艾柯夫SL750采煤機變頻調速系統分析與研究

蘇良碧

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艾柯夫SL750采煤機變頻調速系統分析與研究

蘇良碧

（中煤平朔工業集團井工設備維修中心，山西 朔州 036002）

對艾柯夫SL750型采煤機變頻牽引調速系統的組成結構與控制方式進行了分析，分析結果表明，該型號采煤機變頻調速系統采用了帶速度編碼器的矢量控制模式，具有速度響應快、低頻轉矩大、控制精度高的優點；具有良好的恒功率與恒轉矩特性，能滿足采煤機在割煤或者調動狀態下轉矩及速度需求；具有良好的四象限調速性能，能有效地實現大傾角工作面的回饋制動；主從控制能使負荷在采煤機兩套牽引機構中平均分配，有效發揮了兩臺牽引電機的輸出功率。

采煤機；牽引變頻調速；矢量控制；恒轉矩

SL750型采煤機是德國艾柯夫公司于2006年推出的新型采煤機，總裝機功率1 894 kW，采高范圍1.8～4.8 m，最高牽引速度51 m/min。該型號采煤機具有結構緊湊、裝機功率大的優點，適用于中底煤層的開采，目前廣泛應用于中煤平朔、神華神東、淮南礦業等公司的礦井。SL750采煤機采用了目前世界上較為先進的電氣控制技術與變頻調速技術，整個控制系統以IPC工控機為核心，采用CAN模塊作為底層數據采集與執行元件，以CANBUS與PROFIBUS兩種現場總線相結合的方式組成通訊網絡。

牽引電機變頻驅動系統采用帶速度編碼器的矢量控制方式，具有速度響應快、低頻轉矩大、控制精度高的優點。但該類型調速系統組成結構復雜，故障處理難度較其他調速系統要大，據統計，變頻調速系統故障占到了井下采煤機電氣故障的60%以上，因此，對該變頻調速系統運行原理的深刻理解有助于日常采煤機的操作、維護與故障處理，對提高井工礦工作面產量具有重大意義。

1 變頻調速系統組成結構

SL750采煤機變頻調速系統使用的是德國REFU公司所生產的變頻器，該型號變頻器采用的是常用的交-直-交的變頻結構，主要由電抗器、預充電單元、整流單元、中間電容、逆變單元、控制電路板、牽引電機所組成。

1.1 輸入電抗器

輸入電抗器主要用于抑制浪涌電壓與浪涌電流，延長變頻器的使用壽命。同時，變頻器在運行過程中會產生高次諧波，使電源波形產生畸變，影響系統中其他電氣設備的正常運行，電抗器起到防止諧波干擾的作用。

1.2 預充電單元

預充電單元主要起限制電源接通瞬間電容充電電流的作用。電容兩端在電源接通瞬間會產生電流突變，此時，電容相當于短路，如果沒有預充電單元中的電阻對短路電流進行限制，則會損壞整流電路中的功率元器件IGBT。當電容充電完成后預充電單元接觸器動作，充電電阻被旁路。

1.3 整流電路

整流電路的主要作用是將三相交流電轉換為直流電供逆變器進行電源變換，當牽引電機處于再生發電狀態時，整流電路則將回饋到直流側的再生電能回饋到交流電網，起到“逆變”的作用，該電路是由6個IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）所組成的PWM可控整流電路。

1.4 中間電容

變頻器在運行過程中需要相對穩定的直流母線電壓進行電源變換，但整流電路輸出的直流電具有6倍諧波，會使逆變電路輸出的交流電產生紋波，因此，必須通過電容對整流電路的輸出進行濾波，減少電壓或者電流波動，起到穩定直流母線電壓的作用。

1.5 控制電路

控制電路主要由運算電路、檢測電路、控制信號的輸入輸出電路和驅動電路等構成。控制電路主要完成對逆變器的開關控制和頻率控制，對整流電路的電壓控制，對預充電電路進行切換控制，接收編碼器反饋的牽引電機速度信號，解決電壓控制與頻率控制的協調問題，同時完成各種保護功能。

1.6 逆變電路

逆變電路的作用是將整流電路輸出的直流電逆變為頻率可調的交流電，用于驅動牽引電機。逆變電路由6個IGBT所組成，觸發電路通過有規律地控制逆變器中IGBT的導通與關斷，可以得到任意頻率的三相交流電輸出，IGBT導通關斷頻率被稱為開關頻率，當開關頻率達到2 kHz時，變頻器輸出電源波形接近正弦波。

1.7 牽引電機

SL750采煤機采用的是BREUER公司所生產的三相交流異步電動機，電機內部包含電磁抱閘與編碼器，電機功率為90 kW，工作頻率為0～120 Hz，電機轉速為0～1 480 r/min。

