,且 能设定加、减速时间。 〔4〕 变频器工作时,特别是在能量回馈电网时,要控制谐波污染, 保证井下通讯和其它控制设备的正常工作。

5.3 系统设计总体思路
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第五章

四象限变频调速技术在采煤机上应用的要求及总体思路

根据上述分析,按“一拖一”方案,选择两套性能及功率较为合 理的通用四象限变频调速装置进行技术再开发, 解决其在煤矿应用中 的相关技术, 从而研制出一套适用于交流电牵引采煤机的四象限变频 调速系统,首先应用于 MGYS180/460-WD 型采煤机。

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第六章

系统研究与开发

第六章 系统研究与开发

6.1 四象限变频调速装置选择
根据目前国内综采工作面的设备状况和自动化水平, 电牵引采煤 机井下割煤的运行速度一般不超过 8 米/分,在空车调动时速度不超 过 15 米/分。速度过高容易引发事故,造成人身伤亡,设备损坏。割 煤所需的牵引力与煤的硬度、 滚筒截深、 牵引速度及采煤机自重有关。 研究表明,装机容量为 400~600kW 的滚筒采煤机,工作在中硬煤层时 割煤阻力约为 150~200kW,由于采煤机自重大,在刮板运输机的齿轨 上行走时摩擦阻力、斜面上行时重力下滑都比较大。变频调速装置容 量的选择不仅要考虑采煤机下行制动力问题, 而且主要考虑采煤机上 行时的牵引力问题。 具体我们考虑设计质量为 40000kg 采煤机在最大 35°斜坡上向上牵引时,所需牵引力 Fn: Fn>FG+Fs+FX FG 为采煤机在倾斜煤层中的下滑力,根据受力分析可得 FG= mg·Sinα Fs 为采煤机与刮板运输机之间运动摩擦阻力,它的计算既与采 煤机机身重力沿工作面垂直方向的分力有关, 也与两滚筒割煤时煤壁 阻力沿工作面垂直方向的分力有关。可得 Fs=ρ · (mg·Cosα + FY) 其中,FY 为两滚筒割煤时煤壁阻力沿工作面垂直方向的分力 FX 为割煤时煤壁阻力, 也就是两滚筒割煤时煤壁阻力沿工作面水 平方向的分力。则有
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第六章

系统研究与开发

Fn > mg · Sin α + ρ ·( mg · Cos α + FY ) +FX (6-1) M 为采煤机质量取 4×104Kg ρ 为采煤机与刮板运输机静摩擦系数 0.25 α 为煤层倾角,取设计最大值 35° FY 和 FX 可根据参考文献[5]计算得 FX=11660.85N FY=49342.69N 由式(6-1)可得 Fn>4×104×9.8×Sin35°+0.25×(4×104×9.8×Cos35°- 49342.69)+11660.85 >3.04×105N 由实际设计,牵引力应按 3.5×105N 设计,按 8.3 米/分的牵引 速度计算,所需的牵引功率为 3.5×105×8.3/60=48.4kw。传动系统 效率按 0.9 考虑,则牵引电机矫正功率应为 48.4/0.9=53.8kw。 当采煤机空车调动向上运行时, 所需的牵引力仅为采煤机重力下 滑力和摩擦阻力,其它条件不变,这时牵引力 Fn′ Fn′= Fa + Fs' = 2.25×105+ 8×104 = 3.05×105 我们按 3.2×105 取,这时当采煤机以 13.9 米/分的速度空车向 上调动时所需的牵引功率为 3.2×105×13.9/60 =74kW。 采煤机在向下牵引且在倾角小于 35°煤层中运行时,割煤和调 动所需电动功率必然小于上面的 Fn 和 Fn′。因此以这两者中较大的
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第六章

