四象限變頻調(diào)速技術(shù)在電牽引采煤機(jī)上的應(yīng)用研究

1、一. 論文題目 四象限變頻調(diào)速技術(shù)在電牽引采煤機(jī)上的應(yīng)用研究二. 內(nèi)容提要八十年代以后，世界各國的采煤機(jī)技術(shù)裝備為適應(yīng)煤礦現(xiàn)代化高產(chǎn)高效的需要，加速應(yīng)用各項(xiàng)新技術(shù)，特別是隨著微機(jī)控制技術(shù)和大功率電子元件的發(fā)展，美、英、德、日等國的電牽引采煤機(jī)迅速發(fā)展。交流變頻調(diào)速技術(shù)在我國煤炭行業(yè)采煤機(jī)裝備上推廣應(yīng)用是在九十年代初開始的，目前該項(xiàng)技術(shù)僅應(yīng)用于水平煤層的電牽引采煤機(jī)。我國煤炭儲量豐富，煤炭產(chǎn)量居世界首位，其中緩傾斜煤層的儲量占30%左右，目前仍使用技術(shù)落后的液壓牽引采煤機(jī)，無法達(dá)到高產(chǎn)高效。交流電牽引采煤機(jī)還未解決在傾斜煤層下行時(shí)的制動及能量反饋等牽引問題而無法應(yīng)用。本文就電牽引采煤機(jī)在傾斜煤層

2、的應(yīng)用的有關(guān)問題進(jìn)行研究，提出了相關(guān)對策，并開發(fā)出一套電牽引采煤機(jī)四象限變頻調(diào)速技術(shù)系統(tǒng)應(yīng)用于MGYS180/460-WD型采煤機(jī)。介紹了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了系統(tǒng)試驗(yàn)、牽引特性試驗(yàn)并對試驗(yàn)情況進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果表明應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)的交流電牽引采煤機(jī)能適應(yīng)傾斜煤層的開采。三. 目的要求四. 附有圖紙、圖表四象限變頻調(diào)速技術(shù)在電牽引采煤機(jī)上的應(yīng)用研究摘 要八十年代以后，世界各國的采煤機(jī)技術(shù)裝備為適應(yīng)煤礦現(xiàn)代化高產(chǎn)高效的需要，加速應(yīng)用各項(xiàng)新技術(shù)，特別是隨著微機(jī)控制技術(shù)和大功率電子元件的發(fā)展，美、英、德、日等國的電牽引采煤機(jī)迅速發(fā)展。交流變頻調(diào)速技術(shù)在我國煤炭行業(yè)采煤機(jī)裝備上推廣應(yīng)用是在九十年代

3、初開始的，目前該項(xiàng)技術(shù)僅應(yīng)用于水平煤層的電牽引采煤機(jī)。我國煤炭儲量豐富，煤炭產(chǎn)量居世界首位，其中緩傾斜煤層的儲量占30%左右，目前仍使用技術(shù)落后的液壓牽引采煤機(jī)，無法達(dá)到高產(chǎn)高效。交流電牽引采煤機(jī)還未解決在傾斜煤層下行時(shí)的制動及能量反饋等牽引問題而無法應(yīng)用。本文就電牽引采煤機(jī)在傾斜煤層的應(yīng)用的有關(guān)問題進(jìn)行研究，提出了相關(guān)對策，并開發(fā)出一套電牽引采煤機(jī)四象限變頻調(diào)速技術(shù)系統(tǒng)應(yīng)用于MGYS180/460-WD型采煤機(jī)。介紹了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了系統(tǒng)試驗(yàn)、牽引特性試驗(yàn)并對試驗(yàn)情況進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果表明應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)的交流電牽引采煤機(jī)能適應(yīng)傾斜煤層的開采。關(guān)鍵詞：電牽引采煤機(jī)，四象限，變頻調(diào)速

4、，傾斜煤層。目 錄第一章 采煤機(jī)概述11.1采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理11.2采煤機(jī)的分類2第二章 電牽引采煤機(jī)的現(xiàn)狀與發(fā)展32.1電牽引采煤機(jī)的技術(shù)及應(yīng)用現(xiàn)狀32.2采煤機(jī)電牽引技術(shù)介紹42.3采煤機(jī)電牽引技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展方向92.4電牽引采煤機(jī)存在的問題10第三章 傾斜煤層開采的電牽引采煤機(jī)對策123.1采煤機(jī)減速停車時(shí)的制動功率計(jì)算123.2采煤機(jī)在傾斜煤層開采的受力分析143.3電牽引采煤機(jī)在不同傾角煤層的應(yīng)用方案16第四章 四象限變頻調(diào)速技術(shù)的原理194.1變頻調(diào)速機(jī)械特性194.2變頻調(diào)速的控制方式214.3四象限變頻調(diào)速技術(shù)介紹23第五章 四象限變頻調(diào)速技術(shù)在采煤機(jī)上應(yīng)用的要求與總體思

5、路285.1交流電牽引采煤機(jī)對變頻調(diào)速系統(tǒng)的一般要求285.2對用于傾斜煤層的采煤機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的一些特殊要求305.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體思路30第六章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)316.1四象限變頻調(diào)速裝置選擇316.2MGYS180/460-WD型電牽引采煤機(jī)電氣系統(tǒng)研制346.3MGYS180/460-WD型電牽引采煤機(jī)控制及保護(hù)原理356.4MGYS180/460-WD型電牽引采煤機(jī)牽引調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)396.5相關(guān)技術(shù)及措施466.5.1 裝置的隔爆技術(shù)及措施466.5.2 裝置的抗震技術(shù)及措施476.5.3 裝置的冷卻技術(shù)及措施49附錄 57參考文獻(xiàn) 63致謝 65第一章 采煤機(jī)概述 采煤機(jī)是煤礦生產(chǎn)的

6、重要設(shè)備，其具有采煤和裝煤等功能。采煤機(jī)一般有連續(xù)采煤機(jī)和滾筒式采煤機(jī)兩種。本文所涉及的采煤機(jī)均為滾筒式采煤機(jī)。1.1采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理 采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)經(jīng)過單滾筒到雙滾筒、單電機(jī)到多電機(jī)、縱向布置到橫向布置的發(fā)展，已逐步趨向于成熟。如圖1-1所示為多電機(jī)橫向布置的雙滾筒采煤機(jī)，其結(jié)構(gòu)從功能上分有：截割部、牽引部、電氣控制系統(tǒng)、液壓調(diào)高系統(tǒng)、水路冷卻噴霧系統(tǒng)等。圖1-1 采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)圖Fig.1-1 Structure chart of Shearer截割部有左截割部和右截割部，由滾筒1（或11）、搖臂2（或10）及電動機(jī)組成，由其完成落煤和裝煤。牽引部由控制系統(tǒng)（主要由變頻調(diào)速箱6組成，內(nèi)含

