四象限变频调速技术在电牵引采煤机上的应用研究.doc

一. 论文题目 四象限变频调速技术在电牵引采煤机上的应用研究二. 内容提要八十年代以后，世界各国的采煤机技术装备为适应煤矿现代化高产高效的需要，加速应用各项新技术，特别是随着微机控制技术和大功率电子元件的发展，美、英、德、日等国的电牵引采煤机迅速发展。交流变频调速技术在我国煤炭行业采煤机装备上推广应用是在九十年代初开始的，目前该项技术仅应用于水平煤层的电牵引采煤机。我国煤炭储量丰富，煤炭产量居世界首位，其中缓倾斜煤层的储量占30%左右，目前仍使用技术落后的液压牵引采煤机，无法达到高产高效。交流电牵引采煤机还未解决在倾斜煤层下行时的制动及能量反馈等牵引问题而无法应用。本文就电牵引采煤机在倾斜煤层的应用的有关问题进行研究，提出了相关对策，并开发出一套电牵引采煤机四象限变频调速技术系统应用于MGYS180/460-WD型采煤机。介绍了该系统的设计原理和结构，进行了系统试验、牵引特性试验并对试验情况进行相关分析，结果表明应用该项技术的交流电牵引采煤机能适应倾斜煤层的开采。三. 目的要求 四. 附有图纸、图表 四象限变频调速技术在电牵引采煤机上的应用研究摘 要八十年代以后，世界各国的采煤机技术装备为适应煤矿现代化高产高效的需要，加速应用各项新技术，特别是随着微机控制技术和大功率电子元件的发展，美、英、德、日等国的电牵引采煤机迅速发展。交流变频调速技术在我国煤炭行业采煤机装备上推广应用是在九十年代初开始的，目前该项技术仅应用于水平煤层的电牵引采煤机。我国煤炭储量丰富，煤炭产量居世界首位，其中缓倾斜煤层的储量占30%左右，目前仍使用技术落后的液压牵引采煤机，无法达到高产高效。交流电牵引采煤机还未解决在倾斜煤层下行时的制动及能量反馈等牵引问题而无法应用。本文就电牵引采煤机在倾斜煤层的应用的有关问题进行研究，提出了相关对策，并开发出一套电牵引采煤机四象限变频调速技术系统应用于MGYS180/460-WD型采煤机。介绍了该系统的设计原理和结构，进行了系统试验、牵引特性试验并对试验情况进行相关分析，结果表明应用该项技术的交流电牵引采煤机能适应倾斜煤层的开采。关键词：电牵引采煤机，四象限，变频调速，倾斜煤层。目录目 录第一章 采煤机概述11.1采煤机的结构及工作原理11.2采煤机的分类2第二章 电牵引采煤机的现状与发展32.1电牵引采煤机的技术及应用现状32.2采煤机电牵引技术介绍42.3采煤机电牵引技术的应用发展方向92.4电牵引采煤机存在的问题10第三章 倾斜煤层开采的电牵引采煤机对策123.1采煤机减速停车时的制动功率计算123.2采煤机在倾斜煤层开采的受力分析143.3电牵引采煤机在不同倾角煤层的应用方案16第四章 四象限变频调速技术的原理194.1变频调速机械特性194.2变频调速的控制方式214.3四象限变频调速技术介绍23第五章 四象限变频调速技术在采煤机上应用的要求与总体思路285.1交流电牵引采煤机对变频调速系统的一般要求285.2对用于倾斜煤层的采煤机变频调速系统的一些特殊要求305.3系统设计总体思路30第六章 系统设计与开发316.1四象限变频调速装置选择316.2MGYS180/460-WD型电牵引采煤机电气系统研制346.3MGYS180/460-WD型电牵引采煤机控制及保护原理356.4MGYS180/460-WD型电牵引采煤机牵引调速系统设计396.5相关技术及措施466.5.1 装置的隔爆技术及措施466.5.2 装置的抗震技术及措施476.5.3 装置的冷却技术及措施49附录 57参考文献 63致谢 65第一章 采煤机概述第一章 采煤机概述 采煤机是煤矿生产的重要设备，其具有采煤和装煤等功能。采煤机一般有连续采煤机和滚筒式采煤机两种。本文所涉及的采煤机均为滚筒式采煤机。1.1采煤机的结构及工作原理 采煤机的结构经过单滚筒到双滚筒、单电机到多电机、纵向布置到横向布置的发展，已逐步趋向于成熟。如图1-1所示为多电机横向布置的双滚筒采煤机，其结构从功能上分有：截割部、牵引部、电气控制系统、液压调高系统、水路冷却喷雾系统等。 图1-1 采煤机的结构图Fig.1-1 Structure chart of Shearer截割部有左截割部和右截割部，由滚筒1（或11）、摇臂2（或10）及电动机组成，由其完成落煤和装煤。牵引部由控制系统（主要由变频调速箱6组成，内含牵引变压器、变频调速装置等）和左传动箱4（包括牵引电动机或液压马达）、牵引箱3、右传动箱9（包括牵引电动机或液压马达）、牵引箱3组成，由其完成采煤机的牵引行走。