系统研究与开发

值做选择电动机和变频器的依据之一。 制动功率的计算,考虑采煤机沿倾角为 35°煤层以 13.9m/min 的速度空载下行过程中,要求在 3 秒中内停车的情况。这种情况下所 需的制动功率应为采煤机沿倾角为 35°煤层以 13.9m/min 的速度下 行所需的制动功率和采煤机在 3 秒之内从 13.9m/min 的速度减速到零 所需的制动功率之和。 采煤机沿倾角为 35°煤层以 13.9m/min 的速度下行所需的制动 功率可根据式(3-10)计算如下,取采煤机与刮板运输机之间的摩擦 系数 ? =0.2:
P制 ? ?FG ? f ? ? v Z =

?mg sin? ? ?mg cos? ?? vZ
mg ?sin ? ? ? cos? ? ? v Z

= (3-10)

P制1 ? 40000×9.8×(sin35°-0.2cos35°)×13.9/60

? 37.2kw

采煤机在 3 秒之内从 13.9m/min 的速度减速到零所需的制动功率 计算如下,计算中不考虑机械摩擦损耗、附加损耗等损耗。 GD (3-6) = 2.13 N.m 2 +20.4N.m 2 + 365 ? =23.9N.m 2 =2.39 kg.m
P制 2 ? GD 2 N 2 375 ? 975t1
2 2



GD 2 d



GD 2C



GD 2 m

40000 ? 9.8 ? 0.23 2 2500 2

2.4 ? 2500 2 = 375 ? 975 ? 3

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=13.7kW 所以, 采煤机沿倾角为 35°煤层以 13.9m/min 的速度空载下行过 程中,要求在 3 秒中内停车的情况下所需的制动功率应为:
P制 ? P制1 ? P制2 ? 37.7 ? 13.7 ? 51.4 kW

综合上面的分析计算,考虑足够的安全裕量,MGYS180/460-WD 采煤机所需的牵引电动机功率按 80 kW 选取,采用一拖一的方案,采 用两台容量为 45~55kW 的四象限变频器拖动两台 40 kW 的隔爆电机。

6.2 MGYS180/460-WD 型电牵引采煤机电气系统研制
MGYS180/460-WD 型电牵引采煤机是为适应煤矿倾斜煤层工作面 的需要而开发研制的新型双滚筒采煤机,也是本项目的应用机型。 经过上述分析,结合以往采煤机电气系统设计经验,我们设计的 电气系统如图 6-1、图 6-2 所示。电气系统分为电气控制系统和变频 调速系统两个部分。整台采煤机的机械动力由两台 180kW、1140V 截 割电机,两台 40kW、380V 的牵引电机及一台 20kW、1140V 调高电机 提供。 本电气系统设计适用环境:周围介质温度在-10℃~+35℃;周 围空气的相对湿度不大于 95%;不存在腐蚀金属和破坏绝缘的气体; 有甲烷或爆炸性煤尘的采煤工作面。 本采煤机电气系统具有下列操作、控制、保护及显示功能: 〔1〕 通过磁力起动器远控方式,在采煤机上完成采煤机的起动、停 止(兼闭锁) ; 〔2〕 通过磁力起动器远控方式,在采煤机上完成工作面输送机的停 止(兼闭锁) ;
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〔3〕 采煤机左、右截割电机的温度监测和 135℃、155℃热保护; 〔4〕 采煤机左、右截割电机的功率监测和恒功率自动控制、过载保 护; 〔5〕 通过电控箱、遥控器、端头控制站或变频器直接近控完成采煤 机牵引操作; 〔6〕 可通过端头控制站或遥控器实现左、右摇臂的升降; 〔7〕 采煤机牵引抱闸油路失压保护; 〔8〕 牵引电机的电流监测和负荷控制; 〔9〕 系统具有先进的全中文显示界面,提供操作步骤的提示,实时 显示截割电机的功率和温度、牵引电机的电流、采煤机的牵引给定速 度等工作参数; 〔10〕 电控系统可按一定规律自动跟踪记录系统参数异常及出现

