防爆異步變頻調速一體機在黃陵二號煤礦的應用

楊 波，吳 寧

(陜西黃陵二號煤礦有限公司，陜西 延安 727303)

0 引言

當前，刮板機是現(xiàn)代化高產(chǎn)高效采煤工藝中不可缺少的主要設備，不僅是運送工作面煤流，還是采煤機的運行軌道。刮板機牽引技術由原有的鏈牽引向現(xiàn)在的無線牽引方向發(fā)展，由液壓牽引到電牽引進步，由電牽引的刮板機相比液壓牽引來說具有顯著優(yōu)勢，因此各國均研發(fā)了不同類型的電牽引刮板機。刮板機采集電牽引有2種方式：交流電牽引和直流電牽引。直流電牽引是利用直流電動機的直流調速系統(tǒng)，交流電牽引是通過鼠籠式異步電動機實現(xiàn)變頻調速系統(tǒng)，相對來說直流電牽引易于控制、調速性能良好。但直流電機由于體積較大，設計結構復雜，同時由于防爆原因導致整流子和碳刷部位長時間接觸會產(chǎn)生熱量，磨損較明顯，減少碳刷的使用壽命，可靠性能較差，在井下維修難度高，工作人員的工作量較大。交流電牽引的方式采用的是鼠籠式電動機，其整體設計結構小，防爆結構簡單，在運行過程中具有可靠性，使用壽命時間長，維修難度高。在交流電動機變頻調速系統(tǒng)中，目前存在難度較大。因此，交流變頻調速電牽引式是未來的主要發(fā)展方向。

1 黃陵二號煤礦綜采工作面地質情況及設備配套

近年來，礦井采用綜采工作面傾向長度按照300.5 m設計，走向長度按照4 200～5 200 m設計，煤層厚度2.7～3.3 m，平均厚度3.0 m，屬超長走向中厚煤層綜采工作面，礦井綜采設備的配套與選型根據(jù)煤層地質條件確定，其中刮板運輸機應保證工作面落煤生產(chǎn)能力需要，確定結構型式與采煤機相配套，輸送機槽的結構與工作面底板條件適應，并能夠與采煤機底托架和行走部機構尺寸匹配，工作面配套設備見表1。

表1 刮板一體機相關配套設備Table 1 Related equipment of scraper integrated machine

2 防爆異步變頻調速一體機

2.1 變頻一體機工作原理

防爆異步變頻調速一體機的電機采用單繞組單轉子結構，內部繞組布置規(guī)律、簡單，電壓等級3 300 V，采用外殼水冷式作為冷卻方式。從變頻調速一體機的運行原理上來看，變頻調速系統(tǒng)是“交—直—交”變壓變頻調速系統(tǒng)，利用牽引變壓器將交流高壓轉為交流低壓，不可控整流器可通過三相工頻交流電變?yōu)橄鄬愣ǖ闹绷麟姡?jīng)過大功率晶體管或者IGBT構成逆變器，并進一步將其變?yōu)榭勺冸妷夯蚩勺冾l率交流電，實現(xiàn)牽引電機的無級調速，對于逆變器來說是由微機使用等幅正弦波脈寬調制法實現(xiàn)有效控制的，通過改變逆變器中各橋臂功率管交替導通的時間進一步改變波形輸出的頻率，進而改變觸發(fā)脈沖寬度及輸出電壓幅度。變頻調速一體機具有過電流、過負荷和過電壓，熔斷式切斷電源異常控制以及CPU電路異常保護等相關功能，當處于任意保護功能動作時會停止變頻器運行，并利用數(shù)碼管顯示故障狀態(tài)。在變頻調速一體機處于正常運行狀態(tài)時參數(shù)能夠在數(shù)碼管中顯示，并利用數(shù)字面板設置系統(tǒng)操作、修改運行參數(shù)。

