電牽引采煤機(jī)變頻器故障分析與改進(jìn)策略

姚明

摘要：近年來，變頻技術(shù)與采掘設(shè)備的機(jī)械化和智能化均取得了快速發(fā)展，依托變頻器牽引的采煤機(jī)也逐漸發(fā)展成綜合機(jī)械化采煤核心設(shè)備，為礦井生產(chǎn)的高產(chǎn)高效提供了必要保障。但電牽引采煤機(jī)變頻器在運(yùn)行期間很容易發(fā)生故障，導(dǎo)致采煤機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至還會(huì)誘發(fā)采煤事故?；诖?，文章將電牽引采煤機(jī)變頻器作為主要研究對(duì)象，重點(diǎn)闡述具體的改進(jìn)策略，希望有所幫助。

關(guān)鍵詞：電牽引采煤機(jī);變頻器;故障分析;改進(jìn)策略

當(dāng)前，電牽引采煤機(jī)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于采煤作業(yè)中，大大提高了煤礦企業(yè)的生產(chǎn)效率，為企業(yè)快速發(fā)展提供必要保障。其中，變頻器與電牽引采煤機(jī)運(yùn)行效果存在直接關(guān)聯(lián)，在采煤作業(yè)實(shí)踐中，維修工作人員應(yīng)高度重視電牽引采煤機(jī)變頻器，盡量避免變頻器故障所引發(fā)的采煤機(jī)故障。由此可見，深入研究并分析電牽引采煤機(jī)變頻器的故障與改進(jìn)策略十分有必要。

一、電牽引采煤機(jī)變頻器的原理

電牽引采煤機(jī)變頻器構(gòu)成包括控制系統(tǒng)和功能平衡板。對(duì)于變頻器控制系統(tǒng)，主要包括一個(gè)整流回饋單元、兩個(gè)逆變單元與控制回路，能夠?qū)恳儔浩鬏敵龅碾娔苡行мD(zhuǎn)變成電壓和頻率電流，進(jìn)而為采煤機(jī)運(yùn)行提供便利。對(duì)于功率平衡板而言，因工作面的地形平整度不高，在電牽引采煤機(jī)行走狀態(tài)下，兩側(cè)牽引電機(jī)的負(fù)載電流很容易受力不均勻，進(jìn)而出現(xiàn)不平衡的情況，對(duì)采煤機(jī)工作效率產(chǎn)生不利影響[1]。為此，企業(yè)需將功率平衡板應(yīng)用于電牽引采煤機(jī)當(dāng)中。在使用功率平衡板后，設(shè)備信號(hào)就會(huì)經(jīng)I1和I2輸入，依托比較器向單片機(jī)傳輸并加以控制，使得左右兩邊牽引電機(jī)的功率平衡。若I2端的電流降低，比較器就會(huì)將接受的信號(hào)及時(shí)向單片機(jī)傳輸，并利用控制變頻器將I1端的輸出電流增大，在兩側(cè)功率平衡的狀況下實(shí)現(xiàn)左邊牽引電機(jī)的提速目標(biāo)。為此，無論是哪一端電流增大亦或是減小，均需利用單片機(jī)調(diào)整，使得左右兩邊的牽引電機(jī)處于平衡狀態(tài)。

二、簡(jiǎn)述電牽引采煤機(jī)變頻器的常見故障

（1）溫度過高

變頻器所在電控箱密閉性不理想，就會(huì)使煤塵和水進(jìn)入內(nèi)部。而煤塵附著于變頻器線路板，使線路板散熱性能受到影響，部分電器元件會(huì)受散熱不理想的因素受損。究其原因，維修與保養(yǎng)工作不到位，因而要定期開展維修保養(yǎng)和清掃，以免熱量大量積聚[2]。另外，變頻器瞬時(shí)啟動(dòng)熱量大，若頻繁啟動(dòng)，必然會(huì)在短時(shí)間內(nèi)積聚熱量，一旦局部的熱量過高，必然會(huì)使變頻器內(nèi)部電器元件受損。

