四象限變頻調(diào)速技術(shù)在電牽引采煤機上的應(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)用各項新技術(shù)，特別是隨著微機控制技術(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)采煤機裝備上推廣應(yīng)用是在九十年代初開始的，目前該項技術(shù)僅應(yīng)用于水平煤層的電牽引采煤機。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，無法達到高產(chǎn)高效。交流電牽引采煤機還未解決在傾斜煤層下行時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在傾斜煤層

2、的應(yīng)用的有關(guān)問題進行研究，提出了相關(guān)對策，并開發(fā)出一套電牽引采煤機四象限變頻調(diào)速技術(shù)系統(tǒng)應(yīng)用于MGYS180/460-WD型采煤機。介紹了該系統(tǒng)的設(shè)計原理和結(jié)構(gòu)，進行了系統(tǒng)試驗、牽引特性試驗并對試驗情況進行相關(guān)分析，結(jié)果表明應(yīng)用該項技術(shù)的交流電牽引采煤機能適應(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)在電牽引采煤機上的應(yīng)用研究摘 要八十年代以后，世界各國的采煤機技術(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)用各項新技術(shù)，特別是隨著微機控制技術(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)采煤機裝備上推廣應(yīng)用是在九十年代

3、初開始的，目前該項技術(shù)僅應(yīng)用于水平煤層的電牽引采煤機。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，無法達到高產(chǎn)高效。交流電牽引采煤機還未解決在傾斜煤層下行時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在傾斜煤層的應(yīng)用的有關(guān)問題進行研究，提出了相關(guān)對策，并開發(fā)出一套電牽引采煤機四象限變頻調(diào)速技術(shù)系統(tǒng)應(yīng)用于MGYS180/460-WD型采煤機。介紹了該系統(tǒng)的設(shè)計原理和結(jié)構(gòu)，進行了系統(tǒng)試驗、牽引特性試驗并對試驗情況進行相關(guān)分析，結(jié)果表明應(yīng)用該項技術(shù)的交流電牽引采煤機能適應(yīng)傾斜煤層的開采。關(guān)鍵詞：電牽引采煤機，四象限，變頻調(diào)速

4、，傾斜煤層。目 錄第一章 采煤機概述11.1采煤機的結(jié)構(gòu)及工作原理11.2采煤機的分類2第二章 電牽引采煤機的現(xiàn)狀與發(fā)展32.1電牽引采煤機的技術(shù)及應(yīng)用現(xiàn)狀32.2采煤機電牽引技術(shù)介紹42.3采煤機電牽引技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展方向92.4電牽引采煤機存在的問題10第三章 傾斜煤層開采的電牽引采煤機對策123.1采煤機減速停車時的制動功率計算123.2采煤機在傾斜煤層開采的受力分析143.3電牽引采煤機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)在采煤機上應(yīng)用的要求與總體思

5、路285.1交流電牽引采煤機對變頻調(diào)速系統(tǒng)的一般要求285.2對用于傾斜煤層的采煤機變頻調(diào)速系統(tǒng)的一些特殊要求305.3系統(tǒng)設(shè)計總體思路30第六章 系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)316.1四象限變頻調(diào)速裝置選擇316.2MGYS180/460-WD型電牽引采煤機電氣系統(tǒng)研制346.3MGYS180/460-WD型電牽引采煤機控制及保護原理356.4MGYS180/460-WD型電牽引采煤機牽引調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計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 63致謝 65第一章 采煤機概述 采煤機是煤礦生產(chǎn)的

6、重要設(shè)備，其具有采煤和裝煤等功能。采煤機一般有連續(xù)采煤機和滾筒式采煤機兩種。本文所涉及的采煤機均為滾筒式采煤機。1.1采煤機的結(jié)構(gòu)及工作原理 采煤機的結(jié)構(gòu)經(jīng)過單滾筒到雙滾筒、單電機到多電機、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所示為多電機橫向布置的雙滾筒采煤機，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（包括牽引電動機或液壓馬達）、牽引箱3、右傳動箱9（包括牽引電動機或液壓馬達）、牽引箱3組成，由其完成采煤機的牽引行走。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）實現(xiàn)采煤機的檢測、保護、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，實現(xiàn)采煤機各部件的冷卻、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、刮板輸送機、液壓支架組等。采煤機的工作原理：采煤機沿刮板輸送機的軌道左右行走的同時，由于采煤機的滾筒

