煤礦電牽引采煤機(jī)變頻器的改造思路

田恩波

摘? ?要：本文以電牽引采煤機(jī)變頻器為基本探討對(duì)象，從變頻器主回路工作過(guò)程入手，總結(jié)可行的改造思路，提出與該設(shè)備性能相適應(yīng)的技術(shù)，例如提高散熱性能、提高抗振性能、進(jìn)行成品調(diào)試試驗(yàn)等，以便提升設(shè)備的穩(wěn)定性，在此基礎(chǔ)上提升作業(yè)效率，為采煤作業(yè)提供支持。

關(guān)鍵詞：采煤機(jī)? 變頻器? 散熱性能

中圖分類號(hào)：TD632.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2020）03（b）-0051-02

采煤機(jī)是煤礦開(kāi)采作業(yè)的重要設(shè)備，其所處的運(yùn)行環(huán)境較為惡劣，內(nèi)部變頻器的穩(wěn)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(jìn)入到變頻器內(nèi)，使得印刷電路板遭到損壞[1];而在采煤過(guò)程中出現(xiàn)的振動(dòng)現(xiàn)象也會(huì)給變頻器造成影響，使得電抗接線柱支撐腿穩(wěn)定性下降甚至斷裂。對(duì)此，必須從變頻器的基本特性出發(fā)，提出可行的改造措施，提升變頻器的運(yùn)行穩(wěn)定性，消除各類故障帶來(lái)的不良影響。

1? 采煤機(jī)概況

本文以MG300/720-AWD3 型采煤機(jī)為例，該設(shè)備是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化開(kāi)采的關(guān)鍵，可顯著提升作業(yè)效率。電控系統(tǒng)是整個(gè)設(shè)備運(yùn)行的重要支持，可適應(yīng)于自動(dòng)化開(kāi)采需求，該系統(tǒng)采用的是分布嵌入式方案，設(shè)置有CAN總線并提供了DSP技術(shù)。變頻器是采煤機(jī)的關(guān)鍵部分，能夠起到改良性能的效果。

2? 變頻器主回路工作過(guò)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(pán)組成。主回路來(lái)自牽引變壓器的400V交流電，通過(guò)一個(gè)真空接觸器后進(jìn)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(diǎn)并聯(lián)。接觸器輸出側(cè)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(cè)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(cè)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(nèi)部主電路由輸入到輸出可簡(jiǎn)單描述為：真空接觸器-交流接觸器-LCL濾波器-整流側(cè)-直流回路-逆變側(cè)-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(jīng)限流電阻整流后向?yàn)V波電容充電。當(dāng)充電電流小到一定值、直流回路建立足夠電壓時(shí)，交流接觸器吸合并將限流電阻短接，此時(shí)電路建立起穩(wěn)定的直流電壓，然后經(jīng)過(guò)輸出側(cè)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(jī)即可調(diào)速。當(dāng)采煤機(jī)沿傾斜煤下行時(shí)，采煤機(jī)的下滑力大于采煤機(jī)所受的阻力的情況下，牽引電機(jī)的速度將超過(guò)同步轉(zhuǎn)速而運(yùn)行于發(fā)電狀態(tài)，此時(shí)發(fā)電能量將通過(guò)變頻器逆變側(cè)的IGBT整流成直流回饋到中間直流回路，然后由整流側(cè)IGBT逆變成交流后回饋給電網(wǎng)，從而產(chǎn)生再生發(fā)電制動(dòng)力矩，有效控制下行速度，實(shí)現(xiàn)一、三象限轉(zhuǎn)向。

3? 煤礦電牽引采煤機(jī)變頻器的改造思路

3.1 提高散熱性能

IGBT模塊在運(yùn)行中會(huì)散發(fā)大量熱量，對(duì)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(yīng)保持較大的距離，緩解電抗器散熱帶來(lái)的不良影響，確保電子元件的運(yùn)行穩(wěn)定性。還需注意的是，在變頻器持續(xù)運(yùn)行之下，IGBT模塊伴隨有持續(xù)性的開(kāi)關(guān)現(xiàn)象，此時(shí)IGBT模塊的發(fā)熱量也將隨之提升。

若變頻器內(nèi)部溫度過(guò)高，將對(duì)各類電子元器件帶來(lái)?yè)p害，這一現(xiàn)象在半導(dǎo)體器件中體現(xiàn)的尤為明顯，該器件對(duì)于溫度尤為敏感，當(dāng)溫度超出合理范圍時(shí)易出現(xiàn)半導(dǎo)體器件完全損壞的現(xiàn)象。因此，溫度控制是確保變頻器穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，最為可行的途徑則是提升半導(dǎo)體器件的散熱性能?；诖耍卺槍?duì)變頻器采取封裝作業(yè)時(shí)，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(shè)導(dǎo)熱硅脂，以發(fā)揮出降低熱阻的作用。關(guān)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(dǎo)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(shí)可顯著提升鋁板硬度。在安裝散熱鋁板時(shí)依然要在底部增設(shè)導(dǎo)熱硅脂，此舉可提升散熱效果，避免因溫度過(guò)高而引發(fā)變頻器運(yùn)行異常的狀況。