2.2 變頻一體機功能

變頻調速一體機從電氣結構上是由變頻部分和電動機部分構成，變頻部分為主控器。主回路中變頻調速一體機使用12脈沖整流的方式是交直交電壓型的變頻器，電源經(jīng)過接收器、電抗器之后能夠再次經(jīng)過整流成為直流，在直流支撐電容濾波穩(wěn)壓之后，可以利用IGBT構成逆變電路，進而能夠將直流電變?yōu)轭l率可調性交流電。主控器是整個變頻設備的重要部分，能夠用于指令發(fā)送、信息處理控制、采集實時信號，通過運算之后能夠形成IGBT的驅動信號。通過驅動單元實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，此外能夠將變頻器的不同信息經(jīng)過處理之后在顯示屏中顯示，除此之外，還能夠用于接收外部操作指令，實現(xiàn)一體機的操控運行。對于驅動單元來說，驅動單元能夠用于接收主控制器的指令，經(jīng)過信號放大之后，可生成PWM信號，再次經(jīng)過光纖進行IGBT導通以及關閉控制，同時還能夠實現(xiàn)電流，電壓等信息的預處理，并進一步對IGBT實現(xiàn)短時間的保護顯示。變頻調速一體機具有良好性能的LED顯示屏可以通過通訊線用于主控機實時信息的接收，并在顯示屏中顯示。在變頻調速一體機處于正常運行過程中，可以實時顯示電流，電壓以及功率等相關參數(shù)，當變頻調速一體機出現(xiàn)故障之后，可以立即采取保護動作并顯示相對應的故障信息。對于外部循環(huán)水冷系統(tǒng)，該系統(tǒng)需要結合實際情況配有2種配置，一是使用外部循環(huán)水泵，水箱構成閉環(huán)冷卻系統(tǒng)；二是在不使用水箱的基礎上可以由供水管路經(jīng)過減壓閥向變頻機中進行，冷卻水的提供由開放式直接排出作為出水方式，該方式要求供水壓力低于3 MPa。對于變頻單元的附屬電路來說，該電路中包含保護電路、變頻器的操作控制電路，需要有直流接觸器輸入輸出電路以及控制變壓器。

3 在刮板機中變頻調速一體機的應用

3.1 液力耦合器配置情況

黃陵二號煤礦中厚煤層工作面原刮板運輸機采用可調速液力耦合器驅動方式，裝機功率3×800 kW，運輸能力在近水平條件下達到2 200 t/h，原轉載機采用可調速液力耦合器驅動方式，裝機功率525 kW，運輸能力在近水平條件下達到3 500 t/h。

3.2 新配套變頻一體機情況

在工作面新配套設備上，運輸機采用YJVFG-450M1-4T(855/3300)型變頻調速一體機(三用一備)，轉載機采用YJVFG-450M2-4T 525kW/3300V型變頻調速一體機(一用一備)，可實現(xiàn)刮板運輸機和轉載運輸機的重載平滑起動，消除設備啟動時的機械與電氣沖擊；分別控制3臺刮板運輸機一體機和轉載機一體機的聯(lián)合運行或單機運行；具有多機聯(lián)動控制和功率平衡調節(jié)功能，一體機之間和控制器之間采用CAN總線通信協(xié)議進行通信，刮板運輸機一體機之間轉矩不平衡度小于2%。

3.3 液力耦合器與變頻一體機對比

工作面刮板運輸機、轉載機配套驅動方式是閥控調速型液力耦合器，具有柔性傳動自動適應、柔性制動減速、改善動力機啟動能力等優(yōu)勢，但需要壓力緩沖裝置、占地面積較大、調速范圍相對較窄，與離心機械匹配調速范圍為1～1/5，與恒力矩機械匹配調速范圍為1～1/3。而變頻調速一體機不僅可以避免占比面積過大、諧波干擾大以及電磁污染的問題，而且由于整合簡化了設備，傳動效率得以大幅提升，節(jié)電效果好。

通過組合開關能夠對變頻調速一體機的電源通道進行有效控制，并配合刮板機實現(xiàn)對變頻調速一體機故障、溫度及運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，以及啟動和停止的控制。進入檢修狀態(tài)或刮板機停電時，需要對刮板機的開關采取停電閉鎖的方式。①刮板機采取變頻驅動的方式使刮板機鏈條磨損程度減小，沒有瞬間啟動較大速度，減少鏈條的沖擊力，延長鏈條和接鏈環(huán)的使用周期，同時，可根據(jù)實際情況和煤量適當調節(jié)啟動時間。②由于啟動相對平緩，會降低機械設備在傳動過程中的磨損與產(chǎn)生的噪聲。③配合使用監(jiān)測操作箱，能夠便于觀察刮板機的實際運行情況和檢查其故障代碼，并及時改變一些參數(shù)，以實現(xiàn)系統(tǒng)機位單電機的反轉和啟動。④對于刮板機可降低能源消耗，并減少電能消耗。