8、裝有截齒，滾筒旋轉(zhuǎn)截割煤層并將落煤裝進刮板輸送機。刮板輸送機將煤運往工作面以外的運輸系統(tǒng)。液壓支架組的作用是為采煤機、刮板輸送機支撐出一個工作空間。每個液壓支架和刮板輸送機之間有推進油缸，可以推刮板輸送機和拉液壓支架，起到將整個采煤工作面向前推進的目的。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現(xiàn)滾筒高度的改變。1.2采煤機的分類采煤機有不同的分類方式：根據(jù)采煤方式的不同可分為：連續(xù)式采煤機和長臂滾筒式采煤機。根據(jù)牽引方式的不同可分為：機械牽引采煤機、液壓牽引采煤機、電牽引采煤機。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、雙滾筒采煤機、短臂采煤機。 根據(jù)電機布置方式的不同可分為：單電機或雙電機縱向布置采煤機和多電機橫向布置采煤機。 目前國際上采煤機行業(yè)的發(fā)展方向是：多電機驅(qū)動、橫向布置交流電牽引采煤機。第二章 電牽引采煤機的現(xiàn)狀和發(fā)展2.1我國電牽引采煤機的技術(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型薄煤層強力爬底板采煤機。隨后，利用研制成功的交流變頻調(diào)速技術(shù)對MG300和AM500型液壓牽引采煤機進行了改造，形成了MG300/680-WD和MG375/830-WD型截割電機縱向布置的交

10、流電牽引采煤機；同時，在國內(nèi)首先開發(fā)截割電機橫向布置的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以及MG200/450-WD、MG250/550-WD型較薄煤層交流電牽引采煤機，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)各采煤機生產(chǎn)廠家均對交流電牽引采煤機進行了大量的研制開發(fā)：太原礦山機器廠在與煤科總院上海分院合作將AM500液壓牽引采煤機改造成MG375/830-WD型交流電牽引采煤機后，與兗州礦業(yè)集團合作，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，同時也開發(fā)了MG250/600-1.14D型交流電牽引采煤機。雞西煤機廠在與煤科總院上海分院合作將MG2´300-W型液壓牽引采煤機改造成MG300/680-WD型交流電牽引采煤機后，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。遼源煤機廠在與煤科總院上海分院合作生產(chǎn)MG344-PWD交流電牽引采煤機后，1998年與邢臺礦業(yè)集團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。無錫采煤機廠與中紡機電研究所合作，于2000年開發(fā)研制成功國內(nèi)首臺應(yīng)用開關(guān)磁阻電機調(diào)速技術(shù)的MG200/500-CD型電牽引采煤機

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)進步起到了積極的推動作用。2.2采煤機電牽引技術(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)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)。它們的調(diào)速原理、性能和特點各不相同，但基本上都可分為控制部分和牽引電機兩大部分。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，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的輸出軸上，與電動

13、機同速旋轉(zhuǎn)，兼有導磁和導電的功能。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，兩者間無機械連接。勵磁繞組裝在支架上，支架一端與磁軛相聯(lián)，它兼作線圈固定與導磁用，支架的另一端固定于端蓋上，組成靜止的導磁部分，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磁部分之間旋轉(zhuǎn)，并產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，帶動采煤機牽引減速箱運轉(zhuǎn)。當勵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)，即按異步電動機的旋轉(zhuǎn)方向輸出轉(zhuǎn)矩來帶動負載運轉(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，即取決于勵磁電流的大小，當負載轉(zhuǎn)矩恒定時，勵磁電流越大，n2越大，但n2始終低于n1，若沒有（n1-n2）這個轉(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)用于采煤機上主要有以下特點：1 技術(shù)可靠、成熟，制造難度??；2 控制系統(tǒng)簡單，便于采煤機操作、維護工人的熟悉和掌握；3 輸出機械特性較軟，對采煤機牽引部齒輪減速傳動系統(tǒng)起到保護作用，可以避免卡、阻現(xiàn)象形成的突加負載對齒輪、軸可能造成的損壞；4 供電電壓為1140V，和采煤機截割電機供電電壓一致，使采煤機供電系統(tǒng)顯得簡單方便。同時該調(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額定轉(zhuǎn)速下調(diào)速，不能滿足采煤機高產(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)矩負載時），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1140V電源的相序來實現(xiàn)，所以在采煤機上必須安裝接觸器，而接觸器的抗機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：因為其效率的損失部分均轉(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)用于采煤機上所使用的牽引電機均為通用的隔爆型三相異步電動機。系統(tǒng)的關(guān)鍵在于控制部分，即變頻器。目前采煤機上應(yīng)用的變頻器基本上是VVVF（變壓變頻）變頻器。眾所周知，異步電動機的轉(zhuǎn)速n60fs/p(1-s)，其中fs為定子供電頻率，p為電動機極對數(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)電動機定子供電頻率fs，就可以平滑地改變電動機的轉(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，實現(xiàn)電機的調(diào)速與換向。該調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用于采煤機上具有以下特點：1 起動性能好：與三相異步電動機直接起動相比，變頻調(diào)速系統(tǒng)可以實現(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區(qū)域的特點，將采煤機牽引設(shè)計成：基頻以下的恒轉(zhuǎn)矩區(qū)進行進刀割煤，基頻以上的恒功率區(qū)進行空刀調(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)負載電機（即牽引