7、牽引變壓器、變頻調(diào)速裝置等）和左傳動箱4（包括牽引電動機(jī)或液壓馬達(dá)）、牽引箱3、右傳動箱9（包括牽引電動機(jī)或液壓馬達(dá)）、牽引箱3組成，由其完成采煤機(jī)的牽引行走。電氣控制系統(tǒng)（主要由電控箱7、端頭控制站、無線電遙控裝置等組成）實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的檢測、保護(hù)、控制、顯示等功能。液壓調(diào)高系統(tǒng)由液壓系統(tǒng)（主要由調(diào)高泵箱5、閥組等組成）、調(diào)高油缸及管路等組成，完成采煤機(jī)搖臂的高度調(diào)節(jié)功能。水路冷卻噴霧系統(tǒng)由水閥8、管路及噴嘴等組成，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)各部件的冷卻、外噴霧及滾筒的內(nèi)噴霧等功能。采煤工作面的主要設(shè)備有采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架組等。采煤機(jī)的工作原理：采煤機(jī)沿刮板輸送機(jī)的軌道左右行走的同時(shí)，由于采煤機(jī)的滾筒

8、裝有截齒，滾筒旋轉(zhuǎn)截割煤層并將落煤裝進(jìn)刮板輸送機(jī)。刮板輸送機(jī)將煤運(yùn)往工作面以外的運(yùn)輸系統(tǒng)。液壓支架組的作用是為采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)支撐出一個(gè)工作空間。每個(gè)液壓支架和刮板輸送機(jī)之間有推進(jìn)油缸，可以推刮板輸送機(jī)和拉液壓支架，起到將整個(gè)采煤工作面向前推進(jìn)的目的。為適應(yīng)煤層厚度的變化，可通過控制調(diào)高油缸的伸縮來改變搖臂擺角以實(shí)現(xiàn)滾筒高度的改變。1.2采煤機(jī)的分類采煤機(jī)有不同的分類方式：根據(jù)采煤方式的不同可分為：連續(xù)式采煤機(jī)和長臂滾筒式采煤機(jī)。根據(jù)牽引方式的不同可分為：機(jī)械牽引采煤機(jī)、液壓牽引采煤機(jī)、電牽引采煤機(jī)。而電牽引方式又有電磁滑差調(diào)速、變頻調(diào)速、開關(guān)磁阻調(diào)速等。 根據(jù)滾筒布置方式的不同可分為：單滾

9、筒采煤機(jī)、雙滾筒采煤機(jī)、短臂采煤機(jī)。 根據(jù)電機(jī)布置方式的不同可分為：單電機(jī)或雙電機(jī)縱向布置采煤機(jī)和多電機(jī)橫向布置采煤機(jī)。 目前國際上采煤機(jī)行業(yè)的發(fā)展方向是：多電機(jī)驅(qū)動、橫向布置交流電牽引采煤機(jī)。第二章 電牽引采煤機(jī)的現(xiàn)狀和發(fā)展2.1我國電牽引采煤機(jī)的技術(shù)及應(yīng)用現(xiàn)狀八十年代中期開始，中國煤炭科學(xué)研究總院上海分院與波蘭KOMAG合作，于1991年在國內(nèi)率先研制成功第一臺應(yīng)用交流變頻調(diào)速技術(shù)的MG344-PWD型薄煤層強(qiáng)力爬底板采煤機(jī)。隨后，利用研制成功的交流變頻調(diào)速技術(shù)對MG300和AM500型液壓牽引采煤機(jī)進(jìn)行了改造，形成了MG300/680-WD和MG375/830-WD型截割電機(jī)縱向布置的交

10、流電牽引采煤機(jī)；同時(shí)，在國內(nèi)首先開發(fā)截割電機(jī)橫向布置的MG200/500-WD、MG250/600-WD、MG400/920-WD和MG450/1020-WD型中厚煤層交流電牽引采煤機(jī)以及MG200/450-WD、MG250/550-WD型較薄煤層交流電牽引采煤機(jī)，并已成功應(yīng)用于晉城、淮南、徐州、大同等局礦。到目前為止，國內(nèi)各采煤機(jī)生產(chǎn)廠家均對交流電牽引采煤機(jī)進(jìn)行了大量的研制開發(fā)：太原礦山機(jī)器廠在與煤科總院上海分院合作將AM500液壓牽引采煤機(jī)改造成MG375/830-WD型交流電牽引采煤機(jī)后，與兗州礦業(yè)集團(tuán)合作，研制成功了應(yīng)用交流變頻調(diào)速技術(shù)的MGTY400/900-3.3D型交流電牽引采煤

11、機(jī)，同時(shí)也開發(fā)了MG250/600-1.14D型交流電牽引采煤機(jī)。雞西煤機(jī)廠在與煤科總院上海分院合作將MG2´300-W型液壓牽引采煤機(jī)改造成MG300/680-WD型交流電牽引采煤機(jī)后，也研制開發(fā)了應(yīng)用交流變頻調(diào)速技術(shù)的MG200/463型、MG400/985型交流電牽引采煤機(jī)。遼源煤機(jī)廠在與煤科總院上海分院合作生產(chǎn)MG344-PWD交流電牽引采煤機(jī)后，1998年與邢臺礦業(yè)集團(tuán)合作研制成功我國首臺應(yīng)用電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速技術(shù)的MG668-WD電牽引采煤機(jī)。無錫采煤機(jī)廠與中紡機(jī)電研究所合作，于2000年開發(fā)研制成功國內(nèi)首臺應(yīng)用開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速技術(shù)的MG200/500-CD型電牽引采煤機(jī)

12、。經(jīng)過近二十年的研制開發(fā)，我國的交流電牽引采煤機(jī)已逐步走向成熟。交流電牽引技術(shù)的應(yīng)用也不斷推陳出新，滿足了不同煤礦用戶的使用要求，為煤礦生產(chǎn)的技術(shù)進(jìn)步起到了積極的推動作用。2.2采煤機(jī)電牽引技術(shù)的介紹目前國內(nèi)使用的交流電牽引采煤機(jī)的電牽引調(diào)速系統(tǒng)主要有三種：電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速系統(tǒng)，交流變頻調(diào)速系統(tǒng)和開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。它們的調(diào)速原理、性能和特點(diǎn)各不相同，但基本上都可分為控制部分和牽引電機(jī)兩大部分。電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速系統(tǒng)該系統(tǒng)控制部分較為簡單，關(guān)鍵部分是牽引電機(jī)，即電磁轉(zhuǎn)差離合器（俗稱滑差離合器）。電磁轉(zhuǎn)差離合器工作原理如圖2-1所示，它的電樞為一鋼體圓筒，裝在三相異步電動機(jī)的輸出軸上，與電動