电气控制系统（主要由电控箱7、端头控制站、无线电遥控装置等组成）实现采煤机的检测、保护、控制、显示等功能。液压调高系统由液压系统（主要由调高泵箱5、阀组等组成）、调高油缸及管路等组成，完成采煤机摇臂的高度调节功能。水路冷却喷雾系统由水阀8、管路及喷嘴等组成，实现采煤机各部件的冷却、外喷雾及滚筒的内喷雾等功能。采煤工作面的主要设备有采煤机、刮板输送机、液压支架组等。采煤机的工作原理：采煤机沿刮板输送机的轨道左右行走的同时，由于采煤机的滚筒装有截齿，滚筒旋转截割煤层并将落煤装进刮板输送机。刮板输送机将煤运往工作面以外的运输系统。液压支架组的作用是为采煤机、刮板输送机支撑出一个工作空间。每个液压支架和刮板输送机之间有推进油缸，可以推刮板输送机和拉液压支架，起到将整个采煤工作面向前推进的目的。为适应煤层厚度的变化，可通过控制调高油缸的伸缩来改变摇臂摆角以实现滚筒高度的改变。1.2采煤机的分类采煤机有不同的分类方式：根据采煤方式的不同可分为：连续式采煤机和长臂滚筒式采煤机。根据牵引方式的不同可分为：机械牵引采煤机、液压牵引采煤机、电牵引采煤机。而电牵引方式又有电磁滑差调速、变频调速、开关磁阻调速等。 根据滚筒布置方式的不同可分为：单滚筒采煤机、双滚筒采煤机、短臂采煤机。 根据电机布置方式的不同可分为：单电机或双电机纵向布置采煤机和多电机横向布置采煤机。 目前国际上采煤机行业的发展方向是：多电机驱动、横向布置交流电牵引采煤机。50第二章 电牵引采煤机的现状和发展第二章 电牵引采煤机的现状和发展2.1我国电牵引采煤机的技术及应用现状八十年代中期开始，中国煤炭科学研究总院上海分院与波兰KOMAG合作，于1991年在国内率先研制成功第一台应用交流变频调速技术的MG344-PWD型薄煤层强力爬底板采煤机。随后，利用研制成功的交流变频调速技术对MG300和AM500型液压牵引采煤机进行了改造，形成了MG300/680-WD和MG375/830-WD型截割电机纵向布置的交流电牵引采煤机；同时，在国内首先开发截割电机横向布置的MG200/500-WD、MG250/600-WD、MG400/920-WD和MG450/1020-WD型中厚煤层交流电牵引采煤机以及MG200/450-WD、MG250/550-WD型较薄煤层交流电牵引采煤机，并已成功应用于晋城、淮南、徐州、大同等局矿。到目前为止，国内各采煤机生产厂家均对交流电牵引采煤机进行了大量的研制开发：太原矿山机器厂在与煤科总院上海分院合作将AM500液压牵引采煤机改造成MG375/830-WD型交流电牵引采煤机后，与兖州矿业集团合作，研制成功了应用交流变频调速技术的MGTY400/900-3.3D型交流电牵引采煤机，同时也开发了MG250/600-1.14D型交流电牵引采煤机。鸡西煤机厂在与煤科总院上海分院合作将MG2300-W型液压牵引采煤机改造成MG300/680-WD型交流电牵引采煤机后，也研制开发了应用交流变频调速技术的MG200/463型、MG400/985型交流电牵引采煤机。辽源煤机厂在与煤科总院上海分院合作生产MG344-PWD交流电牵引采煤机后，1998年与邢台矿业集团合作研制成功我国首台应用电磁转差离合器调速技术的MG668-WD电牵引采煤机。无锡采煤机厂与中纺机电研究所合作，于2000年开发研制成功国内首台应用开关磁阻电机调速技术的MG200/500-CD型电牵引采煤机。经过近二十年的研制开发，我国的交流电牵引采煤机已逐步走向成熟。交流电牵引技术的应用也不断推陈出新，满足了不同煤矿用户的使用要求，为煤矿生产的技术进步起到了积极的推动作用。2.2采煤机电牵引技术的介绍目前国内使用的交流电牵引采煤机的电牵引调速系统主要有三种：电磁转差离合器调速系统，交流变频调速系统和开关磁阻电机调速系统。它们的调速原理、性能和特点各不相同，但基本上都可分为控制部分和牵引电机两大部分。2.2.1电磁转差离合器调速系统该系统控制部分较为简单，关键部分是牵引电机，即电磁转差离合器（俗称滑差离合器）。电磁转差离合器工作原理如图2-1所示，它的电枢为一钢体圆筒，装在三相异步电动机的输出轴上，与电动机同速旋转，兼有导磁和导电的功能。磁极为一对对相互交叉的爪极，通过非磁性材料将爪极焊接为整体装在输出轴上。磁极与电枢间有气隙，两者间无机械连接。励磁绕组装在支架上，支架一端与磁轭相联，它兼作线圈固定与导磁用，支架的另一端固定于端盖上，组成静止的导磁部分，并借助两辅助气隙与磁极分开。电枢作为主动转子与三相异步电动机转子硬连接以恒速旋转，磁极作为从动转子在电枢与静止的导磁部分之间旋转，并产生转矩，带动采煤机牵引减速箱运转。