连续型采煤机行走变频系统优化设计

杨 鹏

（西山煤电（集团） 白家庄矿业有限责任公司，太原 030022）

0 引言

在采煤机的构成中，连续采煤机行走单元是其核心部分，采煤机所有的牵引力及截割力从可维护性、成本、有效性等多个方面对行走单元提出了较高的要求。随着电液技术的飞速发展，连续采煤机所运用的行走驱动技术也得到了极大提升，行走单元所采用的驱动形式也由以往的液压及直流电机驱动转变为交流变频驱动。随着该驱动技术在煤矿机械设备的深入应用，行走单元又开始运用四象限交流变频器，这不仅可以极大降低因制动因素所导致的能量消耗，而且在减速环节实现了能量回馈电网的目标，进而实现了环保节能的目的。该采煤机的行走变频系统设计方案也需要经过一系列改善创新[1]。通过开展相应的验证试验，行走变频器及相关的电气系统在经过改善之后具备较高的稳定性、有效性，故障发生率极大降低，有助于售后，可以应用于矿井下连采工作面较为恶劣的条件及环境下。

1 行走变频系统设计

连续采煤机所安装的电气系统主要由变频调速和电控两个系统构成，对应安装于连续采煤机上的为两个隔爆型电控箱：变频器箱和电气控制箱。电气控制箱所处部位为连续采煤机的右前方，其作用是对截割电机进行控制等，变频器箱则处于连续采煤机的左后方，其作用在于对行走电机进行控制。

矿井供电系统1 140 V经过馈电开关或者移动变压器之后连接到电气控制箱中，变频箱中存在的相应供电应当从电气控制箱接入，从而为变频器箱提供1 140 V的动力电能，同时变频器利用变频器箱将其控制及反馈信号连接到电气控制箱，如图1所示。另外，电气控制箱还可以与驾驶室内部设置的显示及操作单元相互通信，实现交互显示及操作[2]。

图1 连续采煤机电气系统

该电气系统的驱动单元共设置了8个电机，分别为液压、装运、除尘、牵引等机构提供充足的动力，以达到截割、装煤等各项功能。行走电机所有的额定电压及功率分别为1 140 V和55 kW。电气控制箱内部所安装的机构主要为断路器、保护元件等，以完成主令与辅助控制、关合等多项功能。

连续采煤机所安装的变频系统采用了交流与直流相互转换的模式，运用可靠性较高的IGBT作为主控元件，其具备较多的优势，如较小的启动电流、较大的输出力矩等[3]。变频系统中的硬件构成主要有电源、通讯、讯号检测等多个板块，其构架图如图2所示。

1 140 V三相交流电在流经电抗器之后，再传输到IGBT的整流部分来进行整流，经过IGBT的逆变单元之后，对行走单元发挥驱动动作。输入交流1 140 V在经过电源转换电路及变压器之后，为各个电路提供电源。

该行走变频系统运用了四象限变频器，整流部分采用了全控型IGBT功率元件。该变频系统可以将交流与直流进行相互转变，促使电能实现双向传输。该特点可以有效地解决采煤机下坡过程中发生的因行走电机发电所造成的变频器过压状况，同时也可以完成电气制动，并且可以确保制动能量回馈至电网中。同时，即便电网不存在过高的电压，四象限变频器可以形成1 140 V的输出电压，确保电机可以输出转矩。基于进线电压为1 140 V的交流，IGBT所具有的耐压应当超出母线电压的两倍，搭配3 300 V反向重复峰值电压与220 A正向直流电流的IGBT。

图2 连续采煤机行走变频系统框图

2 行走变频系统的优化

在我国，连续采煤机大多应用于千万吨煤矿巷道的拓展和房柱式开采作业，工作环境较为恶劣。在作业面中，连续采煤机有着十分频繁的调动，通常应用于空顶下[4]。因此，与其他应用于工频状态下的非移动电机拖动系统相对比，变频系统不仅可以实现速度调整及牵引功率的相关要求，而且还需要对空间、维护量等多个方面加以考虑。

连续采煤机行走变频系统中所运用到的元件均设置于隔爆型变频器箱内，其中主要有逆变单元、电抗器等等，可以完成母线电压力输出电流的检测、通信等多项功能，变频器箱的构造如图3所示。电气控制箱与装运、截割等电机相连接，变频器则与行走电机相连接，通过行走减速器来带动采煤机内部的履带，以完成采煤机的一系列活动。

图3 连续采煤机变频器箱

变频器箱的内部结构主要将检测机构、整流电容、电抗器等分散地设置于电控箱中。IGBT功率部件存在较大的热量，其配置于电控箱的后板上部，利用后板上的循环水来进行冷却。整流电容、电抗器等各个部件分别设置于变频器箱的底板上。采用这样的设置形式，可以使各个部件的分布简单明了，有助于样机的维护和调试，在开展工业性试验的过程中有着十分重要的作用。但应用这种设计方案也存在一定的缺陷，各个电气元件之间利用走线形式进行连接，控制箱内部存在较多的功率元件，并且排列与接线较为繁琐，对变频系统的安装、调试及维护造成了较大的难度，同时也无法确保变频器的系列化及可转移性[5]。