13、機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，兼有導(dǎo)磁和導(dǎo)電的功能。磁極為一對對相互交叉的爪極，通過非磁性材料將爪極焊接為整體裝在輸出軸上。磁極與電樞間有氣隙，兩者間無機(jī)械連接。勵(lì)磁繞組裝在支架上，支架一端與磁軛相聯(lián)，它兼作線圈固定與導(dǎo)磁用，支架的另一端固定于端蓋上，組成靜止的導(dǎo)磁部分，并借助兩輔助氣隙與磁極分開。電樞作為主動轉(zhuǎn)子與三相異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子硬連接以恒速旋轉(zhuǎn)，磁極作為從動轉(zhuǎn)子在電樞與靜止的導(dǎo)磁部分之間旋轉(zhuǎn)，并產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，帶動采煤機(jī)牽引減速箱運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)勵(lì)磁繞組通入直流電流后，沿磁極圓周交替產(chǎn)生N、S極，磁力線經(jīng)過磁極、氣隙、電樞、支架等構(gòu)成回路。由于電樞以恒速n1旋轉(zhuǎn)，電樞與磁極間存在一定的轉(zhuǎn)速差，電樞切割磁場產(chǎn)生感應(yīng)電動勢

14、并產(chǎn)生渦流，此渦流與磁場作用在電樞上產(chǎn)生與其旋轉(zhuǎn)方向相反的力，根據(jù)作用力與反作用力的原理，在磁極上圖2-1 電磁轉(zhuǎn)差離合器工作原理圖Fig.2-1 Operational principle diagram of Electromagnetic differential clutch就產(chǎn)生一個(gè)與電樞旋轉(zhuǎn)方向相同的力，使磁極按電樞旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)，即按異步電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向輸出轉(zhuǎn)矩來帶動負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)。電磁轉(zhuǎn)差離合器的輸出轉(zhuǎn)速就是磁極的轉(zhuǎn)速n2。轉(zhuǎn)速n2的高低取決于磁極與電樞間耦合力的大小，即取決于勵(lì)磁電流的大小，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩恒定時(shí)，勵(lì)磁電流越大，n2越大，但n2始終低于n1，若沒有（n1-n2）這個(gè)轉(zhuǎn)速差，

15、電樞中就不能產(chǎn)生渦流，也就沒有電磁轉(zhuǎn)矩了。該調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用于采煤機(jī)上主要有以下特點(diǎn)：1 技術(shù)可靠、成熟，制造難度?。? 控制系統(tǒng)簡單，便于采煤機(jī)操作、維護(hù)工人的熟悉和掌握；3 輸出機(jī)械特性較軟，對采煤機(jī)牽引部齒輪減速傳動系統(tǒng)起到保護(hù)作用，可以避免卡、阻現(xiàn)象形成的突加負(fù)載對齒輪、軸可能造成的損壞；4 供電電壓為1140V，和采煤機(jī)截割電機(jī)供電電壓一致，使采煤機(jī)供電系統(tǒng)顯得簡單方便。同時(shí)該調(diào)速系統(tǒng)也有一定的局限性，主要有：1 調(diào)速范圍?。褐荒茉诋惒诫妱訖C(jī)額定轉(zhuǎn)速下調(diào)速，不能滿足采煤機(jī)高產(chǎn)高效要求的高牽引速度的需要；2 效率低：該調(diào)速系統(tǒng)在交流調(diào)速類型中屬轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)，它是以增加轉(zhuǎn)差功率的消

16、耗來換取轉(zhuǎn)速的降低（恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)），越向下調(diào)速效率越低；3 換向可靠性低：由于該調(diào)速系統(tǒng)的輸出換向是通過切換三相異步電動機(jī)1140V電源的相序來實(shí)現(xiàn)，所以在采煤機(jī)上必須安裝接觸器，而接觸器的抗機(jī)械振動和沖擊性能較差。4 電磁轉(zhuǎn)差離合器的散熱要求高：因?yàn)槠湫实膿p失部分均轉(zhuǎn)換成熱能，所以必須有完善的冷卻系統(tǒng)。交流變頻調(diào)速系統(tǒng)交流變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用于采煤機(jī)上所使用的牽引電機(jī)均為通用的隔爆型三相異步電動機(jī)。系統(tǒng)的關(guān)鍵在于控制部分，即變頻器。目前采煤機(jī)上應(yīng)用的變頻器基本上是VVVF（變壓變頻）變頻器。眾所周知，異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n60fs/p(1-s)，其中fs為定子供電頻率，p為電動機(jī)極對數(shù)，s為轉(zhuǎn)差率

17、。從公式可以看出，通過連續(xù)地調(diào)節(jié)電動機(jī)定子供電頻率fs，就可以平滑地改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n。圖2-2 VVVF變頻器主電路Fig.2-1 VVVF converter main circuit另外，根據(jù)電機(jī)定子每相電動勢的有效值公式可知變頻調(diào)速有兩種情況：基頻以下調(diào)速為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，基頻以上調(diào)速為恒功率調(diào)速。圖2-2為VVVF變頻器主回路電路，由橋式整流電路、濾波環(huán)節(jié)、逆變電路組成。380V三相交流電源經(jīng)橋式整流電路整流，再經(jīng)濾波為逆變電路提供恒定的直流電源。逆變電路是變頻器的關(guān)鍵，一般它由六組功率管（IGBT或IPM管）構(gòu)成三相上、下橋臂。六組功率管的通斷是由微機(jī)電路和驅(qū)動電路來控制的，通過一定的

18、控制方式（如PWM控制方式），使逆變電路輸出變頻變壓的電源給三相異步電動機(jī)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速與換向。該調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用于采煤機(jī)上具有以下特點(diǎn)：1 起動性能好：與三相異步電動機(jī)直接起動相比，變頻調(diào)速系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)軟起動；2 針對調(diào)速系統(tǒng)有基頻以下和基頻以上兩個(gè)區(qū)域的特點(diǎn)，將采煤機(jī)牽引設(shè)計(jì)成：基頻以下的恒轉(zhuǎn)矩區(qū)進(jìn)行進(jìn)刀割煤，基頻以上的恒功率區(qū)進(jìn)行空刀調(diào)動，適應(yīng)了煤炭生產(chǎn)高產(chǎn)高效的快速牽引的要求；3 由于變頻調(diào)速屬轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)，所以效率高；4 隨著微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展和大功率電子元器件的日新月異，變頻調(diào)速技術(shù)在調(diào)速性能、調(diào)速精度等方面已經(jīng)完全可以與直流調(diào)速相比擬；5 由于變頻調(diào)速系統(tǒng)負(fù)載電機(jī)（即牽引

19、電機(jī)）采用普通隔爆型三相異步電動機(jī)，可靠性高，可以基本做到免維護(hù)。但變頻調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)難度大，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，煤礦現(xiàn)場工人初期難掌握。開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（SRD）開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（以下簡稱SRD系統(tǒng)）融新穎的電動機(jī)與現(xiàn)代電力電子技術(shù)、控制技術(shù)為一體，兼有異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)和直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，但又不同于交流變頻調(diào)速與直流調(diào)速，SRD系統(tǒng)是利用磁場和磁場力所具有的特性直接將磁場力轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的過程。整個(gè)SRD系統(tǒng)由電動機(jī)和控制部分組成（如圖2-3所示）。電動機(jī)為定轉(zhuǎn)子雙凸極12/8齒結(jié)構(gòu)（如圖2-4所示）。定子齒上有集中繞組，每四個(gè)齒的繞組相連接（圖中只表示A相），構(gòu)成A