当励磁绕组通入直流电流后，沿磁极圆周交替产生N、S极，磁力线经过磁极、气隙、电枢、支架等构成回路。由于电枢以恒速n1旋转，电枢与磁极间存在一定的转速差，电枢切割磁场产生感应电动势并产生涡流，此涡流与磁场作用在电枢上产生与其旋转方向相反的力，根据作用力与反作用力的原理，在磁极上图2-1 电磁转差离合器工作原理图Fig.2-1 Operational principle diagram of Electromagnetic differential clutch就产生一个与电枢旋转方向相同的力，使磁极按电枢旋转方向旋转，即按异步电动机的旋转方向输出转矩来带动负载运转。电磁转差离合器的输出转速就是磁极的转速n2。转速n2的高低取决于磁极与电枢间耦合力的大小，即取决于励磁电流的大小，当负载转矩恒定时，励磁电流越大，n2越大，但n2始终低于n1，若没有（n1-n2）这个转速差，电枢中就不能产生涡流，也就没有电磁转矩了。该调速系统应用于采煤机上主要有以下特点：1 技术可靠、成熟，制造难度小；2 控制系统简单，便于采煤机操作、维护工人的熟悉和掌握；3 输出机械特性较软，对采煤机牵引部齿轮减速传动系统起到保护作用，可以避免卡、阻现象形成的突加负载对齿轮、轴可能造成的损坏；4 供电电压为1140V，和采煤机截割电机供电电压一致，使采煤机供电系统显得简单方便。同时该调速系统也有一定的局限性，主要有：1 调速范围小：只能在异步电动机额定转速下调速，不能满足采煤机高产高效要求的高牵引速度的需要；2 效率低：该调速系统在交流调速类型中属转差功率消耗型调速系统，它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低（恒转矩负载时），越向下调速效率越低；3 换向可靠性低：由于该调速系统的输出换向是通过切换三相异步电动机1140V电源的相序来实现，所以在采煤机上必须安装接触器，而接触器的抗机械振动和冲击性能较差。4 电磁转差离合器的散热要求高：因为其效率的损失部分均转换成热能，所以必须有完善的冷却系统。2.2.2交流变频调速系统交流变频调速系统应用于采煤机上所使用的牵引电机均为通用的隔爆型三相异步电动机。系统的关键在于控制部分，即变频器。目前采煤机上应用的变频器基本上是VVVF（变压变频）变频器。众所周知，异步电动机的转速n60fs/p(1-s)，其中fs为定子供电频率，p为电动机极对数，s为转差率。从公式可以看出，通过连续地调节电动机定子供电频率fs，就可以平滑地改变电动机的转速n。图2-2 VVVF变频器主电路Fig.2-1 VVVF converter main circuit另外，根据电机定子每相电动势的有效值公式可知变频调速有两种情况：基频以下调速为恒转矩调速，基频以上调速为恒功率调速。图2-2为VVVF变频器主回路电路，由桥式整流电路、滤波环节、逆变电路组成。380V三相交流电源经桥式整流电路整流，再经滤波为逆变电路提供恒定的直流电源。逆变电路是变频器的关键，一般它由六组功率管（IGBT或IPM管）构成三相上、下桥臂。六组功率管的通断是由微机电路和驱动电路来控制的，通过一定的控制方式（如PWM控制方式），使逆变电路输出变频变压的电源给三相异步电动机，实现电机的调速与换向。该调速系统应用于采煤机上具有以下特点：1 起动性能好：与三相异步电动机直接起动相比，变频调速系统可以实现软起动；2 针对调速系统有基频以下和基频以上两个区域的特点，将采煤机牵引设计成：基频以下的恒转矩区进行进刀割煤，基频以上的恒功率区进行空刀调动，适应了煤炭生产高产高效的快速牵引的要求；3 由于变频调速属转差功率不变型调速系统，所以效率高；4 随着微机控制技术的发展和大功率电子元器件的日新月异，变频调速技术在调速性能、调速精度等方面已经完全可以与直流调速相比拟；5 由于变频调速系统负载电机（即牵引电机）采用普通隔爆型三相异步电动机，可靠性高，可以基本做到免维护。但变频调速系统技术难度大，控制系统结构相对复杂，煤矿现场工人初期难掌握。2.2.3开关磁阻电动机调速系统（SRD）开关磁阻电动机调速系统（以下简称SRD系统）融新颖的电动机与现代电力电子技术、控制技术为一体，兼有异步电动机变频调速系统和直流电动机调速系统的优点，但又不同于交流变频调速与直流调速，SRD系统是利用磁场和磁场力所具有的特性直接将磁场力转换成机械能的过程。整个SRD系统由电动机和控制部分组成（如图2-3所示）。电动机为定转子双凸极12/8齿结构（如图2-4所示）。定子齿上有集中绕组，每四个齿的绕组相连接（图中只表示A相），构成A、B、C三相绕组。SR电动机运行遵循“磁阻最小原理”，磁通总是沿着最小的路径闭合。