防爆异步变频调速一体机在黄陵二号煤矿的应用

杨 波，吴 宁

(陕西黄陵二号煤矿有限公司，陕西 延安 727303)

0 引言

当前，刮板机是现代化高产高效采煤工艺中不可缺少的主要设备，不仅是运送工作面煤流，还是采煤机的运行轨道。刮板机牵引技术由原有的链牵引向现在的无线牵引方向发展，由液压牵引到电牵引进步，由电牵引的刮板机相比液压牵引来说具有显著优势，因此各国均研发了不同类型的电牵引刮板机。刮板机采集电牵引有2种方式：交流电牵引和直流电牵引。直流电牵引是利用直流电动机的直流调速系统，交流电牵引是通过鼠笼式异步电动机实现变频调速系统，相对来说直流电牵引易于控制、调速性能良好。但直流电机由于体积较大，设计结构复杂，同时由于防爆原因导致整流子和碳刷部位长时间接触会产生热量，磨损较明显，减少碳刷的使用寿命，可靠性能较差，在井下维修难度高，工作人员的工作量较大。交流电牵引的方式采用的是鼠笼式电动机，其整体设计结构小，防爆结构简单，在运行过程中具有可靠性，使用寿命时间长，维修难度高。在交流电动机变频调速系统中，目前存在难度较大。因此，交流变频调速电牵引式是未来的主要发展方向。

1 黄陵二号煤矿综采工作面地质情况及设备配套

近年来，矿井采用综采工作面倾向长度按照300.5 m设计，走向长度按照4 200～5 200 m设计，煤层厚度2.7～3.3 m，平均厚度3.0 m，属超长走向中厚煤层综采工作面，矿井综采设备的配套与选型根据煤层地质条件确定，其中刮板运输机应保证工作面落煤生产能力需要，确定结构型式与采煤机相配套，输送机槽的结构与工作面底板条件适应，并能够与采煤机底托架和行走部机构尺寸匹配，工作面配套设备见表1。

表1 刮板一体机相关配套设备Table 1 Related equipment of scraper integrated machine

2 防爆异步变频调速一体机

2.1 变频一体机工作原理

防爆异步变频调速一体机的电机采用单绕组单转子结构，内部绕组布置规律、简单，电压等级3 300 V，采用外壳水冷式作为冷却方式。从变频调速一体机的运行原理上来看，变频调速系统是“交—直—交”变压变频调速系统，利用牵引变压器将交流高压转为交流低压，不可控整流器可通过三相工频交流电变为相对恒定的直流电，经过大功率晶体管或者IGBT构成逆变器，并进一步将其变为可变电压或可变频率交流电，实现牵引电机的无级调速，对于逆变器来说是由微机使用等幅正弦波脉宽调制法实现有效控制的，通过改变逆变器中各桥臂功率管交替导通的时间进一步改变波形输出的频率，进而改变触发脉冲宽度及输出电压幅度。变频调速一体机具有过电流、过负荷和过电压，熔断式切断电源异常控制以及CPU电路异常保护等相关功能，当处于任意保护功能动作时会停止变频器运行，并利用数码管显示故障状态。在变频调速一体机处于正常运行状态时参数能够在数码管中显示，并利用数字面板设置系统操作、修改运行参数。

2.2 变频一体机功能

变频调速一体机从电气结构上是由变频部分和电动机部分构成，变频部分为主控器。主回路中变频调速一体机使用12脉冲整流的方式是交直交电压型的变频器，电源经过接收器、电抗器之后能够再次经过整流成为直流，在直流支撑电容滤波稳压之后，可以利用IGBT构成逆变电路，进而能够将直流电变为频率可调性交流电。主控器是整个变频设备的重要部分，能够用于指令发送、信息处理控制、采集实时信号，通过运算之后能够形成IGBT的驱动信号。通过驱动单元实现数据交换，此外能够将变频器的不同信息经过处理之后在显示屏中显示，除此之外，还能够用于接收外部操作指令，实现一体机的操控运行。对于驱动单元来说，驱动单元能够用于接收主控制器的指令，经过信号放大之后，可生成PWM信号，再次经过光纤进行IGBT导通以及关闭控制，同时还能够实现电流，电压等信息的预处理，并进一步对IGBT实现短时间的保护显示。变频调速一体机具有良好性能的LED显示屏可以通过通讯线用于主控机实时信息的接收，并在显示屏中显示。在变频调速一体机处于正常运行过程中，可以实时显示电流，电压以及功率等相关参数，当变频调速一体机出现故障之后，可以立即采取保护动作并显示相对应的故障信息。对于外部循环水冷系统，该系统需要结合实际情况配有2种配置，一是使用外部循环水泵，水箱构成闭环冷却系统；二是在不使用水箱的基础上可以由供水管路经过减压阀向变频机中进行，冷却水的提供由开放式直接排出作为出水方式，该方式要求供水压力低于3 MPa。对于变频单元的附属电路来说，该电路中包含保护电路、变频器的操作控制电路，需要有直流接触器输入输出电路以及控制变压器。

3 在刮板机中变频调速一体机的应用

3.1 液力耦合器配置情况

黄陵二号煤矿中厚煤层工作面原刮板运输机采用可调速液力耦合器驱动方式，装机功率3×800 kW，运输能力在近水平条件下达到2 200 t/h，原转载机采用可调速液力耦合器驱动方式，装机功率525 kW，运输能力在近水平条件下达到3 500 t/h。

