煤矿电牵引采煤机变频器的改造思路

田恩波

摘   要：本文以电牵引采煤机变频器为基本探讨对象，从变频器主回路工作过程入手，总结可行的改造思路，提出与该设备性能相适应的技术，例如提高散热性能、提高抗振性能、进行成品调试试验等，以便提升设备的稳定性，在此基础上提升作业效率，为采煤作业提供支持。

关键词：采煤机  变频器  散热性能

中图分类号：TD632.1                              文献标识码：A                       文章编号：1674-098X（2020）03（b）-0051-02

采煤机是煤矿开采作业的重要设备，其所处的运行环境较为恶劣，内部变频器的稳定欠佳，例如电控箱密封圈老化，在此状况下大量粉尘与水将进入到变频器内，使得印刷电路板遭到损坏[1];而在采煤过程中出现的振动现象也会给变频器造成影响，使得电抗接线柱支撑腿稳定性下降甚至断裂。对此，必须从变频器的基本特性出发，提出可行的改造措施，提升变频器的运行稳定性，消除各类故障带来的不良影响。

1  采煤机概况

本文以MG300/720-AWD3 型采煤机为例，该设备是实现自动化开采的关键，可显著提升作业效率。电控系统是整个设备运行的重要支持，可适应于自动化开采需求，该系统采用的是分布嵌入式方案，设置有CAN总线并提供了DSP技术。变频器是采煤机的关键部分，能够起到改良性能的效果。

2  变频器主回路工作过程

变频器为专用的矿用变频器，由ABB公司（Asea Brown Boveri Ltd）的ACS800系列变频器改造而成，其主要由主回路、印刷电路板、显示和控制盘组成。主回路来自牵引变压器的400V交流电，通过一个真空接触器后进入变频器组件。

首先接一交流接触器，另有一限流电阻与接触器主触点并联。接触器输出侧接LCL滤波器组件并与变频器整流回路相连。整流回路由6只IGBT（绝缘栅双极型晶体管）组成桥式电路。整流侧输出端接直流回路，主要由4只大滤波电容组成。直流回路输出侧为逆变回路，主要也由6只IGBT组成桥式电路。逆变回路输出端即为变频器输出端子U、V、W。这样变频器内部主电路由输入到输出可简单描述为：真空接触器-交流接触器-LCL滤波器-整流侧-直流回路-逆变侧-输出端U、V、W。

上电后交流接触器并不立即吸合，三相电源由R、T两相经限流电阻整流后向滤波电容充电。当充电电流小到一定值、直流回路建立足够电压时，交流接触器吸合并将限流电阻短接，此时电路建立起稳定的直流电压，然后经过输出侧IGBT组成的逆变电路将直流电逆变成变频变压的交流电，即VVVF（可变电压、可变频率）电源。此电源接到牵引电机即可调速。当采煤机沿倾斜煤下行时，采煤机的下滑力大于采煤机所受的阻力的情况下，牵引电机的速度将超过同步转速而运行于发电状态，此时发电能量将通过变频器逆变侧的IGBT整流成直流回馈到中间直流回路，然后由整流侧IGBT逆变成交流后回馈给电网，从而产生再生发电制动力矩，有效控制下行速度，实现一、三象限转向。

3  煤矿电牵引采煤机变频器的改造思路

3.1 提高散热性能

IGBT模块在运行中会散发大量热量，对此需选择合适的方式封装变频器[2]，确定交流电抗器的合适位置，需将其置于变频器外部，其该器件与变频器壳体应保持较大的距离，缓解电抗器散热带来的不良影响，确保电子元件的运行稳定性。还需注意的是，在变频器持续运行之下，IGBT模块伴随有持续性的开关现象，此时IGBT模块的发热量也将随之提升。