可保护性故障时采煤机的工作参数,共可记忆显示最近 50 个时间点 的工作参数; 〔11〕 〔12〕 电控系统具有一定的故障自诊断能力; 变频调速箱具有变频器输入电压、输出频率或输出电流、

故障等显示。

6.3 MGYS180/460-WD 型电牵引采煤机控制及保护原理
〔1〕 恒功率自动控制 设置恒功率自动控制的目的是为了充分利用截割电机的功率,同 时也可防止电机超载而损坏。根据电机通用功率计算公式 P= 3 ×U ×I×COSΦ ,在电机额定点附近功率 P 正比于电流 I。所以,采用两 个电流互感器分别检测左、右截割电机的单相电流,就可以知道电机

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负荷状况。本系统利用高精度电流互感器和配套的信号处理电路,将 截割电机的电流信号转变为 4~20mA 的信号,送入 PLC 进行比较,得 到欠载、超载信号。当任一台电机超载(P>110%Pe)时,发出减速 信号,直至电机退出超载区域;然后当二台电机都欠载(P≤90%Pe) 时,牵引速度会自动增加(最大至给定速度) 。 其中 P:截割电机实际功率 Pe:截割电机额定功率 〔2〕 重载反牵控制 重载反牵引功能的设置是为了防止采煤机严重过载而设置的一 种保护功能。当任一截割电机负荷大于 130%Pe 时,通过 PLC 的反牵 定时电路使采煤机以给定速度反向牵引一段时间后,再继续向前牵 引。若反牵阶段结束后,截割电机负荷仍大于 130%Pe,系统将断电停 机。 〔3〕 截割电机热保护 在左、右截割电机绕组内埋设有 Pt100 热电阻,热电阻输出信号 直接接入 PLC 的 RTD 模块。当任何一台电机温度达 135℃时, 系统将 截割电机电流保护整定降低 30%, 任何一台电机温度达 155℃时, PLC 输出信号(Q9)将采煤机控制回路切断,使整机停电。

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W6

W9

W5

W13
W15 W14

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制动 电磁阀 油压和松闸 检测继电器 电控箱接线腔
W26 W25 W27

调高电机

调高泵箱

调速箱接线腔

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图 6-1 电气系统的分布框图 Fig.6-1 Distributed block diagram of electrical system
左牵引电机 分线盒 W21 W22 左端头站 W3 W11 W7 W8 W16 右端头站 W12 W4 W19 W20 调高 电磁阀

变压器腔 变频器腔 电控腔
右牵引电机

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左截割电机

右截割电机

W1和W2:(型号:UCPQ3X95+1X25+4X4) 长度由用户根据要求自行配置

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图 6-2 电气系统的原理框图 Fig.6-2 Functional block diagram of electrical system
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非本安24V (脉动直流)

非本安+12V 非本安0V 本安0V 本安12V

非本安0V

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〔4〕 牵引电机负荷控制 将左、右牵引电机的电流,转换为 0~10V 的信号后,送入 PLC 进行检测、比较,然后进行左、右牵引电机负载平衡、超载、欠载控 制。当左、右牵引电机负荷悬殊时,PLC 发出信号,由两变频器分别 调整两电机速度,从而使两电机负荷基本平衡;当任一台电机超载 (I >110%Ie)时,PLC 发出减速信号降低牵引速度,直到电机退出 超载区域;当左、右电机都欠载(Ⅰ≤90%Ie)时,牵引速度自动增 加(最大至给定速度) 。 当牵引电机严重超载(I >150%Ie)且持续时间超过 3 秒时,PLC 输出信号将使牵引启动回路断开,停止牵引。 〔5〕 系统的参数记忆显示 采煤机正常开机后,PLC 将实时采集各种传感器送来的系统电 流、温度和各种接点状态信号,并对采集信号进行一定的运算处理得 出系统的当前状况。如果系统全部参数均小于额定值的 0.9 倍,则 PLC 每 10 分钟记录一次采煤机运行参数; 若有任一参数在 0.9 到 1.1 倍额定值之间时,PLC 每 2 分钟记录一次; 若有参数在 1.1 到 1.3 倍 额定值之间时,PLC 每 5 秒钟记录一次;如果任一参数在 1.3 到 1.5 倍额定值之间时, 便每 1 秒钟记录一次; PLC 因任何故障引起停机时, PLC 将立即记录下停机前的状态。按显示按钮可以查看所有记录。 〔6〕 无线电遥控装置 无线电遥控装置工作在 150MHz 频段。在离采煤机一定距离内, 左、右发射机分别控制左、右摇臂的升降,并共同控制牵引方向、牵 引加速、牵引减速、牵引停止、采煤机急停。
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〔7〕 端头控制站 采用数据编码电路,将端头控制站的按钮命令传至电控箱 ,经 过解码后送入 PLC 来控制牵引方向、 牵引加速、 牵引减速、 牵引停止、 采煤机急停和左、右摇臂的升降。