3.2 新配套变频一体机情况

在工作面新配套设备上，运输机采用YJVFG-450M1-4T(855/3300)型变频调速一体机(三用一备)，转载机采用YJVFG-450M2-4T 525kW/3300V型变频调速一体机(一用一备)，可实现刮板运输机和转载运输机的重载平滑起动，消除设备启动时的机械与电气冲击；分别控制3台刮板运输机一体机和转载机一体机的联合运行或单机运行；具有多机联动控制和功率平衡调节功能，一体机之间和控制器之间采用CAN总线通信协议进行通信，刮板运输机一体机之间转矩不平衡度小于2%。

3.3 液力耦合器与变频一体机对比

工作面刮板运输机、转载机配套驱动方式是阀控调速型液力耦合器，具有柔性传动自动适应、柔性制动减速、改善动力机启动能力等优势，但需要压力缓冲装置、占地面积较大、调速范围相对较窄，与离心机械匹配调速范围为1～1/5，与恒力矩机械匹配调速范围为1～1/3。而变频调速一体机不仅可以避免占比面积过大、谐波干扰大以及电磁污染的问题，而且由于整合简化了设备，传动效率得以大幅提升，节电效果好。

通过组合开关能够对变频调速一体机的电源通道进行有效控制，并配合刮板机实现对变频调速一体机故障、温度及运行状态进行实时监测，以及启动和停止的控制。进入检修状态或刮板机停电时，需要对刮板机的开关采取停电闭锁的方式。①刮板机采取变频驱动的方式使刮板机链条磨损程度减小，没有瞬间启动较大速度，减少链条的冲击力，延长链条和接链环的使用周期，同时，可根据实际情况和煤量适当调节启动时间。②由于启动相对平缓，会降低机械设备在传动过程中的磨损与产生的噪声。③配合使用监测操作箱，能够便于观察刮板机的实际运行情况和检查其故障代码，并及时改变一些参数，以实现系统机位单电机的反转和启动。④对于刮板机可降低能源消耗，并减少电能消耗。

4 交流变频一体机电牵引问题分析

对于机载以及非机载的问题来说，在处于交流电牵引过程中能够将变频调速一体机安装于刮板机及机载系统中，而将变频调速一体机与牵引变压器同时安装在顺槽中，则是利用刮板机和电缆连接即非机载系统。相对来说两者各有优缺点，机载系统能够实现机器与变频调速一体机的有效隔离，刮板机体积较小，对于工作面具有良好的适应性，能够防止由于刮板机震动导致对变频器产生的不良影响，防止信号干扰，且易于处理变频器的冷却问题，便于维护检修。而对于非机载系统来说需要利用电缆与刮板机连接，在刮板机运行中牵引电缆很容易出现弯曲疲劳损伤或者接地短路等问题，除此之外，变频器漏电保护也是重要问题，由于辐射电缆较长，从变频器的输出到电动机输入压力降相对较大，尤其在处于低频状态时压力降所占比重是比较大的。在处于变压器低频状态时应当及时采取低压提升补偿措施。机载系统取消牵引电缆，通过相对静止的短电能够及时将变压器输出传送到牵引电机中，具有较高的传输效率和良好的低频性能，能够发挥变频器的性能。在机身中安装变频器显示屏能够便于工作人员实时观察，但相对来说机载系统在防震系统方面相对较差，与控制设备具有较大的干扰，冷却系统设计难度高。

针对变频器的选择以及相关控制问题，对于交流电牵引刮板机来说变频器是其重要核心部位，其性能将会直接影响整个设备的可靠性以及相关性能。刮板机中使用变频调速一体机主要针对的是煤矿特殊运行环境设计的，无论调速性能或者可靠性能都是比较良好的，而国产变频器设计控制方法相对西方发达国家来说是比较接近的，但在制造、工艺水平等方面存在较大差距，因此对于国产的交流电牵引中采集变频器使用国外定型的变频器，自行设计防爆外壳以及冷却系统构成了国产的电牵引交流调速一体机。但这种变频器并不适用于任意装载机工况，需要结合实际情况选择合适的变频器。如变频器容量有较大裕量，通常选择额定功率高于1.5倍的电机，除此之外，变频机具有较强的扩展能力。在电压输入波动下应当具备稳压功能，在低频状态时需要具有电压提升功能，使非机载系统存在较大的低频压降。对于控制方面来说，变频器属于一种复杂控制系统，能够实现与直流系统相适应的调速功能，同时还具备一定保护功能，可通过控制面板进行参数的设置、修改，利用显示器能够实时观察变频器的运行状况，能够使工作人员及时了解采集的运行情况和相关参数，便于及时调节。

5 结语

总而言之，目前变频调速一体机技术在刮板机中的应用已经获得一定成果，随着未来微电子技术以及电力电子技术的发展，将会使变频调速一体机获得更加可靠和完善的性能，使国内变频机的开发推广迈向新征程。变频调速一体机具备良好的传动效率以及较高的智能化水平，可以有效提升设备的运行效率和稳定性，实现节能降耗以及智能调控，但在变频过程中需要防止电磁干扰，未来将会针对这一方面进行解决，使其更好地为煤矿生产提供服务。