变频一体机在综放工作面的应用

梁辉 杜洪生 刘坤

摘 要：针对矿用刮板输送机的驱动特点，从供电电源、电机设计到多机驱动动态功率平衡三方面介绍了变频一体机的技术特点，并分析了3.3kV电压等级刮板输送机双速电机、液力耦合器、软启动、变频器和变频一体机驱动的特点。通过对比分析，认为变频一体机是未来刮板输送机驱动技术的发展趋势。

关键词：刮板输送机；变频一体机；动态功率平衡；變频器

中图分类号： TD634.2 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）17-0000-00

1 概述

随着煤矿装备技术的发展，矿用刮板输送机的驱动技术也经历了双速电机、软启动，液力耦合器，变频驱动几个发展阶段。变频驱动技术是新兴技术，近几年在煤矿应用广泛。而变频一体机又是在变频器的基础上将变频器和电机结合到一体进行一体化设计，既承袭了变频驱动的技术优势同时又解决了分体式变频器驱动电机存在的问题，是未来煤矿变频驱动的发展趋势。本文从技术角度全面分析变频一体机驱动技术的特点。

2 变频一体机的系统组成

2.1一体机电气组成及工作原理

变频一体机电气系统由变频部分和电动机部分组成。其中变频部分又分为主回路、主控单元、驱动单元、显示单元组成。变频部分采用电压源型交-直-交变频拓扑结构。主回路3300V电源经接触器、电抗器进入6脉冲整流单元，然后通过电力电容滤波稳压，再经由IGBT组成的逆变单元将直流电逆变为频率、电压均可调的交流电（即VVVF电源），电气原理如图1所示。

图1一体机电气系统原理图

2.2工作面系统组成

变频一体机应用于综放工作面刮板输送机系统主要有刮板机、减速机、一体机、控制箱、集控台组成。本文以枣矿集团田陈煤矿7118工作面前后溜2×525kW/3300V一体机应用配置来讲。前溜刮板机采用高压一体机驱动，后溜刮板机采用双速电机驱动。工作面长度200米，综采放顶煤采煤工艺，煤层厚度为1.4米～8.5米，平均厚度4.8米，设计采高3.2米。系统布置如图2所示。

图2综放工作面刮板输送机系统布置图

前溜刮板机一体机供电电源直接采用常规3300V移动变电站供电，KTC101集控台给控制箱启停信号，控制箱通过CAN总线给一体机发送启停命令和功率平衡调节命令，所有一体机的运行数据也通过CAN总线发送给控制箱集中显示。后溜双速电机经由组合开关给电机供电，KTC101集控台给组合开关启动信号，组合开关控制后溜电机低速启动，然后自动切换到高速运行。

2.3 变频一体机的技术特点

2.3.1 3300V电源供电

变频一体机直接采用3300V单路电源供电，与井下常规供电系统用移动变电站兼容。而传统3300V变频器供电电源是2×1903V，需要配备特种移动变电站，这是与传统变频器的最大区别，降低了供电复杂度。变频一体机对前级供电电源的供电距离无特殊要求，便于实现远距离供电。传统3300V变频器对前级供电电源的供电距离都有要求，最长不能超过200米，限制了远距离供电场合的应用。

2.3.2 变频与电机一体化设计

通常电机生产厂家在设计电机时，不能根据变频器的驱动特点对电机进行有针对性的设计，变频器厂家在变频器设计时也无法兼顾到所有厂家的电机性能参数，因此很难保证变频器与电机的完美匹配。变频与电机一体化设计，在电机设计之初就会充分考虑到变频的PWM波形对电机绝缘的影响。对电机线圈采用变频电机专用耐电晕电磁线，浸渍线圈的绝缘漆也采用能耐受电晕腐蚀的高品质绝缘漆提高线圈绕组对局部放电的耐受力。

其次，在电机生产时采用真空压力浸漆（VPI）技术，减少线圈内部产生的气泡，降低电晕电离空气后产生的臭氧对绝缘漆的腐蚀[2]。

变频与电机一体化设计，变频逆变输出到电机的引接线非常短，降低了谐波在输出电缆上的电压反射。同时输出电缆被密封在防爆壳体内部，将变频谐波产生的干扰屏蔽在壳体内部，避免了对外界设备的电磁干扰。

2.3.3 多机驱动功率平衡

根据刮板输送机多机驱动的特点，变频一体机主从机控制模式都是转矩控制模式。采用转矩控制最大的优势就是转矩响应速度快，特别适合于随机大负载波动的刮板输送机系统。从机采用PID调节跟随主机转矩，转矩响应时间小于10ms，保证了主从机间的动态功率平衡，功率不平衡度小于2%。图3的曲线是神东补连塔煤矿12520工作面三台3300V 1200kW一体机的运行曲线图，三台一体机的转速和电流曲线几乎是重合的。

3 变频一体机与其他几种驱动方式的对比

刮板输送机属于链式输送系统，用于长运距，大运量场合。在煤矿综采工作面，受前级皮带运输系统，工作面运输设备联动等诸多因素的影响，使得生产存在随时停机的不确定性，同时由于片帮、漏顶等不确定因素的存在，使得刮板输送机对重载启动要求较高。3.3kW系统刮板输送机的整机装机功率一般都在1000kW-4800kW之间，存在着启动时的机械冲击和电气冲击较大的难题。如何消除机械和电气冲击，同时又保证重载启动是对驱动设备的基本要求。以下就简单对比一下前文所说的几种驱动方式的技术特点，如表1所示。

4 结语

通过上文的叙述，可以看出变频一体机在刮板输送机驱动系统具有调速性能好，启动转矩大，运行稳定可靠，功率平衡度好，免维护等优势。在煤矿输送机驱动系统，变频一体机替代变频器是一个发展趋势。目前3300V变频一体机已广泛应用于神东集团、兖矿集团、淮南矿业、晋煤集团、山东能源等多个矿井。3300V/1200kW变频一体机在神东榆家梁煤矿更是创造了连续运行6个工作面，过煤量2500万吨的记录，而世界最大功率的3300V/1600kW变频一体机也在上湾煤矿8.8米大采高成功应用，这些都印证了变频一体的强大优势。

参考文献

[1]青岛中加特变频电机有限公司.YJVFG系列矿用隔爆兼本质安全型高压变频一体机使用说明书[D].青岛：青岛中加特变频电机，2017.

[2]张振伟.矿用隔爆型变频一体机设计与分析[D].山东大学硕士论文，2015.

收稿日期：2018-07-11

作者简介：梁辉（1983—），男，汉，山东枣庄人，本科，中级工程师，研究方向：机电自动化。