20、、B、C三相繞組。SR電動機(jī)運(yùn)行遵循“磁阻最小原理”，磁通總是沿著最小的路徑閉合。當(dāng)某相繞組通電時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)使鄰近轉(zhuǎn)子齒與該相繞組軸線相重的電磁轉(zhuǎn)矩。依次對A、B、C相循環(huán)通電，即可使電動機(jī)旋轉(zhuǎn)起來。改變?nèi)嗤姶涡蚣纯筛淖冸妱訖C(jī)旋向，控制繞組電流的大小和通斷時(shí)刻，就可以改變輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。圖2-3 SRD系統(tǒng)框圖Fig.2-3 Block diagram of SRD system圖2-4 SR電動機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.2-4 SR motor construction為了檢測電動機(jī)轉(zhuǎn)子的瞬時(shí)位置和轉(zhuǎn)速，必須在電動機(jī)上裝有光電編碼位置傳感器?？刂撇糠值闹麟娐啡鐖D2-5所示。三相交流電源經(jīng)橋式整流

21、器轉(zhuǎn)換為直流電源。六組IGBT管和六組二極管組成三相半橋式逆變電路，為電動機(jī)的A、B、C三相繞組依次供電。圖2-5 控制部分的主電路Fig.2-5 Main circuit of control unitSRD調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用于采煤機(jī)上有如下特點(diǎn)：1 起動轉(zhuǎn)矩大。起動轉(zhuǎn)矩可達(dá)額定轉(zhuǎn)矩的150，起動電流僅為額定電流的30，適用于重載頻繁起動；2 控制電路結(jié)構(gòu)簡單可靠，適用于惡劣的工況條件；3 系統(tǒng)效率高，特別能在大扭矩，高轉(zhuǎn)速狀態(tài)下保持高效率運(yùn)行；4 SR電動機(jī)損耗小，效率高，轉(zhuǎn)子不存在勵(lì)磁及轉(zhuǎn)差率，因此在很寬的調(diào)速范圍內(nèi)效率高達(dá)87以上；5 SRD系統(tǒng)三相電流單向流動，與轉(zhuǎn)矩方向無關(guān)。做到只用一組

22、主開關(guān)器件即可控制系統(tǒng)運(yùn)行，而且主電路中始終有一相繞組與主開關(guān)器件串聯(lián)，這就從結(jié)構(gòu)上排除了短路擊穿的可能。2.3采煤機(jī)電牽引技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展方向1 高電壓。目前在采煤機(jī)上應(yīng)用的三種交流電牽引技術(shù)除電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速系統(tǒng)的供電電源為1140V外，其余均為380V，使得采煤機(jī)供電系統(tǒng)繁雜，并且還需要牽引變壓器，增加了采煤機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。如果實(shí)現(xiàn)1140V（或3300V）供電的變頻調(diào)速系統(tǒng)或SRD系統(tǒng)，必將使采煤機(jī)更趨優(yōu)化。2 大功率。為了實(shí)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)的高產(chǎn)高效，要求采煤機(jī)的截割功率、牽引功率不斷增大，牽引速度不斷提高。目前國際上美國JOY公司生產(chǎn)的7LS5型交流電牽引采煤機(jī)的牽引功率已達(dá)2×

23、;110kW。3 高可靠性。高產(chǎn)高效要求采煤工作面達(dá)到日產(chǎn)700010000t水平，采煤機(jī)的可靠性將成為影響原煤產(chǎn)量的主要因數(shù)。而電牽引系統(tǒng)是采煤機(jī)的關(guān)鍵，其技術(shù)裝置的可靠性必定是至關(guān)重要的。2.4目前電牽引采煤機(jī)存在的問題適應(yīng)性問題現(xiàn)有交流電牽引采煤機(jī)基本上應(yīng)用于近水平煤層的開采，對于傾斜煤層、大傾角煤層無法適應(yīng)。其原因在于電牽引系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)完全可靠的四象限運(yùn)行，而在傾斜煤層應(yīng)用時(shí)，采煤機(jī)必須要有可靠的制動力來克服自重所產(chǎn)生的下滑力。這就大大縮小了交流電牽引采煤機(jī)的使用范圍。而我國傾斜煤層的儲量占相當(dāng)大比例，要實(shí)現(xiàn)傾斜煤層開采的高產(chǎn)高效，就必須解決交流電牽引采煤機(jī)的四象限運(yùn)行問題?？拐饐栴}眾

24、所周知，采煤機(jī)在煤礦井下的工作環(huán)境必然存在振動和沖擊的強(qiáng)烈程度隨采煤工作面的條件不同而變化：如煤質(zhì)硬度、夾矸、頂?shù)装鍡l件、三機(jī)配套的合理性等。市場銷售的通用性變頻器基本上是固定靜止安裝設(shè)計(jì)，最多只考慮了運(yùn)輸途中的震動因素。其給出的抗震指標(biāo)也不能滿足采煤機(jī)的使用要求。電牽引采煤機(jī)將通用性變頻器移植到機(jī)身上時(shí)必須增加防震措施。散熱問題 散熱主要是針對變頻器的大功率元器件，如整流橋、IGBT模塊等。由于使用在煤礦井下有瓦斯和煤塵等爆炸性氣體的環(huán)境，將通用性變頻器改裝到一個(gè)隔爆型箱體內(nèi)，這樣就打破了原有變頻器風(fēng)冷的方式。電牽引采煤機(jī)采用何種散熱方式需要我們認(rèn)真考慮。第三章 傾斜煤層開采的電牽引采煤機(jī)對

25、策3.1采煤機(jī)減速停車時(shí)的制動功率計(jì)算 根據(jù)電力傳動系統(tǒng)的運(yùn)動方程式，當(dāng)電動機(jī)減速時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩M大于電磁轉(zhuǎn)矩M，其差值為減速轉(zhuǎn)矩，不考慮摩擦阻力的作用，可得制動轉(zhuǎn)矩為 （3-1） 其中 n電動機(jī)轉(zhuǎn)速 圖3-1所示為制動時(shí)間圖，設(shè)電動機(jī)從最高轉(zhuǎn)速N減速到0所需要的時(shí)間為t1秒，系統(tǒng)重復(fù)使用的周期為t2秒。由（3-1）式可得，電動機(jī)從最高轉(zhuǎn)速N減速到0所需的最大制動轉(zhuǎn)矩為：= （3-2）實(shí)際的采煤機(jī)傳動系統(tǒng)中，存在有機(jī)械摩擦損耗，另外還有一些附加損耗，根據(jù)使用的實(shí)際情況，假設(shè)這些損耗大約為電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的10左右，由電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式： （3-3）得實(shí)際的制動轉(zhuǎn)矩為： M實(shí) （3-4）式中， 電

