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      連續(xù)型采煤機(jī)行走變頻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

      2020-07-23 09:07:30
      機(jī)電工程技術(shù) 2020年6期
      關(guān)鍵詞:電氣控制采煤機(jī)變頻

      楊 鵬

      (西山煤電(集團(tuán)) 白家莊礦業(yè)有限責(zé)任公司,太原 030022)

      0 引言

      在采煤機(jī)的構(gòu)成中,連續(xù)采煤機(jī)行走單元是其核心部分,采煤機(jī)所有的牽引力及截割力從可維護(hù)性、成本、有效性等多個(gè)方面對(duì)行走單元提出了較高的要求。隨著電液技術(shù)的飛速發(fā)展,連續(xù)采煤機(jī)所運(yùn)用的行走驅(qū)動(dòng)技術(shù)也得到了極大提升,行走單元所采用的驅(qū)動(dòng)形式也由以往的液壓及直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣髯冾l驅(qū)動(dòng)。隨著該驅(qū)動(dòng)技術(shù)在煤礦機(jī)械設(shè)備的深入應(yīng)用,行走單元又開始運(yùn)用四象限交流變頻器,這不僅可以極大降低因制動(dòng)因素所導(dǎo)致的能量消耗,而且在減速環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了能量回饋電網(wǎng)的目標(biāo),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了環(huán)保節(jié)能的目的。該采煤機(jī)的行走變頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案也需要經(jīng)過一系列改善創(chuàng)新[1]。通過開展相應(yīng)的驗(yàn)證試驗(yàn),行走變頻器及相關(guān)的電氣系統(tǒng)在經(jīng)過改善之后具備較高的穩(wěn)定性、有效性,故障發(fā)生率極大降低,有助于售后,可以應(yīng)用于礦井下連采工作面較為惡劣的條件及環(huán)境下。

      1 行走變頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

      連續(xù)采煤機(jī)所安裝的電氣系統(tǒng)主要由變頻調(diào)速和電控兩個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成,對(duì)應(yīng)安裝于連續(xù)采煤機(jī)上的為兩個(gè)隔爆型電控箱:變頻器箱和電氣控制箱。電氣控制箱所處部位為連續(xù)采煤機(jī)的右前方,其作用是對(duì)截割電機(jī)進(jìn)行控制等,變頻器箱則處于連續(xù)采煤機(jī)的左后方,其作用在于對(duì)行走電機(jī)進(jìn)行控制。

      礦井供電系統(tǒng)1 140 V經(jīng)過饋電開關(guān)或者移動(dòng)變壓器之后連接到電氣控制箱中,變頻箱中存在的相應(yīng)供電應(yīng)當(dāng)從電氣控制箱接入,從而為變頻器箱提供1 140 V的動(dòng)力電能,同時(shí)變頻器利用變頻器箱將其控制及反饋信號(hào)連接到電氣控制箱,如圖1所示。另外,電氣控制箱還可以與駕駛室內(nèi)部設(shè)置的顯示及操作單元相互通信,實(shí)現(xiàn)交互顯示及操作[2]。

      圖1 連續(xù)采煤機(jī)電氣系統(tǒng)

      該電氣系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)單元共設(shè)置了8個(gè)電機(jī),分別為液壓、裝運(yùn)、除塵、牽引等機(jī)構(gòu)提供充足的動(dòng)力,以達(dá)到截割、裝煤等各項(xiàng)功能。行走電機(jī)所有的額定電壓及功率分別為1 140 V和55 kW。電氣控制箱內(nèi)部所安裝的機(jī)構(gòu)主要為斷路器、保護(hù)元件等,以完成主令與輔助控制、關(guān)合等多項(xiàng)功能。

      連續(xù)采煤機(jī)所安裝的變頻系統(tǒng)采用了交流與直流相互轉(zhuǎn)換的模式,運(yùn)用可靠性較高的IGBT作為主控元件,其具備較多的優(yōu)勢(shì),如較小的啟動(dòng)電流、較大的輸出力矩等[3]。變頻系統(tǒng)中的硬件構(gòu)成主要有電源、通訊、訊號(hào)檢測(cè)等多個(gè)板塊,其構(gòu)架圖如圖2所示。

      1 140 V三相交流電在流經(jīng)電抗器之后,再傳輸?shù)絀GBT的整流部分來進(jìn)行整流,經(jīng)過IGBT的逆變單元之后,對(duì)行走單元發(fā)揮驅(qū)動(dòng)動(dòng)作。輸入交流1 140 V在經(jīng)過電源轉(zhuǎn)換電路及變壓器之后,為各個(gè)電路提供電源。

      該行走變頻系統(tǒng)運(yùn)用了四象限變頻器,整流部分采用了全控型IGBT功率元件。該變頻系統(tǒng)可以將交流與直流進(jìn)行相互轉(zhuǎn)變,促使電能實(shí)現(xiàn)雙向傳輸。該特點(diǎn)可以有效地解決采煤機(jī)下坡過程中發(fā)生的因行走電機(jī)發(fā)電所造成的變頻器過壓狀況,同時(shí)也可以完成電氣制動(dòng),并且可以確保制動(dòng)能量回饋至電網(wǎng)中。同時(shí),即便電網(wǎng)不存在過高的電壓,四象限變頻器可以形成1 140 V的輸出電壓,確保電機(jī)可以輸出轉(zhuǎn)矩?;谶M(jìn)線電壓為1 140 V的交流,IGBT所具有的耐壓應(yīng)當(dāng)超出母線電壓的兩倍,搭配3 300 V反向重復(fù)峰值電壓與220 A正向直流電流的IGBT。