1.8 編碼器

編碼器用于采集牽引電機的實際轉速，非接觸式電磁編碼器將牽引電機齒輪的角位移轉換為“0”和“1”的電信號，輸出兩組相位差為90°的脈沖，通過這兩組脈沖不僅可以測量電機的轉速，還可以判斷出電機的旋轉方向。變頻器通過采集到的電機轉速來建立數學模型，并通過該數學模型對電機轉速進行調節，編碼器輸出電壓為10～30 VDC，最大輸出頻率為50 kHz。

2 變頻調速控制方式

2.1 矢量控制

SL750采煤機變頻調速采用的是控制精度更高的矢量控制方式，具體過程是將異步電動機的定子電流矢量分解為產生磁場的電流分量（勵磁電流）和產生轉矩的電流分量（轉矩電流）分別加以控制，并同時控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以稱這種控制方式為矢量控制方式。SL750采煤機采用矢量控制方式可使牽引電機有很寬的調速范圍（0～3 535 rpm），同時可以控制牽引電機的轉矩（0～582 Nm），電機速度控制更加精確。

2.2 恒轉矩與恒功率控制

采煤機在工作采煤過程中，需要根據被破落煤的截割阻抗和工作面工況條件的變化，不斷調節牽引速度的大小，該速度值稱為工作牽引速度；采煤機還需要在不割煤的狀態下以較高的速度在工作面上移動，該速度被稱為調動牽引速度，采煤機在割煤和調動的過程分別利用到電機的恒轉矩特性與恒功率特性。采煤機在割煤過程中，牽引速度值不大，但輸出的牽引力值最大（582 Nm）并保持恒定，這一特性稱為恒轉矩特性；采煤機在調動時，對牽引速度的要求比較高，此時采煤機沒有截割阻力，所需牽引力比較小，為了充分利用牽引電機的功率，牽引電機的功率達到最大（90 kW）并保持恒定，這一特性稱之為恒功率特性。

2.3 四象限調速特性

變頻驅動控制系統能使采煤機向兩個方向牽引，當采煤機在大傾角工作面處于下溜加速狀態時，為了保持采煤機安全勻速運行，必須為采煤機提供反向制動力。這就需要變頻調速系統既能提供與采煤機運動方向一致的牽引力，又能提供與采煤機運動方向相反的制動力，即四象限調速特性。

為了實現采煤機牽引系統的四象限運行，變頻器的12個IGBT組成整流-逆變（回饋-逆變）橋，當牽引電機工作在電動運行狀態時，變頻器工作為正常輸出狀態，三相交流電通過整流、逆變后驅動牽引電機；當牽引電機工作為回饋制動狀態時，回饋電能通過變頻器的“逆變電路”整流為直流電，給濾波電容充電，當電容兩端的電壓高于電源電壓時，回饋電路工作，將再生電能逆變為與電網同頻率同相位的交流電回送電網，實現回饋制動。

2.4 主從控制

SL750采煤機變頻牽引驅動系統采用的是一拖一的結構，即兩臺變頻器各自單獨驅動一臺牽引電機，兩臺牽引電機同時輸出功率共同驅動采煤機左右行走，兩臺牽引電機扭矩軸通過齒輪和銷軌相互耦合在一起，需要使用變頻器的主從控制功能來使兩臺牽引電機負載平衡。IPC通過RS485總線向主變頻器給定速度控制信號，主變頻器通過光纖串行通訊鏈路來控制從變頻器，主變頻器采用的是速度控制模式，從變頻器采用的是轉矩控制模式，主變頻器根據采煤過程中所檢測到負載的大小，給定從變頻器一個轉矩信號，從而為兩臺牽引電機平均分配負荷，兩臺電機負荷一致，避免一臺牽引電機單獨出力，長時間過負載損壞牽引電機。

3 結論

SL750采煤機牽引調速系統采用了帶速度編碼器的矢量控制方式，具有速度響應快、低頻轉矩大、控制精度高的特點；變頻調速系統的恒轉矩與恒功率特性能滿足采煤機在割煤或調動過程當中對牽引電機轉矩與速度的要求；四象限調速特性能有效地實現采煤機的回饋制動，回饋制動能為采煤機提供足夠的制動功率，使采煤機能在工作面傾角較大的情況下安全勻速的牽引；主從控制模式能使負荷在兩臺牽引電機上平均分配，有效地利用兩臺牽引電機的輸出功率。

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2095－6835（2018）23－0064－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2018.23.064

蘇良碧（1985—），男，山西朔州人，工程師，碩士研究生，目前主要從事煤礦機械機電系統維修與升級改造工作。

〔編輯：張思楠〕