变频器四象限在采煤机中的应用

耿 彪 廉雨晨 许国权

（北方重工集团有限公司，辽宁 沈阳 110141）

一、引言

在我国煤矿资源丰富，但煤矿结构复杂开采难度较大，其中大坡度煤层又占据了很大一部分。当采煤机在较大坡度上工作时，由于采煤机自身重量很大，会产生一个较大的下滑力。当采煤机向上爬坡时，要求采煤机电机牵引力足够大，使采煤机能够稳定上行。当采煤机向下行走时，要求采煤机有足够的制动力，来防止采煤机产生下滑跑车现象，在这种工作状态下采煤机的牵引电机处于发电状态，产生电能向电网回馈能量，因此为了采煤机能够稳定可靠的工作，并且消除谐波污染，变频器四象限的应用就成为了一个技术发展的方向。

二、采煤机在大坡度煤层时的受力情况

采煤机在大坡度煤层向下作业时，考虑空载下行时采煤机所需要的电机制动力最大，此时采煤机的受力情况如图1所示。

采煤机要想平稳下滑， F制= F滑- F磨；

其中 F滑= Gsina = mgsina ；

F磨= N0μ = μmgcosa ；

所以 F制= mgsina –μmgcosa ；

根据功率与力与速度的关系有，

P制= F制×νZ= mg（sina-μcosa）×νZ；

其中：

F制—采煤机下行时所需要的制动力；

F滑—采煤机下行时产生的滑动力；

F磨—采煤机下行时所产生的摩擦力；

P制—变频器所提供的制动功率；

νZ—采煤机下行时的最大速度；

μ—摩擦力因数；

a —工作面坡度；

以我公司生产的MG300/710-WD型采煤机为例，其中采煤机单台牵引电机功率为P=45kW，整机重量为m=34000kg，采煤机摩擦系数μ一般介于0.18～0.25之间，这里取μ= 0.2，假设采煤机工作面坡度为a=30°，工作速度取νZ=0.2m/s，通过上述公式可以得到采煤机所需要的制动功率P制=22kW，当采煤机采用一拖一模式时完全能满足工作需求。

三、牵引电机在变频器四象限的运行情况

电机的工作状态可以分为电动状态和制动状态（即发电状态）。当采煤机牵引电机处于电动状态时，牵引电机把电能转换为机械能，由电网经变频器提供能量；当牵引电机处于制动状态时，电机就会产生持续的电能，电能经变频器直流回路反馈到电网，就会产生连续稳定的电制动力，即再生制动。

图1 采煤机在倾斜工作面下行时的受力情况

图2 牵引电机四象限工作状态

当采煤机在倾斜面向上工作时，牵引电机牵引力大于下滑力，牵引电机处于电动状态，电机的旋转方向和力矩方向相同，采煤机稳定的向上爬坡。牵引电机在达到变频器最大给定速度之前，牵引电机工作在第一象限。当对采煤机进行降频调速时，牵引电机转矩方向就会与电机运行速度方向相反，电机就会从第一象限运行到第二象限，电机状态也从电动状态转换为制动状态，电机获得制动转矩，采煤机降速运行直至速度为零。当采煤机向下工作时，采煤机牵引力方向与力矩方向相同，牵引电机工作在第三象限，当采煤机工作速度大于变频器给定速度时，牵引电机就从第三象限运行到第四象限，产生制动力矩防止采煤机下滑，使采煤机速度稳定，从而实现采煤机变频器四象限运行。牵引电机工作状态如图2所示。

结语

通过四象限变频器在我公司生产的MG300/710-WD型采煤机上成功的应用，对采煤作业的高产高效以及工作环境的适应性得到了很大的提高。同时在实际工作中也对变频器有了更高的要求：

（1）由于采煤机在工作时会产生强烈的震动和冲击，所以要求变频器要有很好的抗震能力。

（2）由于变频器被放置在采煤机电控箱内，密闭的环境要求变频器要有很好的散热性。

（3）煤矿下工作电压波动大，而且变频器输出过电流、短路，牵引电机堵转情况发生频繁，这就要求变频牵引系统具有过压、欠压、过流、短路、过热等一系列保护。

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