6.4 MGYS180/460-WD 型电牵引采煤机牵引调速系统设计
6.4.1 系统介绍 根据倾斜煤层采煤机对牵引调速系统的要求, 结合我们十几年水 平交流电牵引采煤机变频调速系统的设计经验, 我们设计的四象限运 行交流变频调速牵引系统方案如图 6-3 及图 6-4 所示。 系统由采煤机拖曳的 1140V 动力电缆供电。1140V 动力电源经机 载牵引变压器降压为 390V。采用两台相同机载四象限变频器向两台 相同的牵引异步电机供电。 两台牵引电机经减速器分别带动采煤机前 后两个在同一齿轨上的行走齿轮,实现所谓的“一拖一”方式。 调速系统的主要技术参数为: 〔1〕 额定输出功率: 80kW 〔2〕 额定电流: 152A

〔3〕 输入电压/频率: 1140V/50Hz 〔4〕 输出电压: 〔5〕 输出频率: 〔6〕 控制方式: V=Max) 〔7〕 过载能力: 〔8〕 变换效率: 150% 1 分钟 ≥95% Max 380V 3~83.4Hz V/F 控制 (3~50Hz,V/F 恒定; 50~83.4Hz,

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〔9〕 保护功能:

过载、过流、过热、过频、过压、欠压、 对 地 短 路 、

漏电闭锁及漏电保护等。 系统设有一套控制和保护装置,提供牵引操作控制,机械抱闸、 松闸控制,牵引电机负荷平衡控制,同时提供两牵引电机的漏电闭锁 和漏电保护,变频器输入过电压、久电压保护,系统过热等保护。 6.4.2 结构及功能介绍 牵引变压器、两台变频器及控制保护装置安装在隔爆的牵引箱 内, 两台隔爆型牵引异步电机分别与采煤机两端的牵引减速箱相连并 固定。由于 1140V/390V 的牵引变压器和牵引变频器工作时都会产生 相当的热量,而牵引变压器输入侧电压较高,因此把牵引变频调速箱 设计成两个独立的隔爆腔,从而减少相互的影响,如图 6-4 所示。 〔1〕 牵引变压器腔 该腔只固定安装为变频器提供电源的牵引变压器。 其原边 (A、 B、 C 输入)为 1140V,经穿墙接线柱 Y1、Y2 和 Y3 通过接线腔与电控箱 的 1140V 的进线穿墙接线柱 X1、X2、X3 相连;副边(a、b、c 输出) 为 390V,经穿墙接线柱 Y10、Y11 和 Y12 与接线腔相连,为变频器提 供输入电源。该腔为三面水冷的隔爆腔体,内壁喷涂黑色耐弧漆,变 压器运行过程中产生的热量通过腔内的空气传到外壳, 经外壳水冷被 冷却水带走。具体连接及端子位置见图 6-5。 〔2〕 变频器腔 腔内主要安装有真空接触器、两个变频器、变频器外围控制电路 等,见图 6-6。变频器底板上装由两个滑轮,经导向槽推入腔体后, 由铰链压杆及螺栓固定。为检修方便,几乎所有的控制连线都采用快
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速接插件。 变频器底板为铝合金, 含镁量可能大于 0.5%, 根据防爆规程要求, 变频器在运输过程中,底板必须垫木板保护,安装时应小心轻放,以 避免产生危险的机械火化。