19、電機）采用普通隔爆型三相異步電動機，可靠性高，可以基本做到免維護。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)磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)（SRD）開關(guān)磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)（以下簡稱SRD系統(tǒng)）融新穎的電動機與現(xiàn)代電力電子技術(shù)、控制技術(shù)為一體，兼有異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)和直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點，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)換成機械能的過程。整個SRD系統(tǒng)由電動機和控制部分組成（如圖2-3所示）。電動機為定轉(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電動機運行遵循“磁阻最小原理”，磁通總是沿著最小的路徑閉合。當某相繞組通電時，將產(chǎn)生一個使鄰近轉(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，即可使電動機旋轉(zhuǎn)起來。改變?nèi)嗤姶涡蚣纯筛淖冸妱訖C旋向，控制繞組電流的大小和通斷時刻，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電動機結(jié)構(gòu)圖Fig.2-4 SR motor construction為了檢測電動機轉(zhuǎn)子的瞬時位置和轉(zhuǎn)速，必須在電動機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)用于采煤機上有如下特點：1 起動轉(zhuǎn)矩大。起動轉(zhuǎn)矩可達額定轉(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)下保持高效率運行；4 SR電動機損耗小，效率高，轉(zhuǎn)子不存在勵磁及轉(zhuǎn)差率，因此在很寬的調(diào)速范圍內(nèi)效率高達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，使得采煤機供電系統(tǒng)繁雜，并且還需要牽引變壓器，增加了采煤機結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。如果實現(xiàn)1140V（或3300V）供電的變頻調(diào)速系統(tǒng)或SRD系統(tǒng)，必將使采煤機更趨優(yōu)化。2 大功率。為了實現(xiàn)煤礦生產(chǎn)的高產(chǎn)高效，要求采煤機的截割功率、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的牽引功率已達2×

23、;110kW。3 高可靠性。高產(chǎn)高效要求采煤工作面達到日產(chǎn)700010000t水平，采煤機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目前電牽引采煤機存在的問題適應(yīng)性問題現(xiàn)有交流電牽引采煤機基本上應(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)不能實現(xiàn)完全可靠的四象限運行，而在傾斜煤層應(yīng)用時，采煤機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的使用范圍。而我國傾斜煤層的儲量占相當大比例，要實現(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的四象限運行問題。抗震問題眾

24、所周知，采煤機在煤礦井下的工作環(huán)境必然存在振動和沖擊的強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，最多只考慮了運輸途中的震動因素。其給出的抗震指標也不能滿足采煤機的使用要求。電牽引采煤機將通用性變頻器移植到機身上時必須增加防震措施。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隔爆型箱體內(nèi)，這樣就打破了原有變頻器風冷的方式。電牽引采煤機采用何種散熱方式需要我們認真考慮。第三章 傾斜煤層開采的電牽引采煤機對

25、策3.1采煤機減速停車時的制動功率計算 根據(jù)電力傳動系統(tǒng)的運動方程式，當電動機減速時，負載轉(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電動機轉(zhuǎn)速 圖3-1所示為制動時間圖，設(shè)電動機從最高轉(zhuǎn)速N減速到0所需要的時間為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）實際的采煤機傳動系統(tǒng)中，存在有機械摩擦損耗，另外還有一些附加損耗，根據(jù)使用的實際情況，假設(shè)這些損耗大約為電機額定轉(zhuǎn)矩的10左右，由電機額定轉(zhuǎn)矩的計算公式： （3-3）得實際的制動轉(zhuǎn)矩為： M實 （3-4）式中， 電

26、動機的額定功率； 電動機的額定轉(zhuǎn)速； 圖3-1制動時間圖 Fig.3-1 Time chart of braking process由公式（3-4） 可得實際需要的最大制動功率為 （3-5） 對于MG250/600-WD1采煤機，飛輪矩GD包括兩臺牽引電動機出軸和轉(zhuǎn)子的飛輪矩之和、牽引部傳動機構(gòu)的飛輪矩、采煤機做直線運動時質(zhì)量折算到電機軸的飛輪矩，即 GD （3-6） GD的精確計算較為困難，只能進行估算。 從牽引電機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 折算到電機出軸的計算值為0.0272kg .m。 根據(jù)采煤機兩個牽引傳動系統(tǒng)，可得飛輪矩為 。兩個牽引電機的飛輪矩包括軸的飛

