防爆異步變頻調(diào)速一體機在黃陵二號煤礦的應(yīng)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(dāng)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(shè)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(shù)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(jìn)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(diào)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(diào)速系統(tǒng)，相對來說直流電牽引易于控制、調(diào)速性能良好。但直流電機由于體積較大，設(shè)計結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時由于防爆原因?qū)е抡髯雍吞妓⒉课婚L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(shè)計結(jié)構(gòu)小，防爆結(jié)構(gòu)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(diào)速系統(tǒng)中，目前存在難度較大。因此，交流變頻調(diào)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(zhì)情況及設(shè)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(shè)計，走向長度按照4 200～5 200 m設(shè)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(shè)備的配套與選型根據(jù)煤層地質(zhì)條件確定，其中刮板運輸機應(yīng)保證工作面落煤生產(chǎn)能力需要，確定結(jié)構(gòu)型式與采煤機相配套，輸送機槽的結(jié)構(gòu)與工作面底板條件適應(yīng)，并能夠與采煤機底托架和行走部機構(gòu)尺寸匹配，工作面配套設(shè)備見表1。

表1 刮板一體機相關(guān)配套設(shè)備Table 1 Related equipment of scraper integrated machine

2 防爆異步變頻調(diào)速一體機

2.1 變頻一體機工作原理

防爆異步變頻調(diào)速一體機的電機采用單繞組單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，內(nèi)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(diào)速一體機的運行原理上來看，變頻調(diào)速系統(tǒng)是“交—直—交”變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，利用牽引變壓器將交流高壓轉(zhuǎn)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(gòu)成逆變器，并進(jìn)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(diào)速，對于逆變器來說是由微機使用等幅正弦波脈寬調(diào)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(dǎo)通的時間進(jìn)一步改變波形輸出的頻率，進(jìn)而改變觸發(fā)脈沖寬度及輸出電壓幅度。變頻調(diào)速一體機具有過電流、過負(fù)荷和過電壓，熔斷式切斷電源異?？刂埔约癈PU電路異常保護(hù)等相關(guān)功能，當(dāng)處于任意保護(hù)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(diào)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(shè)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(diào)速一體機從電氣結(jié)構(gòu)上是由變頻部分和電動機部分構(gòu)成，變頻部分為主控器。主回路中變頻調(diào)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(gòu)成逆變電路，進(jìn)而能夠?qū)⒅绷麟娮優(yōu)轭l率可調(diào)性交流電。主控器是整個變頻設(shè)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(qū)動信號。通過驅(qū)動單元實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，此外能夠?qū)⒆冾l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(qū)動單元來說，驅(qū)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(jìn)行IGBT導(dǎo)通以及關(guān)閉控制，同時還能夠?qū)崿F(xiàn)電流，電壓等信息的預(yù)處理，并進(jìn)一步對IGBT實現(xiàn)短時間的保護(hù)顯示。變頻調(diào)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(diào)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(guān)參數(shù)，當(dāng)變頻調(diào)速一體機出現(xiàn)故障之后，可以立即采取保護(hù)動作并顯示相對應(yīng)的故障信息。對于外部循環(huán)水冷系統(tǒng)，該系統(tǒng)需要結(jié)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(gòu)成閉環(huán)冷卻系統(tǒng)；二是在不使用水箱的基礎(chǔ)上可以由供水管路經(jīng)過減壓閥向變頻機中進(jìn)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(hù)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(diào)速一體機的應(yīng)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(diào)速液力耦合器驅(qū)動方式，裝機功率3×800 kW，運輸能力在近水平條件下達(dá)到2 200 t/h，原轉(zhuǎn)載機采用可調(diào)速液力耦合器驅(qū)動方式，裝機功率525 kW，運輸能力在近水平條件下達(dá)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(shè)備上，運輸機采用YJVFG-450M1-4T(855/3300)型變頻調(diào)速一體機(三用一備)，轉(zhuǎn)載機采用YJVFG-450M2-4T 525kW/3300V型變頻調(diào)速一體機(一用一備)，可實現(xiàn)刮板運輸機和轉(zhuǎn)載運輸機的重載平滑起動，消除設(shè)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(zhuǎn)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(diào)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(jìn)行通信，刮板運輸機一體機之間轉(zhuǎn)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(zhuǎn)載機配套驅(qū)動方式是閥控調(diào)速型液力耦合器，具有柔性傳動自動適應(yīng)、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(diào)速范圍相對較窄，與離心機械匹配調(diào)速范圍為1～1/5，與恒力矩機械匹配調(diào)速范圍為1～1/3。而變頻調(diào)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(shè)備，傳動效率得以大幅提升，節(jié)電效果好。

通過組合開關(guān)能夠?qū)ψ冾l調(diào)速一體機的電源通道進(jìn)行有效控制，并配合刮板機實現(xiàn)對變頻調(diào)速一體機故障、溫度及運行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，以及啟動和停止的控制。進(jìn)入檢修狀態(tài)或刮板機停電時，需要對刮板機的開關(guān)采取停電閉鎖的方式。①刮板機采取變頻驅(qū)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(dāng)調(diào)節(jié)啟動時間。②由于啟動相對平緩，會降低機械設(shè)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(zhuǎn)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?qū)⒆冾l調(diào)速一體機安裝于刮板機及機載系統(tǒng)中，而將變頻調(diào)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?qū)崿F(xiàn)機器與變頻調(diào)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(yīng)性，能夠防止由于刮板機震動導(dǎo)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(hù)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(hù)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(yīng)當(dāng)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(shè)備具有較大的干擾，冷卻系統(tǒng)設(shè)計難度高。

針對變頻器的選擇以及相關(guān)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(shè)備的可靠性以及相關(guān)性能。刮板機中使用變頻調(diào)速一體機主要針對的是煤礦特殊運行環(huán)境設(shè)計的，無論調(diào)速性能或者可靠性能都是比較良好的，而國產(chǎn)變頻器設(shè)計控制方法相對西方發(fā)達(dá)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(shè)計防爆外殼以及冷卻系統(tǒng)構(gòu)成了國產(chǎn)的電牽引交流調(diào)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(jié)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(yīng)當(dāng)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(fù)雜控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)與直流系統(tǒng)相適應(yīng)的調(diào)速功能，同時還具備一定保護(hù)功能，可通過控制面板進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置、修改，利用顯示器能夠?qū)崟r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(guān)參數(shù)，便于及時調(diào)節(jié)。

5 結(jié)語

總而言之，目前變頻調(diào)速一體機技術(shù)在刮板機中的應(yīng)用已經(jīng)獲得一定成果，隨著未來微電子技術(shù)以及電力電子技術(shù)的發(fā)展，將會使變頻調(diào)速一體機獲得更加可靠和完善的性能，使國內(nèi)變頻機的開發(fā)推廣邁向新征程。變頻調(diào)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(shè)備的運行效率和穩(wěn)定性，實現(xiàn)節(jié)能降耗以及智能調(diào)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(jìn)行解決，使其更好地為煤礦生產(chǎn)提供服務(wù)。