26、動機(jī)的額定功率； 電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速； 圖3-1制動時(shí)間圖 Fig.3-1 Time chart of braking process由公式（3-4） 可得實(shí)際需要的最大制動功率為 （3-5） 對于MG250/600-WD1采煤機(jī)，飛輪矩GD包括兩臺牽引電動機(jī)出軸和轉(zhuǎn)子的飛輪矩之和、牽引部傳動機(jī)構(gòu)的飛輪矩、采煤機(jī)做直線運(yùn)動時(shí)質(zhì)量折算到電機(jī)軸的飛輪矩，即 GD （3-6） GD的精確計(jì)算較為困難，只能進(jìn)行估算。 從牽引電機(jī)出軸到行星頭有四級傳動，傳動系統(tǒng)I軸IV軸的轉(zhuǎn)動慣量 折算到電機(jī)出軸的計(jì)算值為0.0272kg .m。 根據(jù)采煤機(jī)兩個(gè)牽引傳動系統(tǒng)，可得飛輪矩為 。兩個(gè)牽引電機(jī)的飛輪矩包括軸的飛

27、輪矩與轉(zhuǎn)子飛輪矩之和，經(jīng)計(jì)算得 采煤機(jī)做直線運(yùn)動時(shí)，其質(zhì)量折算到電機(jī)軸的飛輪矩估算為 式中， 采煤機(jī)的質(zhì)量，34000kg； v采煤機(jī)的最大運(yùn)行速度，0.2m/s； 根據(jù)上述計(jì)算，由式（3-6）可得 GD23.3kg .m 假設(shè)采煤機(jī)從最大轉(zhuǎn)速減速到零的減速時(shí)間設(shè)定為3s，由式（3-5）可得制動功率為： 0.22kW 根據(jù)圖3-1的制動時(shí)間圖，可得出一個(gè)周期的平均制動功率為： （3-7） 考慮最惡劣的情況，由式（3-7）式，可得出一個(gè)周期的平均制動功率為：3.2采煤機(jī)在傾斜煤層開采的受力分析 如圖3-2所示，當(dāng)采煤機(jī)沿傾斜煤層下行時(shí)，牽引電機(jī)將運(yùn)行于發(fā)電狀態(tài)。為使采煤機(jī)在傾斜角為的采煤工作面下

28、行時(shí)能正常穩(wěn)定的運(yùn)行，考慮空載下行的最嚴(yán)重狀況，由圖3-2所示的采煤機(jī)沿傾斜煤層下行時(shí)的受力分析圖可知，采煤機(jī)受力必須滿足 = （3-8）圖3-2 采煤機(jī)下行模擬受力圖Fig.3-2 Loading analysis diagram of shearer running down along slant coal bed式中， 采煤機(jī)的下滑力； 采煤機(jī)與刮板運(yùn)輸機(jī)之間的摩擦力； 采煤機(jī)電牽引系統(tǒng)提供的電制動力。根據(jù)功率與力、速度的關(guān)系有： （3-9）式中， 采煤機(jī)電牽引系統(tǒng)（即變頻器）提供的電制動功率； 采煤機(jī)下行的最大速度。由式3-8和式3-9，得 （3-10）式中，采煤機(jī)的質(zhì)量； 重力加速

29、度； 工作面傾斜角； 采煤機(jī)與刮板運(yùn)輸機(jī)之間的摩擦系數(shù)； 例如MG250/600-WD1型交流電牽引采煤機(jī)，其質(zhì)量=34000kg， 若取=0.2m/s，工作面傾角=20，而摩擦系數(shù)一般介于0.180.25之間，這里取=0.2。我們可以由式3-3計(jì)算出一臺MG250/600-WD1交流電牽引采煤機(jī)在傾角為20的采煤工作面上，以=0.2m/s速度空載下行時(shí)所需的電制動功率為： 10.6kw。由式（3-10）可以繪出采煤機(jī)重量在30t、40t、50t時(shí)的煤層傾角、采煤機(jī)速度、所需的電制動功率關(guān)系曲線，如圖3-3、圖3-4、圖3-5：P（制動功率kW）（煤層傾角）13.9米/分6米/分8.3米/分1

30、2米/分圖3-3 采煤機(jī)重量為30000kg曲線Fig.3-3 Brake power curve when shearer weights 30000kg.P（制動功率kW）13.9米/分12米/分8.3米/分6米/分(煤層傾角）圖3-4 采煤機(jī)重量為40000kg曲線Fig.3-4 Brake power curve when shearer weights 40000kg.P（制動功率kW）13.9米/分12米/分8.3米/分6米/分(煤層傾角）圖3-5 采煤機(jī)重量為50000kg曲線Fig.3-5 Brake power curve when shearer weights 50000

31、kg.3.3電牽引采煤機(jī)在不同傾角煤層的應(yīng)用方案根據(jù)以上分析可以知道，交流電牽引采煤機(jī)是可以運(yùn)行于傾斜煤層工作面的，而且根據(jù)采煤機(jī)所需制動功率的大小，還可以選擇不同的變頻器運(yùn)行方案。根據(jù)圖3-3、圖3-4、圖3-5關(guān)系曲線，以及我們掌握的電牽引采煤機(jī)的實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和采煤工作面等有關(guān)綜合因素，大致可考慮：煤層傾角在1525°左右、并且煤層傾角的連續(xù)長度不大時(shí)，可采用通用變頻器附加動態(tài)制動單元的方式運(yùn)行；在煤層傾角大于25°時(shí)，我們應(yīng)采用四象限運(yùn)行變頻器，確保采煤機(jī)可靠安全地運(yùn)行。動態(tài)制動單元的方案采用動態(tài)制動單元方案時(shí)，考慮到制動單元為間歇工作制，因此必須具有充分功率余量。一

32、般變頻器制動單元的短時(shí)制動功率可達(dá)到20kW以上，若選用兩個(gè)或三個(gè)制動單元并聯(lián)使用,再配以足夠功率余量的制動電阻, 如果傾角煤層的連續(xù)長度不大，我們認(rèn)為電牽引采煤機(jī)采用通用變頻器附加制動單元的工作方式是可行的。 圖3-6 動態(tài)制動單元框圖Fig.3-6 Block diagram of braking unit動態(tài)制動單元框圖如圖3-6所示。其基本原理是：制動單元檢測變頻器直流回路的電壓，并和其基準(zhǔn)信號相比較。當(dāng)采煤機(jī)牽引電機(jī)處于發(fā)電工況時(shí)，變頻器直流回路的電壓升高，制動單元的比較器輸出信號，經(jīng)放大器驅(qū)動IGBT導(dǎo)通，使制動電阻并接在變頻器直流回路，從而達(dá)到耗能制動的目的。 動態(tài)制動單元所配的

33、制動電阻的阻值可由下式計(jì)算： R=V/I （3-11） 其中：R 制動電阻的電阻總值； V 制動單元開啟時(shí)的直流回路電壓值，大約在600720v左右； I 制動單元連續(xù)工作電流值。因?yàn)橹苿与娮璋惭b在隔爆腔內(nèi)，工作時(shí)主要是發(fā)熱（約200°C左右）。針對這一使用環(huán)境惡劣的條件，我們認(rèn)為制動電阻的功率必須有3-5倍以上的足夠余量，并且必須采取良好的散熱措施，如水冷或水冷與風(fēng)冷相結(jié)合的辦法等。四象限變頻器方案 如果煤層傾角大于25°, 或傾角煤層的連續(xù)長度較大的話，電牽引采煤機(jī)所需制動功率將增大，制動時(shí)間也變長，這時(shí)如采用制動單元方案，將會引起制動單元和制動電阻燒毀，因此必須采用四