（2）變頻器振動(dòng)

采煤機(jī)在割煤狀態(tài)下振動(dòng)較大，若存在夾矸石必然會(huì)加劇振動(dòng)。長(zhǎng)期振動(dòng)使變頻器密閉性下降，且煤塵和水會(huì)進(jìn)入其內(nèi)部。另外，變頻器內(nèi)部接線端口也會(huì)松動(dòng)，部分線路的信號(hào)缺乏穩(wěn)定性。嚴(yán)重的情況，充電接觸器與變頻器電抗支腿也有振斷的可能，同時(shí)電路板部分元件也會(huì)掉落，進(jìn)而對(duì)電路板性能產(chǎn)生影響。

（3）電路電壓過高

整流直流母線支路三相電壓全波，可通過電壓平均值對(duì)電壓是否處于規(guī)定范圍加以反映。若電壓相對(duì)較高，變頻器電路內(nèi)電壓也高，使電路板電子元件被燒壞。而超電壓的形式諸多，在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度過高的情況下，且超出變頻器正常數(shù)值，實(shí)際輸出電壓也更高，致使變頻器發(fā)生超電壓的情況。若相同電路內(nèi)其他負(fù)載介入少，那么輸入交流電壓也會(huì)高于正常數(shù)值[3]。在兩電機(jī)同時(shí)針對(duì)采煤機(jī)輸出電壓的情況下，若電壓不同就會(huì)使兩電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的功率有所區(qū)別，最終導(dǎo)致采煤機(jī)電壓比承載極限大。

（4）單向牽引故障

單向牽引即向右行走正常，向左行走不牽引，變頻與功能顯示均正常，但是頻率是零。若采煤機(jī)向右行走正常，即代表變頻器運(yùn)行狀態(tài)正常。若向左行走不牽引，即證實(shí)采煤機(jī)左行走控制信號(hào)不正常。究其原因，在采煤機(jī)向左行走時(shí)，會(huì)受機(jī)械振動(dòng)因素影響，使線頭虛接亦或是左行走掉線頭，進(jìn)而出現(xiàn)左行走控制信號(hào)中斷的情況。

（5）不牽引故障

一方面，軟故障。不牽引軟故障就是在采煤機(jī)不牽引狀態(tài)，顯示窗口無法顯示故障信息，且難以準(zhǔn)確辨別故障點(diǎn)的信息，增加處理故障難度。一般情況下，在割煤過程中采煤機(jī)會(huì)突然停止?fàn)恳馗顫L筒和油泵電機(jī)仍運(yùn)行，牽引指令失效，導(dǎo)致牽引電機(jī)無法啟動(dòng)，難以將故障的信息顯示出來。究其原因，功率平衡板可能受損亦或是插座出現(xiàn)斷線的情況，難以將控制信號(hào)輸出，進(jìn)而出現(xiàn)逆變器停止運(yùn)行的情況。

另一方面，硬故障。不牽引硬故障就是在采煤機(jī)出現(xiàn)不牽引故障時(shí)，可通過顯示窗口將故障信息顯示，便于工作人員了解。但在發(fā)生硬故障以后，若顯示代碼為F9，就代表發(fā)生了欠電壓故障，導(dǎo)致采煤機(jī)難以牽引。一般來講，牽引變壓器的輸出電壓為400V，而欠壓限值為牽引變壓器輸出最小數(shù)值0.65倍。如果經(jīng)直流母線判斷變頻裝置是欠壓狀態(tài)，就會(huì)出現(xiàn)F9故障信息。

（6）病態(tài)牽引故障分析

病態(tài)牽引即采煤機(jī)的牽引功能正常，但行走過程中容易出現(xiàn)停機(jī)，偶爾出現(xiàn)故障顯示，復(fù)位以后開機(jī)可運(yùn)行[4]。引發(fā)此類故障的原因是設(shè)備輸出缺乏平衡性，可能是兩逆變參數(shù)不同，也可能是變頻器內(nèi)的功率平衡板受損。

