電牽引采煤機(jī)變頻器的故障分析與改進(jìn)

楊美娟

（山西西山煤電股份公司西曲礦科研職教科， 山西 古交 030200）

引言

由于井下環(huán)境比較惡劣，且采煤工作面會產(chǎn)生比較多的粉塵與水，大型機(jī)電設(shè)備產(chǎn)生的噪音也會比較大[1]。粉塵、水與巨大的噪音都會對采煤機(jī)的變頻器產(chǎn)生一些不良的影響，其中當(dāng)采煤機(jī)電控箱密封出現(xiàn)問題時，大量的煤粉與水就有可能會進(jìn)到變頻器內(nèi)部，水和煤粉會降低電路板的性能[2-3]。

1 變頻器存在的問題

1.1 變頻器溫度過高

由于變頻器所在的電控箱的密閉性不佳，導(dǎo)致煤塵與水會進(jìn)入變頻器內(nèi)部，煤塵附著在變頻器的線路板上會降低線路板的散熱能力，導(dǎo)致部分電器元件會由于散熱不良而出現(xiàn)損壞。這主要是長期沒有得到良好的維修保養(yǎng)造成的，因此做好定期的維修保養(yǎng)以及清掃工作，能有效避免熱量積聚[4]；由于變頻器瞬間啟動產(chǎn)生的熱量較大，當(dāng)變頻器啟動比較頻繁時，變頻器會在短時間內(nèi)積聚大量的熱量，當(dāng)局部熱量過高時，會嚴(yán)重?fù)p壞變頻器內(nèi)部的電器元件，因此要避免頻繁啟動變頻器。

IGBT模塊和交流電抗器是變頻器內(nèi)產(chǎn)生熱量比較大的元件，當(dāng)采煤機(jī)處于傾斜的坡面上進(jìn)行作業(yè)時或者截割阻力比較大的情況時，IGBT模塊和交流電抗器會產(chǎn)生更多的熱量。變頻器內(nèi)部處于一個封閉的環(huán)境，而交流電抗器產(chǎn)生的熱量比較大，因此交流電抗器不能封裝在變頻器的殼體內(nèi)部，并且變頻器的殼體需要與交流電抗器之間有一定的距離，這樣可以減小交變電抗器產(chǎn)生的熱量對其他元件的影響。位于變頻器箱體內(nèi)部的IGBT模塊始終處于開關(guān)的狀態(tài)，啟動頻率的高低直接影響發(fā)熱量的大小。

1.2 變頻器振動

由于采煤機(jī)在割煤過程中會產(chǎn)生較大的振動，當(dāng)采煤機(jī)出現(xiàn)夾矸石時，振動會加劇。長時間的振動會降低變頻器的密閉性，導(dǎo)致變頻器內(nèi)部進(jìn)入煤塵與水。同時也會導(dǎo)致變頻器內(nèi)部的接線端口出現(xiàn)松動以及部分線路出現(xiàn)信號不穩(wěn)定的狀況。甚至充電接觸器和變頻器電抗的支腿也可能會振斷，電路板上部分元件甚至?xí)袈?，直接影響電路板的性能?/p>

1.3 變頻器電路電壓過高

對直流母線支路的三相電壓全波進(jìn)行整流，整流后電壓的平均值可以反映出電壓是否超出規(guī)定范疇。當(dāng)電壓過高時，變頻器電路中的電壓就會過高，就有可能燒壞電路板中的電子元件。超電壓存在很多形式，如：當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速比較高，超過變頻器的正常值時，電機(jī)輸出的電壓就會比較高，導(dǎo)致變頻器出現(xiàn)超電壓的現(xiàn)象；當(dāng)同一電路中接入的其他負(fù)載變少時，輸入的交流電壓就會比平時高。

當(dāng)兩個電機(jī)同時對采煤機(jī)輸出電壓時，電壓不同就可能導(dǎo)致兩個電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)功率存在差異，一個運(yùn)轉(zhuǎn)速度快而另一個電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度慢，進(jìn)而導(dǎo)致采煤機(jī)上的電壓超過其承載極限。

2 變頻器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)注意要點(diǎn)

常見的變頻器運(yùn)用的是風(fēng)冷式結(jié)構(gòu)，但井下的電牽引采煤機(jī)變頻器所在的電控箱屬于一個密閉的結(jié)構(gòu)，密閉的空間會導(dǎo)致空氣無法與外界環(huán)境流通，因此采煤機(jī)變頻器就無法通過空氣的流通來進(jìn)行散熱，需要通過水的循環(huán)來進(jìn)行有效的散熱。但在變頻器改造過程中，需要注意以下幾點(diǎn)：