当某相绕组通电时，将产生一个使邻近转子齿与该相绕组轴线相重的电磁转矩。依次对A、B、C相循环通电，即可使电动机旋转起来。改变三相通电次序即可改变电动机旋向，控制绕组电流的大小和通断时刻，就可以改变输出转矩和转速。图2-3 SRD系统框图Fig.2-3 Block diagram of SRD system图2-4 SR电动机结构图Fig.2-4 SR motor construction为了检测电动机转子的瞬时位置和转速，必须在电动机上装有光电编码位置传感器。控制部分的主电路如图2-5所示。三相交流电源经桥式整流器转换为直流电源。六组IGBT管和六组二极管组成三相半桥式逆变电路，为电动机的A、B、C三相绕组依次供电。图2-5 控制部分的主电路Fig.2-5 Main circuit of control unitSRD调速系统应用于采煤机上有如下特点：1 起动转矩大。起动转矩可达额定转矩的150，起动电流仅为额定电流的30，适用于重载频繁起动；2 控制电路结构简单可靠，适用于恶劣的工况条件；3 系统效率高，特别能在大扭矩，高转速状态下保持高效率运行；4 SR电动机损耗小，效率高，转子不存在励磁及转差率，因此在很宽的调速范围内效率高达87以上；5 SRD系统三相电流单向流动，与转矩方向无关。做到只用一组主开关器件即可控制系统运行，而且主电路中始终有一相绕组与主开关器件串联，这就从结构上排除了短路击穿的可能。2.3采煤机电牵引技术的应用发展方向1 高电压。目前在采煤机上应用的三种交流电牵引技术除电磁转差离合器调速系统的供电电源为1140V外，其余均为380V，使得采煤机供电系统繁杂，并且还需要牵引变压器，增加了采煤机结构的复杂性。如果实现1140V（或3300V）供电的变频调速系统或SRD系统，必将使采煤机更趋优化。2 大功率。为了实现煤矿生产的高产高效，要求采煤机的截割功率、牵引功率不断增大，牵引速度不断提高。目前国际上美国JOY公司生产的7LS5型交流电牵引采煤机的牵引功率已达2110kW。3 高可靠性。高产高效要求采煤工作面达到日产700010000t水平，采煤机的可靠性将成为影响原煤产量的主要因数。而电牵引系统是采煤机的关键，其技术装置的可靠性必定是至关重要的。2.4目前电牵引采煤机存在的问题2.4.1适应性问题现有交流电牵引采煤机基本上应用于近水平煤层的开采，对于倾斜煤层、大倾角煤层无法适应。其原因在于电牵引系统不能实现完全可靠的四象限运行，而在倾斜煤层应用时，采煤机必须要有可靠的制动力来克服自重所产生的下滑力。这就大大缩小了交流电牵引采煤机的使用范围。而我国倾斜煤层的储量占相当大比例，要实现倾斜煤层开采的高产高效，就必须解决交流电牵引采煤机的四象限运行问题。2.4.2抗震问题众所周知，采煤机在煤矿井下的工作环境必然存在振动和冲击的强烈程度随采煤工作面的条件不同而变化：如煤质硬度、夹矸、顶底板条件、三机配套的合理性等。市场销售的通用性变频器基本上是固定静止安装设计，最多只考虑了运输途中的震动因素。其给出的抗震指标也不能满足采煤机的使用要求。电牵引采煤机将通用性变频器移植到机身上时必须增加防震措施。2.4.3散热问题 散热主要是针对变频器的大功率元器件，如整流桥、IGBT模块等。由于使用在煤矿井下有瓦斯和煤尘等爆炸性气体的环境，将通用性变频器改装到一个隔爆型箱体内，这样就打破了原有变频器风冷的方式。电牵引采煤机采用何种散热方式需要我们认真考虑。第四章 四象限变频调速技术的原理第三章 倾斜煤层开采的电牵引采煤机对策3.1采煤机减速停车时的制动功率计算 根据电力传动系统的运动方程式，当电动机减速时，负载转矩M大于电磁转矩M，其差值为减速转矩，不考虑摩擦阻力的作用，可得制动转矩为 （3-1） 其中 n电动机转速 图3-1所示为制动时间图，设电动机从最高转速N减速到0所需要的时间为t1秒，系统重复使用的周期为t2秒。由（3-1）式可得，电动机从最高转速N减速到0所需的最大制动转矩为：= （3-2）实际的采煤机传动系统中，存在有机械摩擦损耗，另外还有一些附加损耗，根据使用的实际情况，假设这些损耗大约为电机额定转矩的10左右，由电机额定转矩的计算公式： （3-3）得实际的制动转矩为： M实 （3-4）式中， 电动机的额定功率； 电动机的额定转速； 图3-1制动时间图 Fig.3-1 Time chart of braking process由公式（3-4） 可得实际需要的最大制动功率为 （3-5） 对于MG250/600-WD1采煤机，飞轮矩GD包括两台牵引电动机出轴和转子的飞轮矩之和、牵引部传动机构的飞轮矩、采煤机做直线运动时质量折算到电机轴的飞轮矩，即 GD （3-6） GD的精确计算较为困难，只能进行估算。 