鲁晓辉，张全柱，邓永红

(1. 安徽理工大学 电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001； 2. 华北科技学院 信息与控制技术研究所，北京 东燕郊 101601)



交流传动互馈试验系统在采煤机上的应用研究

鲁晓辉1，2，张全柱1，2，邓永红2

(1. 安徽理工大学 电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001； 2. 华北科技学院 信息与控制技术研究所，北京 东燕郊 101601)

针对目前采煤机故障时的维护与检修的困难，研究了一种基于能量互馈试验台系统的采煤机牵引变频器的维护与检修测试平台。本文介绍了互馈试验台的基本结构和运行原理，阐述了互馈试验台系统的控制方式，通过模拟不同工况下的牵引试验，对待检测的变频器进行性能测试,以达到对采煤机牵引变频器的维护与性能检测的目的。

牵引变频器；互馈试验台；检修维护；测试研究

0 引言

采煤机作为煤矿开采的主要的机械设备，其安全稳定运行是煤矿生产的重要的保障。由于采煤机的工作条件的限制和长时间持续的工作，容易出现故障，尤其是带负荷运行的截割部和牵引部，采煤机工作时，主要也就是这两个部分在承担着大部分的运行工作，因此，采煤机的主要故障来源也就是这两大部分。其中，采煤机故障也可分为机械故障和电气故障，本文主要探讨采煤机牵引部的电气故障，也即讨论控制采煤机牵引电机的变频器的故障。

在牵引变频器出现故障时，在当现场不能解决的情况下，需要将其拆卸下来带回维修部门进行维修和测试诊断。所以，当采煤机牵引变频器故障维修时，为了避免长时间的停机对煤矿生产产生影响，应该缩短采煤机故障维修与排除的周期。

因此，有必要建设这样一种专门针对采煤机牵引变频器的检修和测试平台，在这个平台上，可以完成对变频器的故障检测、维修，功能测试等，这样做节省了大量的人力耗费，缩短了采煤机故障排除的周期。本文研究了基于能量互馈试验台系统的采煤机牵引变频器的维护与检修平台。

随着近十年来我国城市轨道交通的发展，交流牵引传动技术得到了飞速的发展，同时，对交流传动试验平台的建设也有提出了比较高的要求，

需要完成交流异步牵引电机的特性和试验参数的整定。基于这种工程性要求，通过对传统试验系统在试验动态、稳态以及制动性能和能耗节约的比较，相关学者和研究人员研究并设计了交流传动互馈试验系统，用于对铁路机车牵引系统进行试验研究。

本文参考前人对交流传动互馈试验系统的研究，比较铁路机车牵引和采煤机牵引电机的不用，将此互馈试验系统引进到对采煤机牵引变频器的维护与检修测试中，搭建交流传动互馈试验台。

1 采煤机牵引变频器的

2 主要故障分析与检修

1.1 故障分析

由电控箱和变频箱之间的控制电缆的不正常连接、采煤机内部牵引控制线断开、变频器内部控制电路损坏、DSP控制系统故障等导致的变频器不启动或变频器的牵引方向无法改变；驱动电路故障导致IGBT损坏等[1]。

变频器的其它电气故障：过电流、接地、过电压、保险丝熔断、浪涌回路故障，控制电源异常，输出欠相，内置制动晶体管异常，过载，过力矩或力矩不足，速度偏差，控制异常，CPU故障等。

本文对牵引变频器的维护、检修与测试，通过检测变频器输出电压电流波形，分析其是否有过电压过电流，输出欠相、制动晶体管是否异常，等；通过观测测试电机磁链和转速的运行情况，分析牵引变频器的控制系统，在对牵引电机的控制上是否有过载、过力矩或力矩不足等故障。