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图 6-3 变频调速箱电气系统 Fig.6-3 Electrical system of the case of frequency converter
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该腔为二面水冷的隔爆腔体,变频器运行过程中产生的热量经外 壳水冷并随冷却水的流动而带走。 其输入电源经穿墙接线柱 Y13、 Y14、 Y15,通过接线腔,由穿墙接线柱 Y10、Y11、Y12 和变压器输出相连。 其输出经穿墙接线柱 Y4、Y5、Y6 与 Y7、Y8、Y10 送到接线腔。具体 连接及端子位置见图 6-5。 〔3〕 接线腔 该腔用于变压器腔和变频器腔的联系及对外分线。详细介绍如 下:Y4、Y5、Y6 连接右牵引电机,Y7、Y8、Y9 连接左牵引电机,它 们分别来自变频器输出;Y13、Y14、Y15 连接变压器的输出端 Y10、 Y11、Y12,并通过真空接触器与两变频器的输入 R、S、T 连接;Y1、 Y2、Y3 来自电控箱的 1140V 电源端 X1、X2、X3 并与变压器的输入相 连接。另外,该接线腔还安装二个控制线过线组 GX,通过接线排 XBF 与电控箱及分线盒相联系。 〔4〕 变频器 系统具有两个变频器,分别拖动左、右牵引电机,实现“一拖一” 调速系统。主要由主回路、主控板、驱动板、显示和控制盘、漏电保 护板、控制变压器及风扇组成。 两变频器均为四象限运行、交—直—交、电压型变频器。来自牵 引变压器的 390V、50Hz 三相交流电源,经真空接触器 MC 送入变频器 输入端 R、S、T,然后 经快熔、三相交流接触器、电流互感器、三相交流电抗器,由变频器 输入侧 IGBT (绝缘栅双极型晶体管)的反并联二极管组成的桥式整流电路整流, 向滤波电容充电;为限制起始充电电流,这部分电路工作顺序为:首
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先三相交流接触器不吸合,三相电源由 R、T 两相,经与接触器触点 并联的限流电阻,整流后向滤波电容充电,以限制起始充电电流,当 充电电流小到一定值、直流回路建立足够电压时,三相交流接触器吸 合,将限流电阻短接,此时电路建立起稳定的直流电压。然后再经过 输出侧 IGBT 组成的逆变电路, 将直流电逆变成变频变压的交流电 (即

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图 6-4

变频调速箱面板示意图

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Fig.6-4 Schematic diagram of facial plates of the case of frequency converter

图 6-5 变频调速箱内部接线端子位置和接线图 Fig.6-5 Inside location of wiring terminal and wiring diagram of velocity modulated case of frequency converter

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图 6-6 变频调速箱内部结构示意图 Fig.6-6 Schematic diagram of inter structure of the case of frequency converter

VVVF 电源) ,此电源接到牵引电机,即可调速。当由于外力的作用, 例如采煤机在倾斜煤层空载下坡时的下滑力, 牵引电机的速度超过同 步转速而运行于发电状态,此时发电能量将通过变频器输出侧 IGBT 的反并联二极管回馈到中间直流回路,然后由输入侧的 IGBT 回馈给 电网, 从而产生再生发电制动力矩, 有效控制采煤机的下滑, 实现一、 三象限转向二、四象限运行。 变频器输入侧和输出侧各有六个 IGBT,组成三相桥式电路。IGBT 工作于开关状态,其导通与关断由驱动信号来控制。驱动信号由主控 板形成, 经驱动板放大后加到 IGBT 的门极, 控制 IGBT 的导通和关断。 变频器的显示有控制盘上数码管及发光二极管二部分。数码管正 常时显示输出频率,也可选择显示输出电流等运行参数,故障时显示