从牵引电机出轴到行星头有四级传动，传动系统I轴IV轴的转动惯量 折算到电机出轴的计算值为0.0272kg .m。 根据采煤机两个牵引传动系统，可得飞轮矩为 。两个牵引电机的飞轮矩包括轴的飞轮矩与转子飞轮矩之和，经计算得 20.4N.m 采煤机做直线运动时，其质量折算到电机轴的飞轮矩估算为 0.78N.m 式中， 采煤机的质量，34000kg； v采煤机的最大运行速度，0.2m/s； 根据上述计算，由式（3-6）可得 GD23.3kg .m 假设采煤机从最大转速减速到零的减速时间设定为3s，由式（3-5）可得制动功率为： 0.22kW 根据图3-1的制动时间图，可得出一个周期的平均制动功率为： （3-7） 考虑最恶劣的情况，由式（3-7）式，可得出一个周期的平均制动功率为： 3.2采煤机在倾斜煤层开采的受力分析 如图3-2所示，当采煤机沿倾斜煤层下行时，牵引电机将运行于发电状态。为使采煤机在倾斜角为的采煤工作面下行时能正常稳定的运行，考虑空载下行的最严重状况，由图3-2所示的采煤机沿倾斜煤层下行时的受力分析图可知，采煤机受力必须满足 = （3-8）图3-2 采煤机下行模拟受力图Fig.3-2 Loading analysis diagram of shearer running down along slant coal bed式中， 采煤机的下滑力； 采煤机与刮板运输机之间的摩擦力； 采煤机电牵引系统提供的电制动力。根据功率与力、速度的关系有： （3-9）式中， 采煤机电牵引系统（即变频器）提供的电制动功率； 采煤机下行的最大速度。由式3-8和式3-9，得 （3-10）式中，采煤机的质量； 重力加速度； 工作面倾斜角； 采煤机与刮板运输机之间的摩擦系数； 例如MG250/600-WD1型交流电牵引采煤机，其质量=34000kg， 若取=0.2m/s，工作面倾角=20，而摩擦系数一般介于0.180.25之间，这里取=0.2。我们可以由式3-3计算出一台MG250/600-WD1交流电牵引采煤机在倾角为20的采煤工作面上，以=0.2m/s速度空载下行时所需的电制动功率为： 10.6kw。由式（3-10）可以绘出采煤机重量在30t、40t、50t时的煤层倾角、采煤机速度、所需的电制动功率关系曲线，如图3-3、图3-4、图3-5：P（制动功率kW）（煤层倾角）13.9米/分6米/分8.3米/分12米/分图3-3 采煤机重量为30000kg曲线Fig.3-3 Brake power curve when shearer weights 30000kg.P（制动功率kW）13.9米/分12米/分8.3米/分6米/分(煤层倾角）图3-4 采煤机重量为40000kg曲线Fig.3-4 Brake power curve when shearer weights 40000kg.P（制动功率kW）13.9米/分12米/分8.3米/分6米/分(煤层倾角）图3-5 采煤机重量为50000kg曲线Fig.3-5 Brake power curve when shearer weights 50000kg.3.3电牵引采煤机在不同倾角煤层的应用方案根据以上分析可以知道，交流电牵引采煤机是可以运行于倾斜煤层工作面的，而且根据采煤机所需制动功率的大小，还可以选择不同的变频器运行方案。根据图3-3、图3-4、图3-5关系曲线，以及我们掌握的电牵引采煤机的实际运行经验和采煤工作面等有关综合因素，大致可考虑：煤层倾角在1525左右、并且煤层倾角的连续长度不大时，可采用通用变频器附加动态制动单元的方式运行；在煤层倾角大于25时，我们应采用四象限运行变频器，确保采煤机可靠安全地运行。3.3.1动态制动单元的方案采用动态制动单元方案时，考虑到制动单元为间歇工作制，因此必须具有充分功率余量。一般变频器制动单元的短时制动功率可达到20kW以上，若选用两个或三个制动单元并联使用,再配以足够功率余量的制动电阻, 如果倾角煤层的连续长度不大，我们认为电牵引采煤机采用通用变频器附加制动单元的工作方式是可行的。 图3-6 动态制动单元框图Fig.3-6 Block diagram of braking unit动态制动单元框图如图3-6所示。其基本原理是：制动单元检测变频器直流回路的电压，并和其基准信号相比较。当采煤机牵引电机处于发电工况时，变频器直流回路的电压升高，制动单元的比较器输出信号，经放大器驱动IGBT导通，使制动电阻并接在变频器直流回路，从而达到耗能制动的目的。 