      圖2 連續(xù)采煤機(jī)行走變頻系統(tǒng)框圖

      2 行走變頻系統(tǒng)的優(yōu)化

      在我國(guó),連續(xù)采煤機(jī)大多應(yīng)用于千萬噸煤礦巷道的拓展和房柱式開采作業(yè),工作環(huán)境較為惡劣。在作業(yè)面中,連續(xù)采煤機(jī)有著十分頻繁的調(diào)動(dòng),通常應(yīng)用于空頂下[4]。因此,與其他應(yīng)用于工頻狀態(tài)下的非移動(dòng)電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)相對(duì)比,變頻系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)速度調(diào)整及牽引功率的相關(guān)要求,而且還需要對(duì)空間、維護(hù)量等多個(gè)方面加以考慮。

      連續(xù)采煤機(jī)行走變頻系統(tǒng)中所運(yùn)用到的元件均設(shè)置于隔爆型變頻器箱內(nèi),其中主要有逆變單元、電抗器等等,可以完成母線電壓力輸出電流的檢測(cè)、通信等多項(xiàng)功能,變頻器箱的構(gòu)造如圖3所示。電氣控制箱與裝運(yùn)、截割等電機(jī)相連接,變頻器則與行走電機(jī)相連接,通過行走減速器來帶動(dòng)采煤機(jī)內(nèi)部的履帶,以完成采煤機(jī)的一系列活動(dòng)。

      圖3 連續(xù)采煤機(jī)變頻器箱

      變頻器箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要將檢測(cè)機(jī)構(gòu)、整流電容、電抗器等分散地設(shè)置于電控箱中。IGBT功率部件存在較大的熱量,其配置于電控箱的后板上部,利用后板上的循環(huán)水來進(jìn)行冷卻。整流電容、電抗器等各個(gè)部件分別設(shè)置于變頻器箱的底板上。采用這樣的設(shè)置形式,可以使各個(gè)部件的分布簡(jiǎn)單明了,有助于樣機(jī)的維護(hù)和調(diào)試,在開展工業(yè)性試驗(yàn)的過程中有著十分重要的作用。但應(yīng)用這種設(shè)計(jì)方案也存在一定的缺陷,各個(gè)電氣元件之間利用走線形式進(jìn)行連接,控制箱內(nèi)部存在較多的功率元件,并且排列與接線較為繁瑣,對(duì)變頻系統(tǒng)的安裝、調(diào)試及維護(hù)造成了較大的難度,同時(shí)也無法確保變頻器的系列化及可轉(zhuǎn)移性[5]。

      為了使變頻系統(tǒng)的維護(hù)工作量減少和可靠性提升,同時(shí)實(shí)現(xiàn)行走系統(tǒng)所具有的控制要求,對(duì)該采煤機(jī)內(nèi)部的行走系統(tǒng)進(jìn)行集中式優(yōu)化。對(duì)變頻系統(tǒng)進(jìn)行綜合考慮,大部分電力元件分別與工頻系統(tǒng)中的電力元件安裝于不同的系統(tǒng)中,并且對(duì)于變頻器而言,其控制與檢測(cè)系統(tǒng)與工頻供電系統(tǒng)相互獨(dú)立,可以有效封裝變頻系統(tǒng)中的各個(gè)元件,利用功率母排將整流與逆變單元進(jìn)行集中連接。行走系統(tǒng)在優(yōu)化之后,其框架圖如圖4所示,變頻器箱的內(nèi)部構(gòu)造如圖5所示。

      圖4 優(yōu)化后行走變頻系統(tǒng)框圖

      圖5 優(yōu)化后變頻器箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

      變頻器內(nèi)部可以將驅(qū)動(dòng)電路、整流部分、逆變部分等完全封裝于不銹鋼機(jī)殼中。外部接口是工頻1 140 V電源及控制訊號(hào),物理接口則運(yùn)用快插接頭。

      變頻器在優(yōu)化完成之后,供電電源AC1 140 V經(jīng)過三相電抗器之后連接到變頻器中,行走系統(tǒng)所發(fā)出的控制信號(hào)在經(jīng)過電控系統(tǒng)內(nèi)部的PLC之后,利用CAN通信形式將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩信號(hào)傳送到變頻器中,變頻器也可以利用該通信形式將各種故障代碼傳送到PLC中,之后再在人機(jī)界面上加以顯示[6]。對(duì)于該采煤機(jī)中的電控系統(tǒng)而言,行走變頻系統(tǒng)就如同一個(gè)黑盒子。在經(jīng)過優(yōu)化之后,該封裝式的結(jié)構(gòu)形式將有助于開展現(xiàn)場(chǎng)檢修工作,當(dāng)變頻器產(chǎn)生故障之后,不需要再耗費(fèi)時(shí)間及精力來仔細(xì)排查變頻系統(tǒng)中的功率部件及相應(yīng)故障,只需要將變頻器看做是電氣元件來進(jìn)行更換,極大提升了工作效率,縮短了空頂狀態(tài)下的時(shí)間。