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故障信息。 发光二极管共有五个,分别为: ——“12V” (黄色) :+12V 电源显示; ——“松闸指令” (绿色) :变频器发出机械制动器松闸指令; ——“漏电” (红色) :漏电闭锁、漏电保护显示; ——“FU1” (绿色) :变频器输入侧 R 相与 S 相快熔正常显示; ——“FU2” (绿色) :变频器输入侧 T 相与 S 相快熔正常显示。 控制盘主要用于变频器参数设定以及变频器实施控制盘操作。 变频器顶部装有两个冷却风扇, 增强变频器运行产生的热量经外 壳水冷的效 果。 〔5〕 变频器外围电路 外围电路包含为完成变频器操作而设置的控制及保护电路, 主要 由真空接触器、控制变压器、两变频器公共控制盒和显示器以及控制 开关组、近控操作开关和按钮组成。 控制电源变压器原边为 390V,副边含有 13V、8V、6V 绕组,它们 分别用于公共控制盒+12V 电源、变频器输入电源电压 LED 显示及输 入电压异常保护的检测电源。 公共控制盒含有真空接触器吸合先导控制电路、 制动器电磁阀控 制电路、 输入电压异常保护电路以及总油路失压检测和松闸检测本安 电路,本安电路电源由电控箱输入。 显示器包含有输入电源电压 LED 显示以及五个发光二极管:

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——“12V” (黄色) :公共控制电路+12V 电源显示; ——“牵电” (绿色) :真空接触器吸合显示; ——“松闸” (绿色) :制动器松闸显示; ——“油路失压”(红色):总油路油压低于正常工作值显示; ——“电压异常” (红色) :输入电源电压异常显示。 控制开关组共有三个拨钮开关,B1、B2 为远控与近控的切换开 关,正常状态为远控位置。远控包括电控箱面板操作控制、端头站控 制和无线电遥控;近控则为变频调速箱面板操作控制,它可以不受电 控箱面板控制而独立运行,一般只是在检修变频器等特殊场合使用。 B3 为漏电闭锁试验和漏电保护试验切换开关,正常状态为“漏闭” 位置。 面板近控操作开关和按钮:见图 6-4,操作按钮共有六个,分别 为(漏电)试验 1、试验 2、复位、牵引急停、牵引复电及一个备用 按钮。设有二个操作开关均用于变频器近控(检修)操作:面板上标 有“停、1、2、3、4”为近控速度开关,近控共有四档速度转换,1、 2、3、4 四档速度依次递增;面板上标有“左牵、停、右牵”为近控 方向开关,停牵引时,将方向开关打在“停”位置。

6.5 相关技术及措施
6.5.1 装置的隔爆技术及措施 由于煤矿井下的特殊性,煤矿井下所使用的电气设备通常都采用 隔爆型电气设备,所谓隔爆型电气设备就是具有隔爆外壳的电气设 备,该外壳既能承受其内部爆炸性气体混合物引爆时产生的爆炸压