若变频器内部温度过高，将对各类电子元器件带来损害，这一现象在半导体器件中体现的尤为明显，该器件对于温度尤为敏感，当温度超出合理范围时易出现半导体器件完全损坏的现象。因此，温度控制是确保变频器稳定运行的关键，最为可行的途径则是提升半导体器件的散热性能。基于此，在针对变频器采取封装作业时，需要合理放置IGBT模块，宜将其置于下层散热铝板上，并向其中增设导热硅脂，以发挥出降低热阻的作用。关于散热铝板的选择，较为可行的是铝合金材料，其具有较好的导热性能，具体以20mm厚的散热铝板为宜，在具备较好散热效果的同时可显著提升铝板硬度。在安装散热铝板时依然要在底部增设导热硅脂，此举可提升散热效果，避免因温度过高而引发变频器运行异常的状况。

3.2 提高抗振性能

振动是电牵引采煤机工作状态下无法避免的一种现象，在持续影响之下，电抗接线柱的支撑柱将受到影响，从而出现振断等问题，部分电子元件甚至会直接掉落。对此，需通过可行的措施从根本上提升变频器的抗震性，具体如下分析：

（1）确定交流电抗器的合适安装位置，需要与变频器主机单独放置。

（2）针对电抗器的固定措施较多，在设置固定支撑腿的基础上还需要采取压板螺栓连接的方式，通过在压板下方设置橡胶垫的方式可提升整体抗振能力。

（3）变频器的封装工藝尤为关键，重要较小的器件主要分布在上层，同时将部分大型器件集中放置在下层。

（4）通过设置固定螺栓的方式可以达到固定电路板的效果，但此时必须增设减振垫，处理较脆弱的电子元件可利用加固胶处理，以免在后续运行中受振动的影响而出现振断现象。部分插头与插座易出现松动现象，可通过涂抹加固胶的方式提升其稳定性。

（5）压块是提升变频器稳定性的关键，需设置成斜面形式，并且底板也要采取斜面的方式，通过上述两个斜面的压接可有效缓解振动。

3.3 成品调试试验

变频器经过改装作业后，为确保使用性能需通过调试的方式将其调整至最佳状态，具体内容有。

（1）测试绝缘性。依据变频器的实际特性为之适配合适的摇表并展开测试，若改造后的变频器为380V或460V，需为之选择500V摇表。基于绝缘性测试的方式有助于确保主回路的稳定性。

（2）加载试验。此环节最为关键的便是加载能力与过载能力[3]，若要满足电牵引采煤机的运行需求，变频器的电流必须达到额定值的120%，同时要具备1min内过载的能力。

（3）测试恒转矩调速性能。此环节需要调整好调速装置的运行状态，使其输出频率达到50Hz，随后改变转矩，从空载开始逐步提升最终到达额定值，在此基础上提升负载，此阶段转速需适当降低。

（4）测试恒功率调速性能。调节电源电压，使其控制在额定值的95%～110%的区间内，在此基础上改变调速装置输出频率，要求该值恒定为70Hz，依然从空载开始持续加载当达到指定值后便需要提升负载，此阶段适当降低转速。

（5）测试温升性能。要求变频器输出频率时刻保持在50Hz，持续提升电动机负载，通过此方式可提升变频器输出转速，使其上升至额定值，保持此状态一段时间，使其温度持续上升并达到稳定状态，后续每1h展开一次温度检测，要求变动幅度稳定在1K内。

（6）修改参数并测试。依据实际情况，变频器的参数也需要做出灵活的改变，在此基础上测试，经此改进措施后若变频器处于稳定运行状况，便要通过更改电动机速度的方式做进一步检验，评定变频器是否可以正常控制。

4  结语

综上所述，电牵引采煤机的工作环境较為特殊，通过对变频器改造的方式可提升该设备的运行性能。实际改造工作中需考虑到电控箱结构、参数调整等多个方面，全面确保变频器的运行稳定性。

参考文献

[1] 李剑峰.电牵引采煤机变频器故障分析与处理[J].煤矿机械，2012（2）：189-189.

[2] 任朋飞.电牵引采煤机变频器的改造措施[J].煤矿机电，2017（3）：74-75.

[3] 李立元.电牵引采煤机变频器的改造与试验[J].煤矿机械，2010（10）：162-164.