      3 行走變頻系統(tǒng)優(yōu)化的關(guān)鍵問題

      (1)集成設(shè)計(jì)

      由于連續(xù)采煤機(jī)對(duì)變頻器提出了較高的要求,如較高的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和較大的拖動(dòng)負(fù)載功率,因此其必須應(yīng)用功率較大的電力電子元件,并且變頻器中強(qiáng)電與弱電、動(dòng)力電源與控制信號(hào)共同存在。如何將這些集中分裝為一體,并且與使用需求相符,為變頻器的集成封裝造成了一定難度,這是改善變頻器的核心內(nèi)容[7]。

      (2)復(fù)合母排設(shè)計(jì)

      采取復(fù)合母排來取代傳統(tǒng)配線。傳統(tǒng)原直導(dǎo)線大約存在0.8 nH/cm的寄生電感,因此IGBT變頻器所具有的連接長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)小于40 cm。而因受到有限空間的制約,隔爆型變頻器箱不能進(jìn)行平直布線,在布線的時(shí)候極易超出標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度,導(dǎo)致寄生電感出現(xiàn)超標(biāo)狀況。通過運(yùn)用復(fù)合多層母排的方法,IGBT整流、電容等各個(gè)電位的功率元件可以相互連接,運(yùn)用足夠的空間就可以完成連接,極大降低了成本、提高了效率,同時(shí)其還具備一定的優(yōu)勢(shì),如阻抗、感抗、功率損耗和電壓降均較低等。變頻器經(jīng)過改善之后,在運(yùn)用復(fù)合母排的時(shí)候,其導(dǎo)電層選用了導(dǎo)電率較高的銅材料,絕緣層則選擇了介電系數(shù)與擊穿電壓均較高的材料。

      由于復(fù)合母排所具有的特征及優(yōu)勢(shì),使其生產(chǎn)出的變頻器可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)采煤機(jī)的規(guī)?;a(chǎn),同時(shí)減少裝配失誤,提升生產(chǎn)效率。

      (3)散熱結(jié)構(gòu)

      在使用變頻器的過程中,大約有2%~3%的電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?,這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了其他電器設(shè)備所形成的熱量。在連續(xù)采煤機(jī)中,其行走變頻系統(tǒng)存在較多的IGBT、較大的功率,并且全部封裝于一起,不具有充足的散熱空間。在早期的行走變頻系統(tǒng)中,其所運(yùn)用的冷卻形式是利用導(dǎo)熱硅脂將IGBT直接分布在電控箱的后板上,運(yùn)用循環(huán)冷卻水的形式來分散熱量。在將連續(xù)采煤機(jī)的變頻系統(tǒng)加以改善之后,運(yùn)用陣列形式將IGBT分布于已完成封裝的變頻器底板中,并將該底板安裝于變頻器箱的后板中,中間需要均勻地涂抹導(dǎo)熱硅脂。通過運(yùn)用這種散熱形式,可以改善散熱不均的問題,增加散熱的效率[8]。

      此外,在已經(jīng)封裝的變頻器內(nèi)部,應(yīng)當(dāng)將控制單元及驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)行分區(qū)排列,并運(yùn)用相應(yīng)的措施來降低變頻內(nèi)部的接線率,促進(jìn)散熱,使變頻器的溫升降低。

      (4)功率因數(shù)、諧波抑制

      變頻器系統(tǒng)在改善之后,其要求功率因數(shù)必須超出0.9,減少無功功率的消耗,同時(shí)諧波必須達(dá)到安標(biāo)及公用電網(wǎng)諧波的要求,其中電壓總諧波產(chǎn)生畸變的概率應(yīng)當(dāng)小于4%。

      4 結(jié)束語(yǔ)

      在連續(xù)采煤機(jī)中,其內(nèi)部安裝的行走電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)由交流變頻器轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷髡{(diào)速系統(tǒng)。從第一臺(tái)連續(xù)采煤機(jī)下線之后,我國(guó)所用連續(xù)采煤機(jī)中的行走變頻系統(tǒng)已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)樗南笙拮冾l系統(tǒng),并且對(duì)其工藝與設(shè)計(jì)進(jìn)行了改善。通過實(shí)踐表明,連續(xù)采煤機(jī)內(nèi)部的行走變頻系統(tǒng)在經(jīng)過改善之后,其生產(chǎn)效率得到了極大提升,行走系統(tǒng)在作業(yè)面空頂狀態(tài)下的服務(wù)時(shí)間得以降低,同時(shí)公用電網(wǎng)的各個(gè)要求得到滿足。該型號(hào)的四象限變頻器不僅可以實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的應(yīng)用需求,而且在采煤機(jī)優(yōu)化項(xiàng)目及梭車中有著廣泛運(yùn)用。

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