3.2 提高抗振性能

振動(dòng)是電牽引采煤機(jī)工作狀態(tài)下無(wú)法避免的一種現(xiàn)象，在持續(xù)影響之下，電抗接線柱的支撐柱將受到影響，從而出現(xiàn)振斷等問(wèn)題，部分電子元件甚至?xí)苯拥袈?。?duì)此，需通過(guò)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(jī)單獨(dú)放置。

（2）針對(duì)電抗器的固定措施較多，在設(shè)置固定支撐腿的基礎(chǔ)上還需要采取壓板螺栓連接的方式，通過(guò)在壓板下方設(shè)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(guān)鍵，重要較小的器件主要分布在上層，同時(shí)將部分大型器件集中放置在下層。

（4）通過(guò)設(shè)置固定螺栓的方式可以達(dá)到固定電路板的效果，但此時(shí)必須增設(shè)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(xù)運(yùn)行中受振動(dòng)的影響而出現(xiàn)振斷現(xiàn)象。部分插頭與插座易出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象，可通過(guò)涂抹加固膠的方式提升其穩(wěn)定性。

（5）壓塊是提升變頻器穩(wěn)定性的關(guān)鍵，需設(shè)置成斜面形式，并且底板也要采取斜面的方式，通過(guò)上述兩個(gè)斜面的壓接可有效緩解振動(dòng)。

3.3 成品調(diào)試試驗(yàn)

變頻器經(jīng)過(guò)改裝作業(yè)后，為確保使用性能需通過(guò)調(diào)試的方式將其調(diào)整至最佳狀態(tài)，具體內(nèi)容有。

（1）測(cè)試絕緣性。依據(jù)變頻器的實(shí)際特性為之適配合適的搖表并展開(kāi)測(cè)試，若改造后的變頻器為380V或460V，需為之選擇500V搖表?；诮^緣性測(cè)試的方式有助于確保主回路的穩(wěn)定性。

（2）加載試驗(yàn)。此環(huán)節(jié)最為關(guān)鍵的便是加載能力與過(guò)載能力[3]，若要滿足電牽引采煤機(jī)的運(yùn)行需求，變頻器的電流必須達(dá)到額定值的120%，同時(shí)要具備1min內(nèi)過(guò)載的能力。

（3）測(cè)試恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速性能。此環(huán)節(jié)需要調(diào)整好調(diào)速裝置的運(yùn)行狀態(tài)，使其輸出頻率達(dá)到50Hz，隨后改變轉(zhuǎn)矩，從空載開(kāi)始逐步提升最終到達(dá)額定值，在此基礎(chǔ)上提升負(fù)載，此階段轉(zhuǎn)速需適當(dāng)降低。

（4）測(cè)試恒功率調(diào)速性能。調(diào)節(jié)電源電壓，使其控制在額定值的95%～110%的區(qū)間內(nèi)，在此基礎(chǔ)上改變調(diào)速裝置輸出頻率，要求該值恒定為70Hz，依然從空載開(kāi)始持續(xù)加載當(dāng)達(dá)到指定值后便需要提升負(fù)載，此階段適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速。

（5）測(cè)試溫升性能。要求變頻器輸出頻率時(shí)刻保持在50Hz，持續(xù)提升電動(dòng)機(jī)負(fù)載，通過(guò)此方式可提升變頻器輸出轉(zhuǎn)速，使其上升至額定值，保持此狀態(tài)一段時(shí)間，使其溫度持續(xù)上升并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，后續(xù)每1h展開(kāi)一次溫度檢測(cè)，要求變動(dòng)幅度穩(wěn)定在1K內(nèi)。

（6）修改參數(shù)并測(cè)試。依據(jù)實(shí)際情況，變頻器的參數(shù)也需要做出靈活的改變，在此基礎(chǔ)上測(cè)試，經(jīng)此改進(jìn)措施后若變頻器處于穩(wěn)定運(yùn)行狀況，便要通過(guò)更改電動(dòng)機(jī)速度的方式做進(jìn)一步檢驗(yàn)，評(píng)定變頻器是否可以正常控制。

4? 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，電牽引采煤機(jī)的工作環(huán)境較為特殊，通過(guò)對(duì)變頻器改造的方式可提升該設(shè)備的運(yùn)行性能。實(shí)際改造工作中需考慮到電控箱結(jié)構(gòu)、參數(shù)調(diào)整等多個(gè)方面，全面確保變頻器的運(yùn)行穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

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

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

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