动态制动单元所配的制动电阻的阻值可由下式计算： R=V/I （3-11） 其中：R 制动电阻的电阻总值； V 制动单元开启时的直流回路电压值，大约在600720v左右； I 制动单元连续工作电流值。因为制动电阻安装在隔爆腔内，工作时主要是发热（约200C左右）。针对这一使用环境恶劣的条件，我们认为制动电阻的功率必须有3-5倍以上的足够余量，并且必须采取良好的散热措施，如水冷或水冷与风冷相结合的办法等。3.3.2四象限变频器方案 如果煤层倾角大于25, 或倾角煤层的连续长度较大的话，电牵引采煤机所需制动功率将增大，制动时间也变长，这时如采用制动单元方案，将会引起制动单元和制动电阻烧毁，因此必须采用四象限变频器方案。 四象限变频器能实现电动状态运行和制动状态运行（发电回馈电网）两种工作方式。当牵引电机处于电动状态时，变频器由电源供电工作；当采煤机沿倾斜煤层空载下行时，牵引电机运行于发电状态，发电能量经直流回路由电源侧的IGBT管连续反馈到电网，于是产生连续稳定的电制动力，因此下行的速度是平稳的。而且发电回馈电网的能力和电动运行的能力是同等的，因此从理论上讲，任何倾角的煤层、任何运行速度四象限变频器都能适应。第四章 四象限变频调速技术的原理4.1变频调速的机械特性第二章对变频调速原理作了简单介绍。为了进一步地了解，我们对变频调速的机械特性做更详细的分析。异步电动机的电磁转矩Tem与每极气隙磁通M、折算到定子侧的每相转子电流Ir以及转子电路的功率因数cosjr等有关。Tem可以由下式（4-1）求出：TemkTMIr cosjr （4-1） 式中 kT转矩常数。 由于 Ir= Er/（Rr/s+jxr）所以 Ir= Er/（Rr/s）2+（xr）21/2 （4-2）式中 Er折算到定子侧的转子每相电动势； Rr折算到定子侧的转子每相电阻； xr折算到定子侧的转子每相漏抗。 转子电路的功率因数为 cosjr= （Rr/s）/（Rr/s）2+（xr）21/2 （4-3）异步电动机的转矩是个多变量函数，在调速过程中它随多个因素的变化而变化。图4-1所示为异步电动机稳态时的转矩转速特性以及负载转矩特性。图中曲线I表示当定子频率fsK1时异步电动机的转矩转速特性，当转差率s0时，转矩Tem0；在小转差率范围内，转差率增大时转子电流增大，因而转矩随转差率的增大而近似线性增大。但是当转差率增大到一定数值后，一方面转子电流Ir的增大有使转矩增加的趋势；另一方面，转差率s增大，使得cosjr减小，又有使转矩减小的趋势。因而异步电动机的转矩转速特性有一个最大值。最大图4-1 异步电动机机械和转矩特性Fig.4-1 Machinery and torque characteristiccurve of asynchronous motor转矩Tm称为临界转矩或颠覆转矩，因为电动机的负载超过此值后，转速即迅速下降直至停机。对应于颠覆转矩Tm的转子旋转频率称为颠覆频率，相应的转差频率则称为颠覆转差频率。图4-1中所示的曲线为负载转矩特性。曲线和曲线的交点1即为fsK1时的稳定工作点。如果变频调速系统为以频率为对象的开环系统，则当提高定子频率时，由于机械惯性的原因，转子旋转频率几乎不变，而转差频率和转差率均将增大，进而使转矩增大。例如，当定子频率由fsK1提高到fsK2时，电机所产生的转矩将由点1增到点2。于是电动机加速，最后达到新的稳定点2。同样，当定子频率降低时，例如由fsK1降低到fsK3时，电动机所产生的转矩将由点1变到点3，并出现电机的轴转速高于同步转速的情况，这时转差率为负值。当电动机进入发电机状态工作时，电机产生制动转矩，并将电机轴上的机械能转换为电能。根据变频调速系统主电路结构和控制方法不同，这种电能或者被反馈到电源中去（再生制动）或者消耗在外接电阻与主电路中（能耗制动）。在制动过程中，电动机逐渐减速，最后稳定运行在某一较低速度的工作点3上。由图可知，在转差率不加控制的频率开环系统中，定子频率的调节不能过快，否则将超过颠覆点造成停机。已知转差率： s=（s- r ）/ s （4-4）式中r为转子角频率；s为转差角频率。如果在起动时改变定子供电电源的相序，气隙磁场的方向就会反转，从而使电动机向相反方向旋转。如果在运行中突然改变定子电源的相序，与定子磁场的转向相比，转子的转速则变为负值。由式（4-4）可知，这时s1，电机为反接制动工作状态。由于鼠笼式异步电机不能外接转子电阻限制转子电流，所以反接制动时，定、转子电流将急剧增加，因而一般不宜采用这种反接制动方式。 在工频电源下运行的鼠笼式异步电机，起动电流一般为额定电流的56倍，而起动转矩却较小，这是由于起动时转差频率较高，转子漏抗增大，转子功率因数下降而造成的。