電牽引采煤機變頻器的優化研究

于 卿

（大同煤礦集團華盛萬杰煤業有限公司， 山西 河津 043300）

引言

進行回采作業時會產生高濃度的粉塵、水和振動等，電牽引采煤機在這種環境中工作容易出現各種故障：電控箱的密封圈出現老化容易出現密封失效，粉塵和水就會滲入變頻器中，造成變頻器中的電路發生短路而發生損壞；進行割煤的過程中，截齒與煤壁之間摩擦產生的振動傳到變頻器容易使變頻器內部接線柱的支撐腿脫落或者其他電子元件掉落等[1]。因此，對電牽引采煤的變頻器進行優化改進。

1 優化基本原則

1）由于電牽引采煤機屬于大功率用電設備，采煤機的變頻器工作時會產生大量的熱量，因此必須進行散熱設計。但是電牽引采煤機的電控箱采用的都是密閉的箱體結構，因而不能采用工業上常用的風冷式散熱，只能選擇水冷式散熱來帶走變頻器在工作時產生的大量熱量。

2）將變頻器的內部分為上、下兩層。把電容器、接觸器這類比較重的電子元件安設在下部，將驅動電路板、控制電路板和IGBT模塊這類相對較輕和發熱量較大的電子元件安置在上部。上部通過支撐柱與下部連接固定，并且在支撐柱的兩端加裝隔振墊以盡可能地避免上下層之間的振動。下層通過裝有隔振墊的螺栓固定在電控箱內。

3）壓緊固定螺栓避免在受到振動時發生松動打火，對電路安全的造成威脅。

4）安裝插接件時應注意其插接方向和插接位置，否則會引發安全事故。如電容反接后通電會發生爆炸，IGBT模塊插在錯誤的位置會炸裂。并且在拔插頭時注意不能暴力拉扯，以防線與插頭松動脫落。

5）變頻器內部的精密電路板和電子元件，容易受靜電干擾，因而安裝或拆卸變頻器時工人應做好消除靜電的措施。

2 散熱優化

高溫不僅會降低電子元件的工作性能還會縮減其使用壽命，其中半導體受到的影響尤其明顯。因為半導體幾乎所有額定性能都是在特定溫度條件下才能實現的，如果溫度過高很可能會直接導致半導體元件失效破壞[2]。因此對變頻器中半導體元件進行散熱尤為重要。可以通過在散熱鋁板上安設IGBT模塊來加速其的散熱速度。并且在IGBT模塊的下部涂上導熱硅脂，以減小IGBT模塊與散熱鋁板之間的熱阻（可以降低25%～30%的熱阻）。優先選用導熱性能較好的鋁合金作為散熱鋁板，綜合鋁板散熱性能和鋁板強度等因素，選用厚度在15～20mm的散熱鋁板。并且在散熱鋁板的底層也應鋪設一層導熱硅脂，以減小變頻器與電控箱之間的熱阻。

在變頻器通電工作時，內部的交流電抗器和IGBT模塊會產生大量的熱量，尤其是采煤機進行荷載較大的作業時產生的熱量更多。在對變頻器進行封裝時應將交流電抗器隔離在變頻器的外部，并且使交流電抗器與變頻器之間的距離盡可能地遠離，以削弱電抗器產生的熱量對變頻器內電子元件性能的負面影響。

3 抗振優化

1）電容器通過下部的支撐腿固定，上部加設用固定螺栓與安裝底板連接的壓塊或壓板，并且在壓塊或壓板與電容器之間設有緩振膠墊，上下同時加固避免支撐腿斷裂。

2）因為質量較大的物體振動時產生更大的影響，因此把質量較大的元件優先安設在下層，質量較輕的則可以安設在上部。

3）對變頻器進行組裝時，所有的固定螺栓上加裝隔振墊，容易被振斷、振落或振松元件的連接部位必須涂有加固膠。

4）將電控箱內固定變頻器的底板做成傾斜的，對應變頻器的底板也做成相契合的斜面，依靠兩個斜面的壓接再次削弱變頻器受到的振動。

4 性能調試

經過優化改裝后的變頻器必須經過相應的調試才能進行安裝使用。根據行業規范，必須進行如下實驗：

1）過載測試。通電后調節變頻器至額定輸出頻率，然后進行緩慢加載。測試變頻器持續1 min輸出120%的額定電流是否會出現故障。

2）絕緣測試。在確保主回路對地和相間的絕緣正常的情況下，根據變頻器的工作電壓選用500 V或1000 V的搖表進行絕緣測試。

3）恒功率調速性能測試。接入變頻器額定電壓95%～110%的電源，設定變頻調速裝置的輸出頻率為最高的70 Hz，使其從空載緩慢加載至額定的功率，隨后繼續加大負載，測試轉速的變化是否正常（正常情況下轉速會降低至額定轉速的97.5%及以下）。

4）恒轉矩調速性能測試。接入變頻器調速裝置額定電壓95%～110%的電源，設定變頻調速裝置的輸出頻率為50 Hz，使其從空載緩慢加載至額定的轉矩，隨后繼續加大負載，測試轉速是否正常（正常情況下轉速會降低至額定轉速的97.5%及以下）[3]。

5）散熱能力測試。設定變頻器的輸出頻率為50 Hz，通過對行走電動機直接加載調整電動機的轉矩到額定轉矩。使變頻器的溫度逐漸上升，最后達到一個穩定值（一般設定變頻器溫度的變化速度小于1 k/h時的溫度為穩定值）。

6）通信測試。剛組裝完成的變頻器不能直接安裝到采煤機的電控箱內，需要對變頻器的參數進行修正（修正依據為變頻器的控制方式、通信協議和電動機的參數等）。對變頻器與上位機之間的通信情況進行測試，在確定正常通信后還必須對電動機進行變速測試，以保證變頻器所有控制功能的實現[4]。

5 安裝注意事項

1）首先檢查電控箱的底板是否平整，若不平整需鋪設一層導熱硅脂來減小熱阻以避免因不平整的底板阻礙散熱。

2）在變頻器與電控箱底板連接用的固定螺栓上加裝隔振墊，如果條件允許在變頻器上部加設用固定螺栓與安裝地板連接的壓塊或管板，并且在壓塊或壓板與變頻器連接處設有緩振膠墊，上下同時加固來減小振動。

6 結論

1）由于采煤機工作環境限制采煤機的牽引裝置要高強度小體積；

2）變頻調速裝置是最為實用的采煤機牽引部的調速裝置；

3）通過在采煤機牽引部行星裝置的末級上安裝油膜離合器來對機械傳動進行緩沖；

4）采煤機的各個裝置要在滿足必要功能的基礎上，盡可能地減小牽引部分所占的空間，以保證采煤機的牽引部足夠靈活。