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力,又能防止爆炸产物穿出隔爆间隙点燃外壳周围的爆炸性混合物。 也就是说隔爆外壳必须具备耐爆性和隔爆性。 耐爆性亦称爆炸稳定性,即外壳要有足够的机械强度。在壳内爆 炸性混合物的压力作用下,外壳不至于变形甚至损坏,因而爆炸的火 焰不能直接去点燃壳外的爆炸性混合物。 隔爆性亦称不传爆性,即当爆炸性混合物在壳内爆炸所产生的高 温气体,通过外盖与壳体的接合面处喷向壳外时,受到足够的冷却, 使之不能将壳外爆炸性混合物点燃。 如图 6-7 所示为 MGYS180/460-WD 采煤机中的变频调速箱,采煤 机上所使用的四象限变频器和牵引变压器以及配套的电气件都安装 在变频调速箱内。整个箱体分为三个腔,变频器及控制设备安装腔、 牵引变压器安装腔和接线腔,变频器及控制设备安装腔是设计的关 键。由于变频调速箱内空间有限,所以变频器腔的设计既要考虑利用 有限的空间,又要保证变频器的通风和散热的效果,还要考虑变频器 的抗震性,以及井下维护和安装的方便。 箱体上与盖板相接合处为法兰面,法兰面以及盖板与法兰相接合 的面为隔爆面,两者接合处为隔爆接合面,隔爆面的宽度以及隔爆接 合面的间隙必须符合《防爆安全规程》的要求。 三个腔体之间的电气连接是通过穿墙接线端子来连接的,穿墙接 线端子穿墙部分与隔板墙接触部分为隔爆接合面, 其隔爆间隙和表面 粗糙度也必须符合《防爆安全规程》的要求。外部电气设备与变频调 速箱内部的电气连接, 是通过电缆引入装置将电缆引入到电气接线腔

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内,电缆引入装置的设计也必须《防爆安全规程》的要求。 整个箱体外壳在精加工完成之后,出厂之前必须经过水压试验, 以检验箱体是否有渗漏现象。同时还要经过防爆检验部门的严格审 查,并经过多项型式试验, 取得防爆检验合格证后方可使用。 6.5.2 装置的抗震技术及措施 市场销售的通用变频器的抗震指标不能满足采煤机的使用要求。 考虑到采煤机在煤矿井下必然存在震动和冲击的工作环境, 我们在设 计变频调速装置结构时增加必要的加固防震措施。 这主要从以下几个 方面来考虑: 〔1〕 结构件。如外壳、微机板底板、驱动板底板、电容器底板等。 原来变频器基本采用 1~2mm 的钢板,而且面积较大,难以适应采煤机 的振动和冲击。这里采取加厚钢板和增加固定部位等措施。 〔2〕 结构联结件。主要考虑固定螺钉、螺帽的防松,提高小尺寸联 结件的强度等。在使用过程中要定期检查其松动情况。 〔3〕 电气接插件。因为无法改变原有的接插件结构,必须从两方面 考虑:第一、对插件本身增加防松措施;第二、对接插件的连线进行 合理的固定,以减少其振动的可能性。

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前盖板

隔爆接合面

隔爆接合面

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电缆引入装置

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图 6-7 隔爆箱体示意

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M42×1.5-6H 隔爆螺纹2处 牵引变压器

4-?16 H10 f9 隔爆接合面

隔爆接合面

减振橡胶垫

变频器

隔爆法兰面

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Fig.6-7 Schematic diagram of flameproof case 〔4〕 电子元件。对质量和体积较大、高度也偏高的电子元件应该用 绝缘材料对其进行封装加固。 6.5.3 装置的冷却技术及措施 变频器的散热主要是针对大功率元件,如整流桥、IGBT 模块等。 将通用性变频器改装到一个隔爆箱体内, 打破了原有变频器风冷的方 式。 为了达到较好的冷却效果, 采用水冷与风冷相结合结构设计技术。 同时在设计、制造和使用时必须采取以下措施: 〔1〕 需要散热的大功率元器件应安装在平面度小于等于 120μ m 的 散热底板上。 〔2〕 安装表面的光洁度必须小于等于 6μ m。 〔3〕 在安装过程中为了符合指定的力矩值,必须使用力矩扳手。使 大功率元器件与散热底板保持最大面积的接触,以利于传热。 〔4〕 在传热界面必须使用能在工作温度内性能稳定并且在装置寿命 期内性能不发生变化的导热膏脂。 〔5〕 变频器运行前必须开通冷却水,并且运行过程中经常检查冷却 水是否畅通。切忌在不通冷却水状态下长期运行变频器。