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

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

29、度； 工作面傾斜角； 采煤機與刮板運輸機之間的摩擦系數(shù)； 例如MG250/600-WD1型交流電牽引采煤機，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計算出一臺MG250/600-WD1交流電牽引采煤機在傾角為20的采煤工作面上，以=0.2m/s速度空載下行時所需的電制動功率為： 10.6kw。由式（3-10）可以繪出采煤機重量在30t、40t、50t時的煤層傾角、采煤機速度、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，交流電牽引采煤機是可以運行于傾斜煤層工作面的，而且根據(jù)采煤機所需制動功率的大小，還可以選擇不同的變頻器運行方案。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的實際運行經(jīng)驗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，可采用通用變頻器附加動態(tài)制動單元的方式運行；在煤層傾角大于25°時，我們應(yīng)采用四象限運行變頻器，確保采煤機可靠安全地運行。動態(tài)制動單元的方案采用動態(tài)制動單元方案時，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制動功率可達到20kW以上，若選用兩個或三個制動單元并聯(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，我們認為電牽引采煤機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，并和其基準信號相比較。當采煤機牽引電機處于發(fā)電工況時，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導通，使制動電阻并接在變頻器直流回路，從而達到耗能制動的目的。 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。因為制動電阻安裝在隔爆腔內(nèi)，工作時主要是發(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，電牽引采煤機所需制動功率將增大，制動時間也變長，這時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。 四象限變頻器能實現(xiàn)電動狀態(tài)運行和制動狀態(tài)運行（發(fā)電回饋電網(wǎng)）兩種工作方式。當牽引電機處于電動狀態(tài)時，變頻器由電源供電工作；當采煤機沿傾斜煤層空載下行時，牽引電機運行于發(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)速的機械特性第二章對變頻調(diào)速原理作了簡單介紹。為了進一步地了解，我們對變頻調(diào)速的機械特性做更詳細的分析。異步電動機的電磁轉(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）異步電動機的轉(zhuǎn)矩是個多變量函數(shù)，在調(diào)速過程中它隨多個因素的變化而變化。圖4-1所示為異步電動機穩(wěn)態(tài)時的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性以及負

36、載轉(zhuǎn)矩特性。圖中曲線I表示當定子頻率fsK1時異步電動機的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性，當轉(zhuǎn)差率s0時，轉(zhuǎn)矩Tem0；在小轉(zhuǎn)差率范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)差率增大時轉(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。因而異步電動機的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性有一個最大值。最大圖4-1 異步電動機機械和轉(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，因為電動機的負載超過此值

37、后，轉(zhuǎn)速即迅速下降直至停機。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中所示的曲線為負載轉(zhuǎn)矩特性。曲線和曲線的交點1即為fsK1時的穩(wěn)定工作點。如果變頻調(diào)速系統(tǒng)為以頻率為對象的開環(huán)系統(tǒng)，則當提高定子頻率時，由于機械慣性的原因，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，進而使轉(zhuǎn)矩增大。例如，當定子頻率由fsK1提高到fsK2時，電機所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩將由點1增到點2。于是電動機加速，最后達到新的穩(wěn)定點2。同樣，當定子頻率降低時，例如由fsK1降低到fsK3時，電動機所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩將由點1變到點3，并出現(xiàn)電機的軸轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速的情況，這時轉(zhuǎn)差率為負值

38、。當電動機進入發(fā)電機狀態(tài)工作時，電機產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，并將電機軸上的機械能轉(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，電動機逐漸減速，最后穩(wěn)定運行在某一較低速度的工作點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，否則將超過顛覆點造成停機。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)，從而使電動機向相反方向旋轉(zhuǎn)。如果在運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)樨撝?。由式?-4）可知，這時s>1，電機為反接制動工作狀態(tài)。由于鼠籠式異步電機不能外接轉(zhuǎn)子電阻限制轉(zhuǎn)子電流，所以反接制動時，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。 在工頻電源下運行的鼠籠式異步電機，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，以低頻起動時則可以提高起動時轉(zhuǎn)子的功率因數(shù)，進而增大起動轉(zhuǎn)矩，無論負載輕重，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行變頻調(diào)速時，希望同時改變定子電壓，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，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，當定子頻率fs減小時，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，在低頻時起動轉(zhuǎn)矩也很小，甚至不能帶動負載。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，如風機、泵類等負載。對于調(diào)速范圍寬的轉(zhuǎn)矩性質(zhì)的負載，則希望在整個調(diào)速范圍中維持Tem不變。亦即按Es/fs常數(shù)進行控制。 為了保證Tem不變，隨著fs的降低必須適當提高定子電壓Vs，以便補償定子電阻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，進而保證最大轉(zhuǎn)矩Tm不變。頻率越低，需要的外加補償電壓越高。 恒功率控制方式 在電機的工作頻率超過同步頻率時，也即轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速時，如采用Vs/fs常數(shù)的方式進行調(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氣隙磁通即減小，并導致轉(zhuǎn)矩減小。它類似于直流電機弱磁調(diào)速的方式，可近似認為這種調(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 異步電動機在變頻控制下的四象限運行我們知道交流異步電動機有三種運行狀態(tài)，即電動運行狀態(tài)、發(fā)電