1.2 检修方法

一般采取以下措施解决以上牵引变频器故障[2]：

修复或更换控制电缆、检查牵引控制回路。驱动电路的维修和维护。对于变频器维修或者故障排除之后，还要进行测试，以检验维修情况，对维修后的电动机过负载、力矩不匹配问题，需要对变频器参数进行校正。调整正负载大小、加减速时间和周期时间等。

鉴于交流传动互馈试验台系统主要是用于铁路机车的牵引传动的试验，而采煤机牵引系统的运行工况和机车的运行工况有一些相似之处，不同之处在于，采煤机牵引电机需要实现正反转的快速切换，使得采煤机在刮板输送机上的往复行走，这个只需要对负载子系统做相应调整即可；另外，采煤机牵引电机比电力机车的牵引电机的功率要小得多，这又减小了互馈试验系统的控制难度。

2 互馈试验台系统介绍

2.1 几种交流传动试验系统比较介绍

随着大功率开关器件的飞速发展，交流传动技术正在逐步取代直流传动，各个高校和研究机构的学者都在大力研究交流传动系统的控制策略。同时，为了能够较好地利用资源达到较理想的试验结果，研究者们大致研究出了几种合理有效的交流传动试验系统。这几种交流传动试验系统从结构上分为以下三种：能量消耗式试验平台、能量反馈式试验平台、能量互馈式试验平台[3]。

能量消耗式系统是在被测电动机输出轴上对接一个直流发电机，并在直流发电机的输出端接阻性负载，被测电动机输出的能量以直流发电的方式输送给电阻消耗掉。试验中，调节直流发电机的励磁电压来改变其输出转矩，即改变被测电动机的负载转矩，也就是变频器和牵引电机的负载。但是，直流发电机输出的能量都被电阻消耗，无法再次利用，这种方式在大功率试验系统中的浪费是很大的。

能量反馈式系统是在负载侧异步电机轴上对接一个由直流发电机、直流电动机、交流同步发电机构成的能量反馈系统，把电能反馈给电网。它通过调节负载电机组的三个励磁来调节输出转矩，同时维持发电机的频率稳定。这个系统结构复杂，且成本过高，反馈给电网的能量也有一定的谐波，对电网的整体的电能质量也会有污染。

2.2 互馈试验台系统结构

交流传动互馈试验台结构[4]如图1所示，由整流部分和双逆变器—电机和控制系统构成。逆变器I-MI构成牵引传动子系统，提供牵引动力和速度调节。另一组逆变器-电机构成负载，模拟工况下的负载阻力情况[5]。

2.3 工作原理及特点

设置M1为牵引电机，定子频率为fs1，输出转矩为Te1；设置M2作为负载电机，定子的频率为fs2，输出转矩为Te2；由于两台电机通过联轴器同轴相联，所以其转速相同，都为n，折算后电频率为fR。同时规定与电机转速n相同的转矩方向为转速正方向，相反的为负。电机M1的转差频率为

fsl1=fs1-fR

(1)

电机M2的转差频率为

fsl2=fs2-fR

(2)

当电机M1作为牵引电机运行时，通过控制系统控制电机运行，逆变器按照一定的控制策略控制电机的运转；此时，电机M2给定模拟的工况下的负载运转，给定的转差频率为负。这种情况下，可以模拟逆变器-M1电机组的工况特性试验，如果将需要检修的变频器作为牵引子系统的逆变器模块，则能够对其进行故障检修与性能测试。

因此，利用互馈试验系统的这种原理，将被测牵引变频器安装在互馈试验台的牵引子系统上，互馈试验台的负载子系统的变频器带动负载电机，为牵引子系统提供一个负载力矩，这个力矩可以模拟不同工况下的采煤机牵引变频器的运行情况。控制互馈试验台的负载子系统就能控制负载力矩曲线的给定，本文第三部分研究了对负载子系统的控制策略。

