苏良碧



艾柯夫SL750采煤机变频调速系统分析与研究

苏良碧

（中煤平朔工业集团井工设备维修中心，山西 朔州 036002）

对艾柯夫SL750型采煤机变频牵引调速系统的组成结构与控制方式进行了分析，分析结果表明，该型号采煤机变频调速系统采用了带速度编码器的矢量控制模式，具有速度响应快、低频转矩大、控制精度高的优点；具有良好的恒功率与恒转矩特性，能满足采煤机在割煤或者调动状态下转矩及速度需求；具有良好的四象限调速性能，能有效地实现大倾角工作面的回馈制动；主从控制能使负荷在采煤机两套牵引机构中平均分配，有效发挥了两台牵引电机的输出功率。

采煤机；牵引变频调速；矢量控制；恒转矩

SL750型采煤机是德国艾柯夫公司于2006年推出的新型采煤机，总装机功率1 894 kW，采高范围1.8～4.8 m，最高牵引速度51 m/min。该型号采煤机具有结构紧凑、装机功率大的优点，适用于中底煤层的开采，目前广泛应用于中煤平朔、神华神东、淮南矿业等公司的矿井。SL750采煤机采用了目前世界上较为先进的电气控制技术与变频调速技术，整个控制系统以IPC工控机为核心，采用CAN模块作为底层数据采集与执行元件，以CANBUS与PROFIBUS两种现场总线相结合的方式组成通讯网络。

牵引电机变频驱动系统采用带速度编码器的矢量控制方式，具有速度响应快、低频转矩大、控制精度高的优点。但该类型调速系统组成结构复杂，故障处理难度较其他调速系统要大，据统计，变频调速系统故障占到了井下采煤机电气故障的60%以上，因此，对该变频调速系统运行原理的深刻理解有助于日常采煤机的操作、维护与故障处理，对提高井工矿工作面产量具有重大意义。

1 变频调速系统组成结构

SL750采煤机变频调速系统使用的是德国REFU公司所生产的变频器，该型号变频器采用的是常用的交-直-交的变频结构，主要由电抗器、预充电单元、整流单元、中间电容、逆变单元、控制电路板、牵引电机所组成。

1.1 输入电抗器

输入电抗器主要用于抑制浪涌电压与浪涌电流，延长变频器的使用寿命。同时，变频器在运行过程中会产生高次谐波，使电源波形产生畸变，影响系统中其他电气设备的正常运行，电抗器起到防止谐波干扰的作用。

1.2 预充电单元

预充电单元主要起限制电源接通瞬间电容充电电流的作用。电容两端在电源接通瞬间会产生电流突变，此时，电容相当于短路，如果没有预充电单元中的电阻对短路电流进行限制，则会损坏整流电路中的功率元器件IGBT。当电容充电完成后预充电单元接触器动作，充电电阻被旁路。

1.3 整流电路

整流电路的主要作用是将三相交流电转换为直流电供逆变器进行电源变换，当牵引电机处于再生发电状态时，整流电路则将回馈到直流侧的再生电能回馈到交流电网，起到“逆变”的作用，该电路是由6个IGBT（绝缘栅双极型晶体管）所组成的PWM可控整流电路。

1.4 中间电容

变频器在运行过程中需要相对稳定的直流母线电压进行电源变换，但整流电路输出的直流电具有6倍谐波，会使逆变电路输出的交流电产生纹波，因此，必须通过电容对整流电路的输出进行滤波，减少电压或者电流波动，起到稳定直流母线电压的作用。

1.5 控制电路

控制电路主要由运算电路、检测电路、控制信号的输入输出电路和驱动电路等构成。控制电路主要完成对逆变器的开关控制和频率控制，对整流电路的电压控制，对预充电电路进行切换控制，接收编码器反馈的牵引电机速度信号，解决电压控制与频率控制的协调问题，同时完成各种保护功能。

1.6 逆变电路

逆变电路的作用是将整流电路输出的直流电逆变为频率可调的交流电，用于驱动牵引电机。逆变电路由6个IGBT所组成，触发电路通过有规律地控制逆变器中IGBT的导通与关断，可以得到任意频率的三相交流电输出，IGBT导通关断频率被称为开关频率，当开关频率达到2 kHz时，变频器输出电源波形接近正弦波。