为了使变频系统的维护工作量减少和可靠性提升，同时实现行走系统所具有的控制要求，对该采煤机内部的行走系统进行集中式优化。对变频系统进行综合考虑，大部分电力元件分别与工频系统中的电力元件安装于不同的系统中，并且对于变频器而言，其控制与检测系统与工频供电系统相互独立，可以有效封装变频系统中的各个元件，利用功率母排将整流与逆变单元进行集中连接。行走系统在优化之后，其框架图如图4所示，变频器箱的内部构造如图5所示。

图4 优化后行走变频系统框图

图5 优化后变频器箱内部结构图

变频器内部可以将驱动电路、整流部分、逆变部分等完全封装于不锈钢机壳中。外部接口是工频1 140 V电源及控制讯号，物理接口则运用快插接头。

变频器在优化完成之后，供电电源AC1 140 V经过三相电抗器之后连接到变频器中，行走系统所发出的控制信号在经过电控系统内部的PLC之后，利用CAN通信形式将转速转矩信号传送到变频器中，变频器也可以利用该通信形式将各种故障代码传送到PLC中，之后再在人机界面上加以显示[6]。对于该采煤机中的电控系统而言，行走变频系统就如同一个黑盒子。在经过优化之后，该封装式的结构形式将有助于开展现场检修工作，当变频器产生故障之后，不需要再耗费时间及精力来仔细排查变频系统中的功率部件及相应故障，只需要将变频器看做是电气元件来进行更换，极大提升了工作效率，缩短了空顶状态下的时间。

3 行走变频系统优化的关键问题

（1）集成设计

由于连续采煤机对变频器提出了较高的要求，如较高的启动转矩和较大的拖动负载功率，因此其必须应用功率较大的电力电子元件，并且变频器中强电与弱电、动力电源与控制信号共同存在。如何将这些集中分装为一体，并且与使用需求相符，为变频器的集成封装造成了一定难度，这是改善变频器的核心内容[7]。

（2）复合母排设计

采取复合母排来取代传统配线。传统原直导线大约存在0.8 nH/cm的寄生电感，因此IGBT变频器所具有的连接长度应当小于40 cm。而因受到有限空间的制约，隔爆型变频器箱不能进行平直布线，在布线的时候极易超出标准长度，导致寄生电感出现超标状况。通过运用复合多层母排的方法，IGBT整流、电容等各个电位的功率元件可以相互连接，运用足够的空间就可以完成连接，极大降低了成本、提高了效率，同时其还具备一定的优势，如阻抗、感抗、功率损耗和电压降均较低等。变频器经过改善之后，在运用复合母排的时候，其导电层选用了导电率较高的铜材料，绝缘层则选择了介电系数与击穿电压均较高的材料。

由于复合母排所具有的特征及优势，使其生产出的变频器可以实现连续采煤机的规模化生产，同时减少装配失误，提升生产效率。

（3）散热结构

在使用变频器的过程中，大约有2%～3%的电能转变为热能，这远远超出了其他电器设备所形成的热量。在连续采煤机中，其行走变频系统存在较多的IGBT、较大的功率，并且全部封装于一起，不具有充足的散热空间。在早期的行走变频系统中，其所运用的冷却形式是利用导热硅脂将IGBT直接分布在电控箱的后板上，运用循环冷却水的形式来分散热量。在将连续采煤机的变频系统加以改善之后，运用阵列形式将IGBT分布于已完成封装的变频器底板中，并将该底板安装于变频器箱的后板中，中间需要均匀地涂抹导热硅脂。通过运用这种散热形式，可以改善散热不均的问题，增加散热的效率[8]。

此外，在已经封装的变频器内部，应当将控制单元及驱动单元进行分区排列，并运用相应的措施来降低变频内部的接线率，促进散热，使变频器的温升降低。

（4）功率因数、谐波抑制

变频器系统在改善之后，其要求功率因数必须超出0.9，减少无功功率的消耗，同时谐波必须达到安标及公用电网谐波的要求，其中电压总谐波产生畸变的概率应当小于4%。

4 结束语

在连续采煤机中，其内部安装的行走电气驱动系统已经由交流变频器转变为直流调速系统。从第一台连续采煤机下线之后，我国所用连续采煤机中的行走变频系统已经转变为四象限变频系统，并且对其工艺与设计进行了改善。通过实践表明，连续采煤机内部的行走变频系统在经过改善之后，其生产效率得到了极大提升，行走系统在作业面空顶状态下的服务时间得以降低，同时公用电网的各个要求得到满足。该型号的四象限变频器不仅可以实现采煤机的应用需求，而且在采煤机优化项目及梭车中有着广泛运用。