34、象限變頻器方案。 四象限變頻器能實(shí)現(xiàn)電動狀態(tài)運(yùn)行和制動狀態(tài)運(yùn)行（發(fā)電回饋電網(wǎng)）兩種工作方式。當(dāng)牽引電機(jī)處于電動狀態(tài)時(shí)，變頻器由電源供電工作；當(dāng)采煤機(jī)沿傾斜煤層空載下行時(shí)，牽引電機(jī)運(yùn)行于發(fā)電狀態(tài)，發(fā)電能量經(jīng)直流回路由電源側(cè)的IGBT管連續(xù)反饋到電網(wǎng)，于是產(chǎn)生連續(xù)穩(wěn)定的電制動力，因此下行的速度是平穩(wěn)的。而且發(fā)電回饋電網(wǎng)的能力和電動運(yùn)行的能力是同等的，因此從理論上講，任何傾角的煤層、任何運(yùn)行速度四象限變頻器都能適應(yīng)。第四章 四象限變頻調(diào)速技術(shù)的原理4.1變頻調(diào)速的機(jī)械特性第二章對變頻調(diào)速原理作了簡單介紹。為了進(jìn)一步地了解，我們對變頻調(diào)速的機(jī)械特性做更詳細(xì)的分析。異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Tem與每極氣隙磁

35、通M、折算到定子側(cè)的每相轉(zhuǎn)子電流Ir以及轉(zhuǎn)子電路的功率因數(shù)cosjr等有關(guān)。Tem可以由下式（4-1）求出：TemkTMIr cosjr （4-1） 式中 kT轉(zhuǎn)矩常數(shù)。 由于 Ir= Er/（Rr/s+jxr）所以 Ir= Er/（Rr/s）2+（xr）21/2 （4-2）式中 Er折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相電動勢； Rr折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相電阻； xr折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相漏抗。 轉(zhuǎn)子電路的功率因數(shù)為 cosjr= （Rr/s）/（Rr/s）2+（xr）21/2 （4-3）異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩是個(gè)多變量函數(shù)，在調(diào)速過程中它隨多個(gè)因素的變化而變化。圖4-1所示為異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)時(shí)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性以及負(fù)

36、載轉(zhuǎn)矩特性。圖中曲線I表示當(dāng)定子頻率fsK1時(shí)異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性，當(dāng)轉(zhuǎn)差率s0時(shí)，轉(zhuǎn)矩Tem0；在小轉(zhuǎn)差率范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)差率增大時(shí)轉(zhuǎn)子電流增大，因而轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)差率的增大而近似線性增大。但是當(dāng)轉(zhuǎn)差率增大到一定數(shù)值后，一方面轉(zhuǎn)子電流Ir的增大有使轉(zhuǎn)矩增加的趨勢；另一方面，轉(zhuǎn)差率s增大，使得cosjr減小，又有使轉(zhuǎn)矩減小的趨勢。因而異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性有一個(gè)最大值。最大圖4-1 異步電動機(jī)機(jī)械和轉(zhuǎn)矩特性Fig.4-1 Machinery and torque characteristiccurve of asynchronous motor轉(zhuǎn)矩Tm稱為臨界轉(zhuǎn)矩或顛覆轉(zhuǎn)矩，因?yàn)殡妱訖C(jī)的負(fù)載超過此值

37、后，轉(zhuǎn)速即迅速下降直至停機(jī)。對應(yīng)于顛覆轉(zhuǎn)矩Tm的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率稱為顛覆頻率，相應(yīng)的轉(zhuǎn)差頻率則稱為顛覆轉(zhuǎn)差頻率。圖4-1中所示的曲線為負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性。曲線和曲線的交點(diǎn)1即為fsK1時(shí)的穩(wěn)定工作點(diǎn)。如果變頻調(diào)速系統(tǒng)為以頻率為對象的開環(huán)系統(tǒng)，則當(dāng)提高定子頻率時(shí)，由于機(jī)械慣性的原因，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率幾乎不變，而轉(zhuǎn)差頻率和轉(zhuǎn)差率均將增大，進(jìn)而使轉(zhuǎn)矩增大。例如，當(dāng)定子頻率由fsK1提高到fsK2時(shí)，電機(jī)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩將由點(diǎn)1增到點(diǎn)2。于是電動機(jī)加速，最后達(dá)到新的穩(wěn)定點(diǎn)2。同樣，當(dāng)定子頻率降低時(shí)，例如由fsK1降低到fsK3時(shí)，電動機(jī)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩將由點(diǎn)1變到點(diǎn)3，并出現(xiàn)電機(jī)的軸轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速的情況，這時(shí)轉(zhuǎn)差率為負(fù)值

38、。當(dāng)電動機(jī)進(jìn)入發(fā)電機(jī)狀態(tài)工作時(shí)，電機(jī)產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，并將電機(jī)軸上的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。根據(jù)變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)和控制方法不同，這種電能或者被反饋到電源中去（再生制動）或者消耗在外接電阻與主電路中（能耗制動）。在制動過程中，電動機(jī)逐漸減速，最后穩(wěn)定運(yùn)行在某一較低速度的工作點(diǎn)3上。由圖可知，在轉(zhuǎn)差率不加控制的頻率開環(huán)系統(tǒng)中，定子頻率的調(diào)節(jié)不能過快，否則將超過顛覆點(diǎn)造成停機(jī)。已知轉(zhuǎn)差率： s=（s- r ）/ s （4-4）式中r為轉(zhuǎn)子角頻率；s為轉(zhuǎn)差角頻率。如果在起動時(shí)改變定子供電電源的相序，氣隙磁場的方向就會反轉(zhuǎn)，從而使電動機(jī)向相反方向旋轉(zhuǎn)。如果在運(yùn)行中突然改變定子電源的相序，與定子磁場的轉(zhuǎn)向相比

39、，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速則變?yōu)樨?fù)值。由式（4-4）可知，這時(shí)s>1，電機(jī)為反接制動工作狀態(tài)。由于鼠籠式異步電機(jī)不能外接轉(zhuǎn)子電阻限制轉(zhuǎn)子電流，所以反接制動時(shí)，定、轉(zhuǎn)子電流將急劇增加，因而一般不宜采用這種反接制動方式。 在工頻電源下運(yùn)行的鼠籠式異步電機(jī)，起動電流一般為額定電流的56倍，而起動轉(zhuǎn)矩卻較小，這是由于起動時(shí)轉(zhuǎn)差頻率較高，轉(zhuǎn)子漏抗增大，轉(zhuǎn)子功率因數(shù)下降而造成的。在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，以低頻起動時(shí)則可以提高起動時(shí)轉(zhuǎn)子的功率因數(shù)，進(jìn)而增大起動轉(zhuǎn)矩，無論負(fù)載輕重，一般起動電流可不超過額定電流的兩倍左右。4.2變頻調(diào)速的控制方式 利用改變定子工作頻率進(jìn)行變頻調(diào)速時(shí)，希望同時(shí)改變定子電壓，以便使氣隙磁通維持不