44、運行狀態(tài)和制動運行狀態(tài)。當異步電動機由一功率可逆、相序能任意改變的變頻電源供電時，可以方便地實現(xiàn)在三種運行狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。特別是在電動運行狀態(tài)和發(fā)電運行狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換使系統(tǒng)實現(xiàn)發(fā)電回饋制動。通過改變變頻電源頻率和異步電機轉(zhuǎn)子角頻率的相對大小使異步電動機工作在轉(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，改變電機旋轉(zhuǎn)磁場的方向，使電機工作在三、四象限，實現(xiàn)所謂四象限運行，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。異步電機運行發(fā)電狀態(tài)時，把輸入機械能轉(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 異步電動機變頻控制下的四象限運行Fig.4-2 four-quadrant running curve of asynchronous motor controlling by frequency conversion式存儲或消耗掉，這個過程就是功率（能量）可逆的過程。我們前面討論過幾種實現(xiàn)功率可逆的方法，比較理想的就是將異步電機回送的電能進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 可實現(xiàn)再生制動四象限運行的變頻器的基本結(jié)構(gòu)特點交流變頻調(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)中能實現(xiàn)再生制動四象限運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，無法實現(xiàn)制動能量向電網(wǎng)的回饋。要實現(xiàn)再生制動的四象限運行需要采用類似圖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現(xiàn)能量回饋。當需要發(fā)電制動狀態(tài)工作時，控制變頻器在給定

47、的方向使輸出頻率略低于異步電機轉(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四象限運行變頻器Fig.4-3a Voltage source type ac-dc-ac Fig.4-3b Four-quadrant frequency converter frequency converter機從變頻器吸入滯后的無功功率（用作定子勵磁），同時發(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。在電機運行狀態(tài)下，由整流橋向負載提供功率；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，如深控時功率因數(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當異步電機發(fā)電運行，回饋能量使中間直流回路電壓升高時，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。這種方式的缺點是控制復(fù)雜，輸入側(cè)要用自關(guān)斷器件，造價較高。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，價格貴的電解電容，并且它能實現(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行的特性，具用較廣泛的應(yīng)用前景。根據(jù)參考文獻22、27，目前這種技術(shù)在實驗室已進行4kW電機的試驗，其結(jié)構(gòu)如圖4-6。由于采用該技術(shù)進行變頻轉(zhuǎn)換所用的九個主開關(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，

51、距真正實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，比較先進成熟且實踐檢驗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，采用異步電機變頻調(diào)速拖動的交流電牽引采煤機技術(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，傾斜煤層占有相當比例（約30%），開發(fā)適應(yīng)于傾斜煤層的交流電牽引采煤機，已成為采煤機技

52、術(shù)發(fā)展的一個重要方向。由于采煤機自身重量極大，約30t50t，這樣沉重的設(shè)備在傾斜煤層采煤工作面上下運行時的制動和安全是必須解決的問題。在傾斜煤層中運行時，采煤機牽引系統(tǒng)的負載特性非常類似于起重機負載，即是位能負載，采煤機自重越大，煤層傾斜度越大，這種位能負載效應(yīng)越是明顯，這種負載特性要求交流電牽引系統(tǒng)具備四象限運行的能力。前面我們討論過采煤機在傾斜煤層下行工作時，牽引電機回饋電能較大，且工作時間長，而采煤機上空間有限，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對牽引拖動系統(tǒng)的另一個要求是其運行必須絕對安全可靠，能夠在重負荷沖擊下平穩(wěn)啟、停和運行，有支持機械抱閘和失速保護的能力。5.1交流電牽引采煤機對變頻調(diào)速系統(tǒng)的一般要求1 具有足夠的牽引功率，滿足采煤機割煤、行走對牽引速度和牽引力的要求。由于采煤機工作環(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