在变频调速系统中，以低频起动时则可以提高起动时转子的功率因数，进而增大起动转矩，无论负载轻重，一般起动电流可不超过额定电流的两倍左右。4.2变频调速的控制方式 利用改变定子工作频率进行变频调速时，希望同时改变定子电压，以便使气隙磁通维持不变。根据定子电压Vs和定子频率fs的不同比例关系，将有不同的变频调速控制方式，常用的有恒压频比、恒磁通、恒功率等三种方式。 恒压频比控制方式 恒压频比控制方式是保持Vs/fs等于常数的比例控制方式。 在异步电机中，外加电源电压若为Vs，定子产生的反电势侧为Es=4.44fs Nsk0M如果略去定子阻抗压降，则有VsEs=4.44fs Nsk0M （4-5）式中 fs定子频率； Ns定子每组绕组的匝数； k0比例系数； FM气隙磁通 由式（4-5）可知，为保持气隙磁通近似不变，在调节定子频率fs的同时必须正比例地调节定子外加电压Vs，即使Vs/fs=4.44Nsk0M=常数。 另外，假定转差频率fsL很小，电机转速又不是很低，那么转子漏抗xr与转子电阻Rr相比，其作用可以忽略，即xr Rr那么，转子功率因数cosj1，式（4-1）所示的转矩公式变为TemkTMIr （4-6）式中M为恒值。在以上条件下，转子电流只与转差频率成正比，所以转矩也只与转差频率成正比。 由上可知，调速过程中若保持磁通恒定，在转差频率fsL较小时，输出转矩Tem与转差频率在任何工作频率下均为线性关系。若在恒转矩负载条件下工作，则在不同的定子调节频率情况下，转子中的电压、电流具有相同的恒定工作频率。而转差率s不是定值，当定子频率fs减小时，转差率s增加。转子中的损耗随着fs增加。转子中的损耗随着fs的降低而增加。 恒磁通控制方式 恒磁通控制方式是保持Tem等于常数的控制方式。在上述按照Vs/fs常数的恒压频比控制方式下，在低频时由于定子电阻Rr的压降占的比重增加，即使在转差率fsL很小的情况下，也无法使电机的最大转矩Tm保持恒定。Tm要随频率的下降而减小，在低频时起动转矩也很小，甚至不能带动负载。因此，Vs/fs常数的恒压频比控制方式只适用于调速范围不宽或转矩随转速下降而减小的场合，如风机、泵类等负载。对于调速范围宽的转矩性质的负载，则希望在整个调速范围中维持Tem不变。亦即按Es/fs常数进行控制。 为了保证Tem不变，随着fs的降低必须适当提高定子电压Vs，以便补偿定子电阻Rr上的压降。也就是说，提高外加电压的目的仍然是为保持气隙磁通恒定，进而保证最大转矩Tm不变。频率越低，需要的外加补偿电压越高。 恒功率控制方式 在电机的工作频率超过同步频率时，也即转速超过额定转速时，如采用Vs/fs常数的方式进行调速，势必增加外加电压Vs，并使其超过额定电压，这在一般情况下是不允许的，所以同步转速以上的调速往往不再使定子电压升高，而是保持为额定电压。但因此在升高频率时气隙磁通即减小，并导致转矩减小。它类似于直流电机弱磁调速的方式，可近似认为这种调速方式为恒功率调速。4.3四象限变频调速技术介绍 4.3.1 异步电动机在变频控制下的四象限运行我们知道交流异步电动机有三种运行状态，即电动运行状态、发电运行状态和制动运行状态。当异步电动机由一功率可逆、相序能任意改变的变频电源供电时，可以方便地实现在三种运行状态之间的转换。特别是在电动运行状态和发电运行状态之间的转换使系统实现发电回馈制动。通过改变变频电源频率和异步电机转子角频率的相对大小使异步电动机工作在转矩速度平面的一象限或二象限。通过改变变频电源的输出相序，改变电机旋转磁场的方向，使电机工作在三、四象限，实现所谓四象限运行，如图4-2所示。4.3.2 四象限变频调速对变频器的基本要求功率可逆功率可逆是对四象限变频调速的最基本要求。异步电机运行发电状态时，把输入机械能转换为电能，从定子绕组输出，这部分电能必须回送到变频器。变频器必须以某种方式吸收这些能量，并以某种方式将这些能量送回电网或以某种形图4-2 异步电动机变频控制下的四象限运行Fig.4-2 four-quadrant running curve of asynchronous motor controlling by frequency conversion式存储或消耗掉，这个过程就是功率（能量）可逆的过程。我们前面讨论过几种实现功率可逆的方法，比较理想的就是将异步电机回送的电能进一步回馈到交流电网，这种方式又常被称为再生制动。4.3.3 可实现再生制动四象限运行的变频器的基本结构特点交流变频调速技术发展到今天，人们研制出了许多交流变频技术，如：直接交交变频，交直交变频，矩阵式交交变频等。