40、變。根據(jù)定子電壓Vs和定子頻率fs的不同比例關(guān)系，將有不同的變頻調(diào)速控制方式，常用的有恒壓頻比、恒磁通、恒功率等三種方式。 恒壓頻比控制方式 恒壓頻比控制方式是保持Vs/fs等于常數(shù)的比例控制方式。 在異步電機(jī)中，外加電源電壓若為Vs，定子產(chǎn)生的反電勢側(cè)為Es=4.44fs Nsk0M如果略去定子阻抗壓降，則有VsEs=4.44fs Nsk0M （4-5）式中 fs定子頻率； Ns定子每組繞組的匝數(shù)； k0比例系數(shù)； FM氣隙磁通 由式（4-5）可知，為保持氣隙磁通近似不變，在調(diào)節(jié)定子頻率fs的同時(shí)必須正比例地調(diào)節(jié)定子外加電壓Vs，即使Vs/fs=4.44Nsk0M=常數(shù)。 另外，假定轉(zhuǎn)差頻率

41、fsL很小，電機(jī)轉(zhuǎn)速又不是很低，那么轉(zhuǎn)子漏抗xr與轉(zhuǎn)子電阻Rr相比，其作用可以忽略，即xr Rr那么，轉(zhuǎn)子功率因數(shù)cosj1，式（4-1）所示的轉(zhuǎn)矩公式變?yōu)門emkTMIr （4-6）式中M為恒值。在以上條件下，轉(zhuǎn)子電流只與轉(zhuǎn)差頻率成正比，所以轉(zhuǎn)矩也只與轉(zhuǎn)差頻率成正比。 由上可知，調(diào)速過程中若保持磁通恒定，在轉(zhuǎn)差頻率fsL較小時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩Tem與轉(zhuǎn)差頻率在任何工作頻率下均為線性關(guān)系。若在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載條件下工作，則在不同的定子調(diào)節(jié)頻率情況下，轉(zhuǎn)子中的電壓、電流具有相同的恒定工作頻率。而轉(zhuǎn)差率s不是定值，當(dāng)定子頻率fs減小時(shí)，轉(zhuǎn)差率s增加。轉(zhuǎn)子中的損耗隨著fs增加。轉(zhuǎn)子中的損耗隨著fs的降低而增加。

42、 恒磁通控制方式 恒磁通控制方式是保持Tem等于常數(shù)的控制方式。在上述按照Vs/fs常數(shù)的恒壓頻比控制方式下，在低頻時(shí)由于定子電阻Rr的壓降占的比重增加，即使在轉(zhuǎn)差率fsL很小的情況下，也無法使電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩Tm保持恒定。Tm要隨頻率的下降而減小，在低頻時(shí)起動轉(zhuǎn)矩也很小，甚至不能帶動負(fù)載。因此，Vs/fs常數(shù)的恒壓頻比控制方式只適用于調(diào)速范圍不寬或轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速下降而減小的場合，如風(fēng)機(jī)、泵類等負(fù)載。對于調(diào)速范圍寬的轉(zhuǎn)矩性質(zhì)的負(fù)載，則希望在整個(gè)調(diào)速范圍中維持Tem不變。亦即按Es/fs常數(shù)進(jìn)行控制。 為了保證Tem不變，隨著fs的降低必須適當(dāng)提高定子電壓Vs，以便補(bǔ)償定子電阻Rr上的壓降。也就是說，

43、提高外加電壓的目的仍然是為保持氣隙磁通恒定，進(jìn)而保證最大轉(zhuǎn)矩Tm不變。頻率越低，需要的外加補(bǔ)償電壓越高。 恒功率控制方式 在電機(jī)的工作頻率超過同步頻率時(shí)，也即轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速時(shí)，如采用Vs/fs常數(shù)的方式進(jìn)行調(diào)速，勢必增加外加電壓Vs，并使其超過額定電壓，這在一般情況下是不允許的，所以同步轉(zhuǎn)速以上的調(diào)速往往不再使定子電壓升高，而是保持為額定電壓。但因此在升高頻率時(shí)氣隙磁通即減小，并導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩減小。它類似于直流電機(jī)弱磁調(diào)速的方式，可近似認(rèn)為這種調(diào)速方式為恒功率調(diào)速。4.3四象限變頻調(diào)速技術(shù)介紹 4.3.1 異步電動機(jī)在變頻控制下的四象限運(yùn)行我們知道交流異步電動機(jī)有三種運(yùn)行狀態(tài)，即電動運(yùn)行狀態(tài)、發(fā)電

44、運(yùn)行狀態(tài)和制動運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)異步電動機(jī)由一功率可逆、相序能任意改變的變頻電源供電時(shí)，可以方便地實(shí)現(xiàn)在三種運(yùn)行狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。特別是在電動運(yùn)行狀態(tài)和發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)發(fā)電回饋制動。通過改變變頻電源頻率和異步電機(jī)轉(zhuǎn)子角頻率的相對大小使異步電動機(jī)工作在轉(zhuǎn)矩速度平面的一象限或二象限。通過改變變頻電源的輸出相序，改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的方向，使電機(jī)工作在三、四象限，實(shí)現(xiàn)所謂四象限運(yùn)行，如圖4-2所示。4.3.2 四象限變頻調(diào)速對變頻器的基本要求功率可逆功率可逆是對四象限變頻調(diào)速的最基本要求。異步電機(jī)運(yùn)行發(fā)電狀態(tài)時(shí)，把輸入機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，從定子繞組輸出，這部分電能必須回送到變頻器。變頻器必須以某種

45、方式吸收這些能量，并以某種方式將這些能量送回電網(wǎng)或以某種形圖4-2 異步電動機(jī)變頻控制下的四象限運(yùn)行Fig.4-2 four-quadrant running curve of asynchronous motor controlling by frequency conversion式存儲或消耗掉，這個(gè)過程就是功率（能量）可逆的過程。我們前面討論過幾種實(shí)現(xiàn)功率可逆的方法，比較理想的就是將異步電機(jī)回送的電能進(jìn)一步回饋到交流電網(wǎng)，這種方式又常被稱為再生制動。4.3.3 可實(shí)現(xiàn)再生制動四象限運(yùn)行的變頻器的基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)交流變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展到今天，人們研制出了許多交流變頻技術(shù)，如：直接交交變頻，交直交

46、變頻，矩陣式交交變頻等。這些變頻調(diào)速技術(shù)中能實(shí)現(xiàn)再生制動四象限運(yùn)行的主要是交直交變頻和矩陣式交交變頻技術(shù)，下面分別對這幾種變頻調(diào)速系統(tǒng)的四象限運(yùn)行作簡單介紹。目前研究最多應(yīng)用也最廣泛的是電壓源型交直交變頻器。而基于SPWM技術(shù)的電壓源型交直交變頻器，在中、小功率通用型變頻器中屬于主流產(chǎn)品，這種變頻器的主電路基本結(jié)構(gòu)如圖4-3a所示，這種電路結(jié)構(gòu)的變頻器。由于其輸入側(cè)采用的是不可逆二極管整流，無法實(shí)現(xiàn)制動能量向電網(wǎng)的回饋。要實(shí)現(xiàn)再生制動的四象限運(yùn)行需要采用類似圖4-3b或圖4-3c所示電路，輸入側(cè)采用可控整流或不可控整流并聯(lián)回饋逆變器的方法實(shí)現(xiàn)能量回饋。當(dāng)需要發(fā)電制動狀態(tài)工作時(shí)，控制變頻器在給定