1）變頻器的改造需要分兩層來進(jìn)行，充電接觸器以及充電電容等體積比較大和比較重的元件可以放到變頻器的底部，同時將產(chǎn)熱量大的IGBT模塊放到散熱比較好的鋁板上。用支撐柱來支撐上層，為了避免兩層板子發(fā)生比較大的晃動，可以在每層上增加減振墊。上層放置一些比較輕的元件，如主控制電路板以及驅(qū)動電路板等。

2）為了降低振動導(dǎo)致的電路板松動，進(jìn)而損壞電路板，需要用螺栓對主回路板進(jìn)行固定。

3）電容極性接反會徹底損壞電容，因此在電容安裝時需要特別的注意。

4）由于電路板上的元件比較多，在安裝時要避免插錯以及插反。部分元件在插接錯誤的情況下通電會直接損壞元件。同時在拆卸時，不能粗暴的拽線，以免損壞線路。

5）為了降低電路板對靜電的影響，安裝電路板的相關(guān)人員需要在佩戴防靜電手套后進(jìn)行裝卸電路板。

3 變頻器改進(jìn)措施

3.1 提高變頻器散熱的方法

由于變頻器內(nèi)部存在大量的半導(dǎo)體元件，而半導(dǎo)體的性能受溫度的直接影響，溫度過高直接降低變頻器內(nèi)半導(dǎo)體元件的性能與使用年限，因此變頻器良好的散熱功能是變頻器實(shí)現(xiàn)良好性能的關(guān)鍵。

為了加大IGBT模塊的散熱能力，將IGBT模塊直接敷設(shè)在散熱性能比較好的鋁板上，且應(yīng)該選用導(dǎo)熱性能更好的鋁合金，同時為了加快散熱的速率，降低熱阻，可以在散熱鋁板與IGBT模塊之間在敷上一層導(dǎo)熱硅脂。綜合考慮鋁板的強(qiáng)度與散熱效果，鋁板的厚度一般在15～20mm之間。為了避免電控箱與變頻器接觸不良造成的導(dǎo)熱電阻大的問題，需要在鋁板的底部在涂抹一層導(dǎo)熱硅脂。

3.2 變頻器的抗振措施

可以通過以下措施來增加變頻器的抗振性能，將交流電抗器安裝在變頻器箱體的外部；對交變電抗器的腿進(jìn)行固定，用螺栓固定交變電抗器，將電抗器與底板固定在一起，另外還需要安裝橡膠墊來降低振動對交變電阻器的影響；將比較輕的元件布置在變頻器箱體的上部，將比較重的元件布置在箱體的下部，以增加變頻器箱體下部的重量，減小其發(fā)生振動的可能性；用螺栓對電路板進(jìn)行固定，同時在螺栓上安裝必要的減振配件，另外在振動過程中容易發(fā)生掉落的元件、插頭以及插座，需要用膠水對其進(jìn)行加固；將變頻器箱體底板的斜面與固定變頻器壓塊的斜面進(jìn)行壓接，以增大變頻器的穩(wěn)定性。

3.3 變頻器電路電壓過高的解決辦法

增加采煤機(jī)的負(fù)載體系，確保兩個電機(jī)所輸出的電壓比較平衡，有效避免由于兩電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)功率不同導(dǎo)致的超電壓現(xiàn)象。在采煤機(jī)處于低負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)時，由于負(fù)載比較小，導(dǎo)致電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度比較快，產(chǎn)生的慣性也會相應(yīng)的比較大，由于減速的時間相對比較短，高速運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)的減速度會比較大，造成輸出端的速度也會相應(yīng)比較大。由于采煤機(jī)減速時間要比電機(jī)的長，造成采煤機(jī)變頻器的運(yùn)轉(zhuǎn)速度要比電機(jī)的小，造成變頻器的電壓比較大。因此為了保證變頻器的電壓在正常范圍內(nèi)，可以額外增加制動元件，確保電機(jī)速度在一個合理的范圍內(nèi)；當(dāng)采煤機(jī)的負(fù)載比較小時，把采煤機(jī)調(diào)整到低速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)；修正變頻器的相關(guān)參數(shù)，把其減速的時間延長。

4 結(jié)論

變頻器作為電牽引采煤機(jī)的重要部件，如果其出現(xiàn)問題將直接影響采煤機(jī)的性能，影響生產(chǎn)效率，通過增強(qiáng)變頻器的散熱能力、提高其抗振能力以及保持電壓在合理的范圍，可降低變頻器發(fā)生故障的概率，提高其安全性，有效保證采煤機(jī)的性能，提高采煤機(jī)的工作效率。