1.7 牵引电机

SL750采煤机采用的是BREUER公司所生产的三相交流异步电动机，电机内部包含电磁抱闸与编码器，电机功率为90 kW，工作频率为0～120 Hz，电机转速为0～1 480 r/min。

1.8 编码器

编码器用于采集牵引电机的实际转速，非接触式电磁编码器将牵引电机齿轮的角位移转换为“0”和“1”的电信号，输出两组相位差为90°的脉冲，通过这两组脉冲不仅可以测量电机的转速，还可以判断出电机的旋转方向。变频器通过采集到的电机转速来建立数学模型，并通过该数学模型对电机转速进行调节，编码器输出电压为10～30 VDC，最大输出频率为50 kHz。

2 变频调速控制方式

2.1 矢量控制

SL750采煤机变频调速采用的是控制精度更高的矢量控制方式，具体过程是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量（励磁电流）和产生转矩的电流分量（转矩电流）分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式为矢量控制方式。SL750采煤机采用矢量控制方式可使牵引电机有很宽的调速范围（0～3 535 rpm），同时可以控制牵引电机的转矩（0～582 Nm），电机速度控制更加精确。

2.2 恒转矩与恒功率控制

采煤机在工作采煤过程中，需要根据被破落煤的截割阻抗和工作面工况条件的变化，不断调节牵引速度的大小，该速度值称为工作牵引速度；采煤机还需要在不割煤的状态下以较高的速度在工作面上移动，该速度被称为调动牵引速度，采煤机在割煤和调动的过程分别利用到电机的恒转矩特性与恒功率特性。采煤机在割煤过程中，牵引速度值不大，但输出的牵引力值最大（582 Nm）并保持恒定，这一特性称为恒转矩特性；采煤机在调动时，对牵引速度的要求比较高，此时采煤机没有截割阻力，所需牵引力比较小，为了充分利用牵引电机的功率，牵引电机的功率达到最大（90 kW）并保持恒定，这一特性称之为恒功率特性。

2.3 四象限调速特性

变频驱动控制系统能使采煤机向两个方向牵引，当采煤机在大倾角工作面处于下溜加速状态时，为了保持采煤机安全匀速运行，必须为采煤机提供反向制动力。这就需要变频调速系统既能提供与采煤机运动方向一致的牵引力，又能提供与采煤机运动方向相反的制动力，即四象限调速特性。

为了实现采煤机牵引系统的四象限运行，变频器的12个IGBT组成整流-逆变（回馈-逆变）桥，当牵引电机工作在电动运行状态时，变频器工作为正常输出状态，三相交流电通过整流、逆变后驱动牵引电机；当牵引电机工作为回馈制动状态时，回馈电能通过变频器的“逆变电路”整流为直流电，给滤波电容充电，当电容两端的电压高于电源电压时，回馈电路工作，将再生电能逆变为与电网同频率同相位的交流电回送电网，实现回馈制动。

2.4 主从控制

SL750采煤机变频牵引驱动系统采用的是一拖一的结构，即两台变频器各自单独驱动一台牵引电机，两台牵引电机同时输出功率共同驱动采煤机左右行走，两台牵引电机扭矩轴通过齿轮和销轨相互耦合在一起，需要使用变频器的主从控制功能来使两台牵引电机负载平衡。IPC通过RS485总线向主变频器给定速度控制信号，主变频器通过光纤串行通讯链路来控制从变频器，主变频器采用的是速度控制模式，从变频器采用的是转矩控制模式，主变频器根据采煤过程中所检测到负载的大小，给定从变频器一个转矩信号，从而为两台牵引电机平均分配负荷，两台电机负荷一致，避免一台牵引电机单独出力，长时间过负载损坏牵引电机。

3 结论

SL750采煤机牵引调速系统采用了带速度编码器的矢量控制方式，具有速度响应快、低频转矩大、控制精度高的特点；变频调速系统的恒转矩与恒功率特性能满足采煤机在割煤或调动过程当中对牵引电机转矩与速度的要求；四象限调速特性能有效地实现采煤机的回馈制动，回馈制动能为采煤机提供足够的制动功率，使采煤机能在工作面倾角较大的情况下安全匀速的牵引；主从控制模式能使负荷在两台牵引电机上平均分配，有效地利用两台牵引电机的输出功率。

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2095－6835（2018）23－0064－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2018.23.064

苏良碧（1985—），男，山西朔州人，工程师，硕士研究生，目前主要从事煤矿机械机电系统维修与升级改造工作。

〔编辑：张思楠〕