最后通过研究牵引变频器的输出电压电流波形和牵引电机的转速情况判断采煤机牵引变频器的性能是否能够达到采煤机真实运行的需要，能否在井下稳定可靠运行。

2.3.1 互馈台的能量流动

互馈试验台的能量流动框图如图2所示。当逆变器I-M1工作于电动状态时，能量流动方向如图中实线所示，当逆变器II-M2工作于电动状态时，能量流动为虚线所示。可见，能量通过整流器直流侧在双逆变机组中互馈[6]。本次互馈台所使用的是由二极管构成的不可控整流器，在双逆变器机组中的电流不会流入电网产生污染。

图2 试验台能量流动方向

2.3.2 特点

与前两种试验台系统相比，交流传动互馈试验系统具有控制方式灵活、能量利用率高，所需设备少、试验功能强，工作效率高等特点。

由上一小节可以看出，互馈试验台的能量流动主要在两组逆变器-电机组中进行，因此系统的能量消耗主要是电机与变频器的内部损耗，即机械损耗和器件损耗等，能量利用率很高。另外，整个平台系统的能量消耗只是能量交换过程中占总交换功率的很少的一部分，所以采用这种方式可以利用小功率等级的供电电源来测试大功率等级的牵引变频器。

同时，由于互馈台有两组逆变系统组成，这两组系统结构相同，所以在试验中，可以互相作为被试系统，一次安装可以实现两套装置的测试，提高了测试试验的工作效率。

整个传动系统的能量交换都是在整流器直流侧进行的，对电网的影响微乎其微。

3 试验台系统的控制策略

目前，异步电机的控制方式主要有三种：矢量控制、转差频率控制和直接转矩控制[7]。矢量控制将定子电流按照磁场定向分解，实现转矩和磁通的解耦控制；转差频率控制从交流牵引电机的稳态等值电路出发，推导出异步电动机转差频率与电磁转矩的函数关系式，是一种基于电机的稳态模型的转速闭环转差-电流控制；直接转矩控制直接通过闭环控制电磁磁链和转矩。

本试验台通过比较，选择矢量控制方式对负载子系统的变频器进行控制，可以达到很好的控制目的。

3.1 基于矢量控制的互馈试验台电机控制策略

以上简单列举了异步电机的几种控制策略，本小节针对基于间接磁场定向的电压解耦型矢量控制的互馈试验台电机控制策略进行说明研究。其中的控制算法框图如图3所示。

图3 基于矢量控制的互馈试验台电机控制策略

(3)

式中，ω1为同步角速度；ωr为旋转角速度；Lr为转子的自感；Rr为转子电阻。

3.2 d-q轴解耦控制

常用电压解耦算法[8-9]有前馈 、反馈和交叉解耦，由于前馈解耦的动态性能比较好，实现容易，本文采用这种解耦方式。

(4)

式中，σ为漏磁系数；uq→d、ud→q分别为定子电压d、q轴分量；Ls为定子等效自感。

图4所示的是前馈解耦的控制框图。

图4 前馈解耦控制框图

由控制框图中的各参数的关系，经前馈解耦后的转子磁场定向后d-q轴电压分别为，

(5)

4 试验研究

互馈试验台中的牵引子系统中的电机M1采用同采煤机牵引电机相同参数的交流异步电机，以期能够完全模拟牵引变频器的真实工作情况；负载子系统的逆变器-电机M2结构只要能够匹配牵引变频器的负载要求，并能够为牵引子系统提供相应工况下的负载力矩即可。

本试验在两台背靠背交流电机上进行，输入电网线电压为三相交流380 V，通过变压器，输出三相交流电压到整流器，整流器可以是单台工作，也可以是两台串连在一起提供稳定的直流电源。