三、故障的改進(jìn)要點(diǎn)

變頻器一般為風(fēng)冷式結(jié)構(gòu)，而井下電牽引采煤機(jī)變頻器電控箱屬于密閉結(jié)構(gòu)，致使空氣難以和外界環(huán)境流通。此時(shí)，采煤機(jī)變頻器難以借助空氣流通散熱，因而要借助水循環(huán)實(shí)現(xiàn)散熱目標(biāo)。然而，在改造變頻器期間，應(yīng)注意以下要點(diǎn)：

第一，改造變頻器應(yīng)分成兩層開展，充電接觸器與充電電容等大體積或者較重元件應(yīng)在變頻器底部放置，并在散熱性能理想的鋁板之上放置高產(chǎn)熱量的IGBT模塊。使用支撐柱對(duì)上層支撐，為規(guī)避兩層板晃動(dòng)較大，應(yīng)將減振墊加在各層，并將輕元件放置于上層。

第二，要想規(guī)避振動(dòng)所引發(fā)的電路板松動(dòng)與受損的問題，應(yīng)使用螺栓固定主回路板。

第三，電路板中元件數(shù)量較多，所以安裝期間應(yīng)避免錯(cuò)插或者是反插的情況發(fā)生。一旦插接錯(cuò)誤，在通電以后，元件會(huì)直接受損。另外，在拆卸的過程中，不要隨意拽線，以免線路受損[5]。

第四，電容極性如果反接，會(huì)使電容被徹底損壞，所以安裝的時(shí)候要給予高度重視。

第五，為減少電路板對(duì)于靜電的影響，在電路板安裝的時(shí)候，要求操作人員佩戴防靜電的手套，并完成電路板裝卸工作。

四、故障的改進(jìn)對(duì)策研究

（1）提高變頻器散熱

因變頻器內(nèi)部半導(dǎo)體元件數(shù)量較多，且性能會(huì)直接受到溫度影響。一旦溫度過高，就會(huì)使半導(dǎo)體元件性能和使用壽命降低，所以必須保證變頻器散熱性能良好。另外，要想使IGBT模塊散熱能力不斷增強(qiáng)，就需要將其敷設(shè)于具有良好散熱性能的鋁板之上，使用導(dǎo)熱性理想的鋁合金。通過導(dǎo)熱硅脂敷設(shè)在散熱鋁板和IGBT模塊間的方式，使散熱速率明顯加快，有效降低熱阻。對(duì)鋁板強(qiáng)度以及散熱效果考慮的基礎(chǔ)上，應(yīng)將鋁板厚度控制在15-20毫米范圍內(nèi)。

（2）抗振對(duì)策

在變頻器箱體外部安裝交流電抗器能夠使變頻器抗振性能明顯增強(qiáng)。另外，固定交流電抗器腿，并使用螺栓將其固定，確保電抗器和底板有效固定牢靠，借助橡膠墊使振動(dòng)降低，盡可能對(duì)交變電阻器帶來影響[6]。于變頻器箱體上部布置輕元件，于箱體下部布置重元件，使得變頻器箱體的下部重量增加，也能夠使振動(dòng)發(fā)生幾率下降。同時(shí)，可利用螺栓固定電路板，將減振配件安裝在螺栓上。若元件、插座與插頭等在振動(dòng)中容易掉落，應(yīng)使用膠水加固處理。

（3）電路電壓過高解決對(duì)策

對(duì)采煤機(jī)加設(shè)負(fù)載體系，保證兩電機(jī)輸出電壓平衡，以免因運(yùn)轉(zhuǎn)功率不同出現(xiàn)超電壓的情況。當(dāng)采煤機(jī)處于低負(fù)載狀態(tài)，因負(fù)載過小，使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度加快，且慣性較大，加之減速時(shí)間短，在電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下減速度過大，致使輸出端速度過大。因采煤機(jī)的減速時(shí)間比電機(jī)長(zhǎng)，所以采煤機(jī)變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)的速度要低于電機(jī)，增加了變頻器電壓。為此，要想確保變頻器電壓正常，需要引進(jìn)制動(dòng)原件，使電機(jī)速度合理。