47、的方向使輸出頻率略低于異步電機(jī)轉(zhuǎn)子角頻率，且控制輸出電源使其與輸出頻率保持協(xié)調(diào)（電壓頻率曲線類似圖4-4）。這種異步電圖4-3a 電壓源型交直交變頻器 圖4-3b四象限運(yùn)行變頻器Fig.4-3a Voltage source type ac-dc-ac Fig.4-3b Four-quadrant frequency converter frequency converter機(jī)從變頻器吸入滯后的無功功率（用作定子勵(lì)磁），同時(shí)發(fā)出電能通過逆變橋主控元件上的整流二極管，回到交直交變頻器直流回路，并使電壓源型變頻器中間直流回路電壓升高。整流橋 整流橋圖4-3c 晶閘管可逆變流器Fig.4-3c Re

48、versible converter using thyristor圖4-3c晶閘管可逆變流器是一種曾經(jīng)較流行的再生能量向電網(wǎng)回饋方式。在電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下，由整流橋向負(fù)載提供功率；再生制動狀態(tài)下，由反并聯(lián)的整流橋作有源逆變運(yùn)行（>90°）將功率回饋到交流電網(wǎng)，這種方式下采用相位控制方式調(diào)壓，電網(wǎng)換相技術(shù)比較成熟。但也有相應(yīng)的缺點(diǎn)，如深控時(shí)功率因數(shù)低，諧波含量高，換相重疊引起電網(wǎng)電壓波形畸變等。隨著各種全控式開關(guān)器件的實(shí)用化，人們又研究出斬控式可逆變流器，圖4-5為采用自關(guān)斷器件IGBT為主開關(guān)的斬控式可逆變流器的原理圖。圖4-4 電壓頻率曲線Fig.4-4 Voltage-fre

49、quency curve圖4-5 斬控式可逆變流器的原理圖Fig.4-5 Schematic diagram of chop-type reversible converter當(dāng)異步電機(jī)發(fā)電運(yùn)行，回饋能量使中間直流回路電壓升高時(shí)，斬控制可逆變流控制器根據(jù)檢測到的輸入交流電壓相位，幅值以脈寬調(diào)制的方式啟動輸入側(cè)IGBT實(shí)施逆變，且逆變電壓高于輸入交流電壓，迫使輸入電流反向，使變頻器從吸收電網(wǎng)功率變成向電網(wǎng)饋送電功率。從而使中間回路直流電壓維持在給定值。在回饋中可采用SPWM方式，并借助輸入交流電抗器，使回饋電流波形為正弦波，大大減輕對電網(wǎng)的諧波污染。這種方案實(shí)現(xiàn)了變頻器的高性能化，可以做到再生制

50、動功率等于電動功率，具有比較理想的四象限特性。這種方式的缺點(diǎn)是控制復(fù)雜，輸入側(cè)要用自關(guān)斷器件，造價(jià)較高。矩陣式交交變頻器是另一種較新式的變頻器。雖然該技術(shù)尚未成熟，但由于該技術(shù)省去中間直流環(huán)節(jié)，從而省去了體積大，價(jià)格貴的電解電容，并且它能實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為1，正弦輸入、正弦輸出，提供固有的能量雙向流動四象限運(yùn)行的特性，具用較廣泛的應(yīng)用前景。根據(jù)參考文獻(xiàn)22、27，目前這種技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室已進(jìn)行4kW電機(jī)的試驗(yàn)，其結(jié)構(gòu)如圖4-6。由于采用該技術(shù)進(jìn)行變頻轉(zhuǎn)換所用的九個(gè)主開關(guān)全部為雙向開關(guān)，從理論上講這種技術(shù)的四象限運(yùn)行能力是固有的。但這種變頻器電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)低（最高0.86）對相間電壓不平衡敏感等一些缺點(diǎn)，

51、距真正實(shí)用化還有一定的距離。圖4-6 矩陣式交交變頻器Fig.4-6 Matrix-type ac-ac frequency converter就現(xiàn)階段來看，比較先進(jìn)成熟且實(shí)踐檢驗(yàn)比較可靠的四象限變頻器，還是采用IGBT雙向逆變的交直交電壓源型變頻器。第五章 四象限變頻調(diào)速技術(shù)在采煤機(jī)上應(yīng)用的要求及總體思路經(jīng)過近二十年的不斷努力，采用異步電機(jī)變頻調(diào)速拖動的交流電牽引采煤機(jī)技術(shù)逐漸成熟，并且在近水平煤層的開采中得到了推廣應(yīng)用。但目前的交流電牽引采煤機(jī)只能在平緩的煤層開采中使用，而我國煤田范圍廣闊，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傾斜煤層占有相當(dāng)比例（約30%），開發(fā)適應(yīng)于傾斜煤層的交流電牽引采煤機(jī)，已成為采煤機(jī)技

52、術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。由于采煤機(jī)自身重量極大，約30t50t，這樣沉重的設(shè)備在傾斜煤層采煤工作面上下運(yùn)行時(shí)的制動和安全是必須解決的問題。在傾斜煤層中運(yùn)行時(shí)，采煤機(jī)牽引系統(tǒng)的負(fù)載特性非常類似于起重機(jī)負(fù)載，即是位能負(fù)載，采煤機(jī)自重越大，煤層傾斜度越大，這種位能負(fù)載效應(yīng)越是明顯，這種負(fù)載特性要求交流電牽引系統(tǒng)具備四象限運(yùn)行的能力。前面我們討論過采煤機(jī)在傾斜煤層下行工作時(shí)，牽引電機(jī)回饋電能較大，且工作時(shí)間長，而采煤機(jī)上空間有限，難于安裝足夠容量的制動電阻，因此應(yīng)該考慮用再生能量向電網(wǎng)回饋的變頻系統(tǒng)。應(yīng)用于傾斜煤層的采煤機(jī)對牽引拖動系統(tǒng)的另一個(gè)要求是其運(yùn)行必須絕對安全可靠，能夠在重負(fù)荷沖擊下平穩(wěn)啟、停和運(yùn)行，有支持機(jī)械抱閘和失速保護(hù)的能力。5.1交流電牽引采煤機(jī)對變頻調(diào)速系統(tǒng)的一般要求1 具有足夠的牽引功率，滿足采煤機(jī)割煤、行走對牽引速度和牽引力的要求。由于采煤機(jī)工作環(huán)境極惡劣，在牽引過程中經(jīng)常發(fā)生巖石、坑木、煤塊堵塞齒軌等情況造成牽引阻力突增的現(xiàn)象，這就要求牽引系統(tǒng)有足夠的牽引功