这些变频调速技术中能实现再生制动四象限运行的主要是交直交变频和矩阵式交交变频技术，下面分别对这几种变频调速系统的四象限运行作简单介绍。目前研究最多应用也最广泛的是电压源型交直交变频器。而基于SPWM技术的电压源型交直交变频器，在中、小功率通用型变频器中属于主流产品，这种变频器的主电路基本结构如图4-3a所示，这种电路结构的变频器。由于其输入侧采用的是不可逆二极管整流，无法实现制动能量向电网的回馈。要实现再生制动的四象限运行需要采用类似图4-3b或图4-3c所示电路，输入侧采用可控整流或不可控整流并联回馈逆变器的方法实现能量回馈。当需要发电制动状态工作时，控制变频器在给定的方向使输出频率略低于异步电机转子角频率，且控制输出电源使其与输出频率保持协调（电压频率曲线类似图4-4）。这种异步电图4-3a 电压源型交直交变频器 图4-3b四象限运行变频器Fig.4-3a Voltage source type ac-dc-ac Fig.4-3b Four-quadrant frequency converter frequency converter机从变频器吸入滞后的无功功率（用作定子励磁），同时发出电能通过逆变桥主控元件上的整流二极管，回到交直交变频器直流回路，并使电压源型变频器中间直流回路电压升高。整流桥 整流桥图4-3c 晶闸管可逆变流器Fig.4-3c Reversible converter using thyristor图4-3c晶闸管可逆变流器是一种曾经较流行的再生能量向电网回馈方式。在电机运行状态下，由整流桥向负载提供功率；再生制动状态下，由反并联的整流桥作有源逆变运行（90）将功率回馈到交流电网，这种方式下采用相位控制方式调压，电网换相技术比较成熟。但也有相应的缺点，如深控时功率因数低，谐波含量高，换相重叠引起电网电压波形畸变等。随着各种全控式开关器件的实用化，人们又研究出斩控式可逆变流器，图4-5为采用自关断器件IGBT为主开关的斩控式可逆变流器的原理图。图4-4 电压频率曲线Fig.4-4 Voltage-frequency curve图4-5 斩控式可逆变流器的原理图Fig.4-5 Schematic diagram of chop-type reversible converter当异步电机发电运行，回馈能量使中间直流回路电压升高时，斩控制可逆变流控制器根据检测到的输入交流电压相位，幅值以脉宽调制的方式启动输入侧IGBT实施逆变，且逆变电压高于输入交流电压，迫使输入电流反向，使变频器从吸收电网功率变成向电网馈送电功率。从而使中间回路直流电压维持在给定值。在回馈中可采用SPWM方式，并借助输入交流电抗器，使回馈电流波形为正弦波，大大减轻对电网的谐波污染。这种方案实现了变频器的高性能化，可以做到再生制动功率等于电动功率，具有比较理想的四象限特性。这种方式的缺点是控制复杂，输入侧要用自关断器件，造价较高。矩阵式交交变频器是另一种较新式的变频器。虽然该技术尚未成熟，但由于该技术省去中间直流环节，从而省去了体积大，价格贵的电解电容，并且它能实现功率因数为1，正弦输入、正弦输出，提供固有的能量双向流动四象限运行的特性，具用较广泛的应用前景。根据参考文献22、27，目前这种技术在实验室已进行4kW电机的试验，其结构如图4-6。由于采用该技术进行变频转换所用的九个主开关全部为双向开关，从理论上讲这种技术的四象限运行能力是固有的。但这种变频器电压转换系数低（最高0.86）对相间电压不平衡敏感等一些缺点，距真正实用化还有一定的距离。图4-6 矩阵式交交变频器Fig.4-6 Matrix-type ac-ac frequency converter就现阶段来看，比较先进成熟且实践检验比较可靠的四象限变频器，还是采用IGBT双向逆变的交直交电压源型变频器。第五章 四象限变频调速技术在采煤机上应用的要求及总体思路第五章 四象限变频调速技术在采煤机上应用的要求及总体思路经过近二十年的不断努力，采用异步电机变频调速拖动的交流电牵引采煤机技术逐渐成熟，并且在近水平煤层的开采中得到了推广应用。但目前的交流电牵引采煤机只能在平缓的煤层开采中使用，而我国煤田范围广阔，煤层结构复杂，倾斜煤层占有相当比例（约30%），开发适应于倾斜煤层的交流电牵引采煤机，已成为采煤机技术发展的一个重要方向。由于采煤机自身重量极大，约30t50t，这样沉重的设备在倾斜煤层采煤工作面上下运行时的制动和安全是必须解决的问题。在倾斜煤层中运行时，采煤机牵引系统的负载特性非常类似于起重机负载，即是位能负载，采煤机自重越大，煤层倾斜度越大，这种位能负