4 交流變頻一體機電牽引問題分析

對于機載以及非機載的問題來說，在處于交流電牽引過程中能夠將變頻調速一體機安裝于刮板機及機載系統(tǒng)中，而將變頻調速一體機與牽引變壓器同時安裝在順槽中，則是利用刮板機和電纜連接即非機載系統(tǒng)。相對來說兩者各有優(yōu)缺點，機載系統(tǒng)能夠實現(xiàn)機器與變頻調速一體機的有效隔離，刮板機體積較小，對于工作面具有良好的適應性，能夠防止由于刮板機震動導致對變頻器產(chǎn)生的不良影響，防止信號干擾，且易于處理變頻器的冷卻問題，便于維護檢修。而對于非機載系統(tǒng)來說需要利用電纜與刮板機連接，在刮板機運行中牽引電纜很容易出現(xiàn)彎曲疲勞損傷或者接地短路等問題，除此之外，變頻器漏電保護也是重要問題，由于輻射電纜較長，從變頻器的輸出到電動機輸入壓力降相對較大，尤其在處于低頻狀態(tài)時壓力降所占比重是比較大的。在處于變壓器低頻狀態(tài)時應當及時采取低壓提升補償措施。機載系統(tǒng)取消牽引電纜，通過相對靜止的短電能夠及時將變壓器輸出傳送到牽引電機中，具有較高的傳輸效率和良好的低頻性能，能夠發(fā)揮變頻器的性能。在機身中安裝變頻器顯示屏能夠便于工作人員實時觀察，但相對來說機載系統(tǒng)在防震系統(tǒng)方面相對較差，與控制設備具有較大的干擾，冷卻系統(tǒng)設計難度高。

針對變頻器的選擇以及相關控制問題，對于交流電牽引刮板機來說變頻器是其重要核心部位，其性能將會直接影響整個設備的可靠性以及相關性能。刮板機中使用變頻調速一體機主要針對的是煤礦特殊運行環(huán)境設計的，無論調速性能或者可靠性能都是比較良好的，而國產(chǎn)變頻器設計控制方法相對西方發(fā)達國家來說是比較接近的，但在制造、工藝水平等方面存在較大差距，因此對于國產(chǎn)的交流電牽引中采集變頻器使用國外定型的變頻器，自行設計防爆外殼以及冷卻系統(tǒng)構成了國產(chǎn)的電牽引交流調速一體機。但這種變頻器并不適用于任意裝載機工況，需要結合實際情況選擇合適的變頻器。如變頻器容量有較大裕量，通常選擇額定功率高于1.5倍的電機，除此之外，變頻機具有較強的擴展能力。在電壓輸入波動下應當具備穩(wěn)壓功能，在低頻狀態(tài)時需要具有電壓提升功能，使非機載系統(tǒng)存在較大的低頻壓降。對于控制方面來說，變頻器屬于一種復雜控制系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)與直流系統(tǒng)相適應的調速功能，同時還具備一定保護功能，可通過控制面板進行參數(shù)的設置、修改，利用顯示器能夠實時觀察變頻器的運行狀況，能夠使工作人員及時了解采集的運行情況和相關參數(shù)，便于及時調節(jié)。

5 結語

總而言之，目前變頻調速一體機技術在刮板機中的應用已經(jīng)獲得一定成果，隨著未來微電子技術以及電力電子技術的發(fā)展，將會使變頻調速一體機獲得更加可靠和完善的性能，使國內變頻機的開發(fā)推廣邁向新征程。變頻調速一體機具備良好的傳動效率以及較高的智能化水平，可以有效提升設備的運行效率和穩(wěn)定性，實現(xiàn)節(jié)能降耗以及智能調控，但在變頻過程中需要防止電磁干擾，未來將會針對這一方面進行解決，使其更好地為煤礦生產(chǎn)提供服務。