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参考文献

〔1〕 李序葆、赵永键, 《电力电子器件及其应用》 机械工业出版社 〔2〕 胡崇岳, 《现代交流调速技术》 机械工业出版社 〔3〕 陈伯时, 《电力拖动制动控制系统》 机械工业出版社 〔4〕 谭茀娃、金如麟, 《大功率电子学和电机控制》上海交通大学出 版社 〔5〕 王英山, “采煤机滚筒截煤载荷的模拟” 煤矿机电,1996 年第 2期 〔6〕 韩安容, 《通用变频器及其应用》 机械工业出版社 〔7〕 陈伯时、陈敏逊, 《交流调速系统》 机械工业出版社 〔8〕 马小亮, 《大功率交-交变频调速及矢量控制技术》 机械工业出 版社 〔9〕 柴肇基, 《电力传动与调速系统》北京航空航天大学出版社 〔10〕 〔11〕 〔12〕 张 立、赵永键, 《现代电力电子技术》 科学出版社 刘竞成, 《交流调速系统》 上海交通大学出版社 吴守箴、藏英杰, 《电气传动的脉宽调制控制技术》 机械

工业出版社 〔13〕 版社 〔14〕 黄济容, 《电力牵引交流传动与控制》 机械工业出版社 王宏华, 《开关型磁阻电动机调速控制技术》 机械工业出

〔15〕 刘振坚等, “我国采煤机交流电牵引技术的应用与发展” 煤

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炭学报 第 26 卷 增刊 2001 年 10 月。 〔16〕 何敬德等, “变频器制动单元在电牵引采煤机上的应用分析” 煤矿自动化 2001 年第 4 期 〔17〕 刘振坚等, “滚筒式采煤机电控技术现状与发展趋势”煤矿

自动化 1998 年第 3 期 〔18〕 刘振坚, “VVVF 变频器在采煤机上应用的几个问题”煤炭

科学技术 2000 年第 7 期 〔19〕 第6期 〔20〕 浦国树等, “The current technical situation and future 刘振坚, “采煤机交流变频调速系统” 煤矿机电,1996 年

trends of the ranging drum shearers in China” 97,国际 采矿技术研讨会 1997 年 10 月 〔21〕 2001 年 〔22〕 Christian Klumpner Frede Blaabjierg Peter 国家煤炭安全检察局, 《煤矿安全规程》 煤炭工业出版社

Nielsen, “Speeding-up the Maturation Matrix converter Technology ”

Process of the Web :

http://www.iet.auc.dk/matrix

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致谢





本文所作的各项研制工作是在导师梁波老师的精心指导和耐心 帮助下完成的。老师渊博的学识,敏捷的思维和严谨的工作态度给我 留下了深刻的印象,使我终生受益。在此,谨向她表示崇高的敬意和 衷心的感谢!

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探讨变频技术在煤矿机电设备中的应用作者:李金艳 摘要:在煤矿机电设备的应用中,...四象限变频器调速 电牵引采煤机对大倾角工作面能较大范围内调节制动力矩,维持...
电牵引采煤机的应用研究
2.电牵引采煤机在煤矿生产应用中常见问题分析 电牵引采煤机在应用中有直流牵引...近几年来, 电力与电子技术飞速发展, 交流变频调速技术也不断迈向新台阶, 成熟...
探讨变频技术在煤矿机电设备中的应用
探讨变频技术在煤矿机电设备中的应用作者:李金艳 摘要:在煤矿机电设备的应用中,...四象限变频器 调速电牵引采煤机对大倾角工作面能较大范围内调节制动力矩,维持...
浅谈采煤机中PLC与变频器的应用
浅谈采煤机中 PLC 与变频器的应用 目前,我国煤矿...技术特点:新型电牵引采煤机, 而电牵引采煤机技术...四象限是指电动机除 了工作在一、三象限,还存在...
采煤机的发展史
处理和数显等先进的监控技术已经在采煤机上的应用...2001 年大倾角电牵引采煤机和 2002 年短壁电牵引...2001 年能量回馈型四象限交流变频技 术、2002 年中...
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