采煤機電牽引系統電磁兼容性研究

覃樹強

（山西煤炭運銷集團晉城有限公司，山西晉城 048026）

0 引言

煤礦井下有較多的機電設備，并且各個設備較為集中，再由于礦井內巷道的空間較為狹窄、充斥著各種易爆炸的氣體、供電體系與地不相接等，導致電氣環境過于復雜。近些年來，隨著電力電子技術的不斷發展，機電設施也日益完善，在礦井下的各個設備都開始運用變頻技術及以太網等各類先進技術，這就對電磁的兼容性提出了更高的要求。基于此，確保礦井下各個系統不會因電磁干擾而受到破壞，如監測系統、通信體系及機電設備的自動化控制體系等，促使煤礦生產具備較強的安全性、高效性[1]。煤礦綜采工作面存在較多大功率的機電設備，如采煤設備、轉載設備、破碎設備等，對于礦井而言，電磁環境始終是其研究的核心，而采煤機是產生電磁干擾的關鍵來源，因此，對于采煤機所具備的電磁兼容性，必須進行深入研究。此外，在采煤機的牽引電機中安裝變頻器是否會影響工作面的電機燒毀事故，該問題也需要進行深入研究。本文選擇電牽引采煤機來開展研究。

1 綜采工作面配套設備

1.1 供電系統

綜采工作面所使用的電量是通過采區變電所所提供，其電力的傳輸主要是移動變電站，其構成設備主要有隔爆型移動變壓器、隔爆型高壓開關、隔爆型低壓饋電開關[2]。該電壓為1 140 V，有些采煤機所運用的電力為3 300 V和1 140 V相混合的形式。

1.2 采煤機

在綜采工作面中，其最重要的設備就是采煤機。該設備構成部分主要為牽引部、電氣體系、輔助裝備等，安裝有機載的變壓器，分別有2臺牽引電機、截割電機及牽引變頻器，還有1臺油泵電機（完成滾筒的上升及降低），是導致工作面產生干擾的主要來源。截割單元的作用是承載割煤階段所出現的負載及沖擊負荷，需要損耗較大的功率。牽引部分的作用是對采煤機的運行方向加以維持，其類型主要包括電、液壓及機械3種牽引。現階段，變頻調速控制裝置在采煤機的牽引部分已經得到了廣泛的應用[3]。圖1所示為采煤機機載裝置的設置圖。

1.3 其他設備

（1）刮板輸送機。該設備所發揮的作用是承載工作面的運輸，同時它還作為一個支點來推動液壓支架的移動。由于該設備具有相應的特殊性，必須進行反復開啟及停止，處于重載的狀況下，啟動該設備將會形成較大的沖擊電流，進而造成電磁干擾的產生。

圖1 采煤機機載裝置的設置圖

（2）破碎機與轉載機。前者主要用來粉碎較大的煤塊，有助于皮帶運輸，大多安裝在轉載機的后方；后者主要是將皮帶與刮板輸送機進行連接，其作用是對煤炭進行運輸及轉載，安裝于工作面的運輸順槽中。

（3）帶式輸送機。在礦井的煤炭運輸中，該設備有著極其關鍵的作用，由于其具備較大功率的電機驅動，并且運用了有效的變頻調速機制，以實現調速工作，進而導致電磁干擾的產生。

（4）乳化液和噴霧的泵站[4]。前者作用在于為支架供液，促使支護設備的作用得以充分實現；后者是為采煤機的噴霧泵提供水源，促使采煤機完成內外噴霧。

（5）無線通信體系。

2 綜采工作面諧波來源及形成機理

對于電磁而言，諧波是其產生干擾的關鍵來源。

2.1 電磁兼容性的涵義

根據我國的相關標準，電磁兼容性的涵義為：在該電磁環境下，設備或者系統可進行正常的運行，且不會對其他的事物造成電磁干擾的能力團。其本質在于產生干擾的來源所發射出的電磁能量，運用有效的渠道將其傳輸至敏感裝置中[5]。

2.2 諧波來源

諧波的產生主要是因機電設備及負載工作的特征所決定，其產生的關鍵途徑為傳統的設備，如電力變壓器等，及現代化的電力變流裝置，例如逆變器等設備。其產生的因素主要由于以下幾點：（1）變壓器，該設備所具有的性能對電流波產生了一定的影響，導致其變化出現畸形狀況，而諧波的狀況隨著供電電壓的提升而越來越嚴重[6]；（2）電機，在該設備中，轉子與定子的線槽不具備對稱性，進而導致電機的相關裝置產生了諧波；（3）電力電子設施在進行變流的過程中，使用PWM會導致諧波的出現。

2.3 諧波的危害

隨著諧波的產生，其負載溫度將會持續增加，導致設備損壞的速度加快，使有效阻值得以增加，進而使通電裝置的功率及電能的損耗不斷增加。諧波的存在會導致保護裝置的動作產生錯誤。目前。在變頻器中大多采取通信線纜的方式來連接相應的通信裝置，其輸出的訊號為通信領域的專用，尤其是諧波會對保護動作的信號產生干擾。由于受到諧波的影響，保護裝置也受到了極大的損壞，甚至會產生相應的電力事故。由于諧波的存在對輸入側電網造成了一定的影響，導致其供電質量持續下滑，對其正常運行造成了極大的阻礙；同時輸出側的用電設備也損耗了較多的能量，導致設備的使用壽命不斷降低[7]。

3 采煤機變頻牽引系統諧波的產生及防止措施

變頻器會產生較多的干擾，其整流及逆變的部分將會出現較多的諧波分量。在這兩個部分中含有較多的電力電子部件，在高頻率的背景下，這些部件可以對電力的連通與斷開進行控制，從而對壓力及頻率進行有效地調節，在該過程中會不斷產生高頻脈沖信號。這就是導致該變頻體系產生諧波的主要因素，如圖2所示。

圖2 變頻器典型拓撲結構圖

對采煤機變頻體系所產生的諧波進行治理的時候，可基于下列兩點內容出發：（1）通過將相關的配套設備進行完善，降低自動化控制體系所產生的諧波，將電抗器或者濾波器安裝于變頻器中，以此對波形進行吸收改善；（2）關注變頻器與工頻的設置及連接狀況，降低其所產生的干擾[8]。

目前，除了采煤機安裝了變頻牽引之外，其他的設備也相繼配置了變頻器，因此對于配置有多組變頻器的綜采工作面而言，必須對其所包含的設備進行改進與優化。

4 結束語

通過對綜采工作面的配套設備進行總結，對產生諧波的來源及其機理進行深入的研究。針對諧波所造成的危害，從改進變頻器的配套設備、在變頻器內安裝電抗器等各個方面出發提出有效的策略來管理牽引體系的諧波。