（4）單向牽引故障的處理對(duì)策

對(duì)左行線聯(lián)接情況進(jìn)行檢查，如果存在掉線頭亦或是虛接情況應(yīng)重新壓線。如果是按鈕板亦或是端頭站右行、左行按鈕卡住，會(huì)使采煤機(jī)產(chǎn)生單向牽引和速度增加的現(xiàn)象，要多次按壓按鈕使其恢復(fù)正常位置。此外，要對(duì)功能顯示器所顯示的內(nèi)容進(jìn)行觀察，進(jìn)而對(duì)控制中心異常與否做出判斷。如果執(zhí)行信號(hào)紅燈不亮而操作信號(hào)綠燈亮，即代表控制中心已經(jīng)接收牽引信號(hào)但尚未執(zhí)行。為此，要中斷電源并復(fù)位。若故障始終存在要更換控制中心。

（5）不牽引故障的處理對(duì)策

對(duì)于軟故障，要更換功率平衡板。由于功率平衡板的損壞幾率過高，因而要提前準(zhǔn)備備用板，便于在發(fā)生故障后及時(shí)更換。對(duì)于硬故障的處理，最重要的是對(duì)接觸器快速熔斷器的熔斷情況進(jìn)行檢查，同時(shí)要系統(tǒng)檢查整流回饋單元控制板。如果紅燈亮即說明有故障，而綠燈亮則代表通電狀態(tài)理想。

（6）病態(tài)牽引故障的處理對(duì)策

在電牽引采煤機(jī)發(fā)生病態(tài)牽引故障以后，維修工作人員要對(duì)變頻器逆變控制線重新進(jìn)行插接，在去IGBT觸發(fā)信號(hào)線以后，重置左右逆變參數(shù)，以保證其相同。另外，維修工作人員要檢測(cè)采煤機(jī)電源模塊，了解是否存在直流電源±15V輸出的情況。若不存在應(yīng)采用相應(yīng)手段恢復(fù)電源模塊的供電狀態(tài)。

結(jié)束語：

綜上所述，電牽引采煤機(jī)變頻器在采煤機(jī)中占據(jù)重要地位，技術(shù)含量高且維護(hù)難度大。在這種情況下，工作人員必須對(duì)故障范圍予以有效掌握，并在處理故障的過程中對(duì)各現(xiàn)象仔細(xì)觀察，結(jié)合具體現(xiàn)象進(jìn)行分析和判斷，確定相應(yīng)的故障點(diǎn)，通過采用針對(duì)性方法確保變頻器運(yùn)行的正常。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊書偉.電牽引采煤機(jī)變頻器主要故障分析與維修方法[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2020，17（5）：95，98.

[2]馮濤.電牽引采煤機(jī)變頻器主要故障分析與維修方法[J].科技風(fēng)，2019（22）：157.

[3]季國(guó).關(guān)于MG500/1140型采煤機(jī)電氣部件安全運(yùn)行與故障診斷探討[J].礦業(yè)裝備，2019（4）：106-107.

[4]郭建來.采煤機(jī)機(jī)載式變頻器的故障分析與維護(hù)保養(yǎng)研究[J].機(jī)械管理開發(fā)，2018，33（1）：174-175.

[5]布朋生.電牽引采煤機(jī)行走部變頻控制方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].煤礦機(jī)電，2020，41（2）：45-47.

[6]王兆朋，薛智國(guó).電牽引采煤機(jī)變頻器設(shè)備常見故障分析與處理對(duì)策探究[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì)，2017（13）：37，56.