互馈试验系统的电机型号和电压电流值为：两台额定功率均为300 KW的异步交流电机，额定线电压为2000 V，额定电流107 A。

4.1 稳态试验

整流单元为背靠背试验系统提供稳定的直流电压，如图5是互馈试验台稳态下的试验波形，图5(a) 为牵引侧电机电压和电流波形图，电流幅值为140 A(电流探头20 ∶1)，图5(b)为负载侧电机电流电压波形图，电流幅值为120 A(电流探头20 ∶1)，两台电机电压幅值皆为866 V，图5(c)为两电机联轴器转矩仪波形图，电机转速1800 rpm，力矩650 Nm，电机机械功率120 KW，此时从电网中流入系统的功率仅为18 KW，远低于系统的试验功率，达到了相当好的节能效果。

图5 稳态试验波形图

4.2 动态试验

本文只针对回馈试验台的启动试验做了试验研究。

图6所示的是互馈试验台在1500 V的直流电压下空载起动过程中电机转速的变化，电机转速从0加速到1800 rpm后稳定运行，加速过程中，电机起动平稳。

图6 电机起动速度波形

图7的(1)、(2)分别表示从整流器流入变频器Ⅰ、Ⅱ的直流电流，20 A/div,(3)表示整流器输出的直流电流,20 A/div。在互馈试验台起动的瞬态过程中，电流由整流器流入变频器Ⅰ、Ⅱ；稳定时，四象限变流器仍给电动机供电，同时发电机的电流通过变频器Ⅱ回馈到直流测，提供给变流器Ⅰ。由此可见互馈试验台在起动的瞬间，系统的能量完全由电网通过整流器供给，当互馈试验台稳定工作时，处于电动-发电状态，此时发电机发出的电通过变流器Ⅱ的续流二极管整流成直流回到直流测，又提供给发电机使用，形成了能量在两个子系统中的环流，实现了能量的互馈，电网仅仅提供互馈试验台系统的机械损耗和器件损耗等的能量，达到了以小功率等级的电源来试验大功率异步牵引电机的目的，提高了资源利用效率。

图7 电机起动过程中直流电流的变化

5 结论

本文通过分析关于对采煤机牵引逆变器检修维护的现状，结合城市轨道交通的交流传动互馈试验台系统的研究情况，在对交流传动互馈试验台的功能、原理、结构、控制策略、能量流转关系进行全面深入研究的基础上，将此平台引入到对采煤机牵引逆变器的维护与检修测试上面来。同时本文深入研究介绍了互馈试验台双变流器-电机协调控制策略，并通过了动稳态的试验，结果表明，该互馈试验台可以为采煤机牵引逆变器的维护与性能检修提供一个可靠的平台，通过此平台，可以很好地对采煤机牵引逆变器进行故障检测和性能测试。

同时，电力牵引交流传动互馈试验平台能量利用合理、节能效果显著，控制环节少，试验功能强大，结构简单，系统易稳定，效率高。

[1] MG400(450)/930(1030)-WD型/GWD型交流电牵引采煤机使用说明书. 上海创立矿山设备有限公司[M]，2009.

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Applicational Research on Reciprocal Power Fed AC Drive Test System on Coal Mining Machine

LU Xiao-hui1,2, ZHANG Quan-zhu1,2, DENG Yong-hong1,2

(1.InstituteofElectricalandInformationEngineering,AnhuiUniversityofScience&Technology,Huainan, 232001,China;2.Instituteofinformationandcontroltechnology,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao,101601,China)

In view of the difficulties in the maintenance and repair of shearer, the paper studies the maintenance and overhaul of the traction inverter based on energy mutual feed test bench system. This paper describes the basic structure and operation principle of the mutual feed test bench. And also introduces the control method of the mutual feed system. We has simulated the traction test under different conditions, to achieve the purpose of maintenance and performance testing of the shearer traction inverter.

traction inverter; mutual feed test bench; maintenance; testing research

2016-02-06

中央高校基本科研业务费资助项目(3142015141，3142013101)

鲁晓辉(1990-)，男，安徽淮南人，安徽理工大学电气与信息工程学院在读硕士研究生，研究方向：电力电子与电力传动。E-mail：luxhuy2011@163.com

TM464

A

1672-7169(2016)02-0079-06