1 引言
由于变频器运行效率高、能实行电制动及无级调速、正反转切换、大负载启动、节能效果显著等优点，在各行各业的调速系统中已获得了广泛的应用并取得了良好的经济效益。而目前具有防爆性能适合煤矿井下运行的变频器在市场上尚无踪迹，因此如何把变频器应用于煤矿井下的采煤机、掘进机、运输机等设备的调速系统已是刻不容缓亟需解决的问题。通过近几年不断的探索和实践，目前把通用变频器经过改装后应用于采煤机的技术已趋于成熟，并取得了良好的经济效益和社会效益。
2 变频器安置的特殊环境
(1)煤矿井下大多数具有瓦斯需有防爆要求，变频器必须放置在采煤机的隔爆腔内；
(2)隔爆腔内地方狭小并且封闭，通风散热条件差，不像地面可敞开放置在通风处；
(3)采煤机割煤时振动剧烈并且振幅大，不像安置在地面静止不动。
通用变频器一般分为封闭壁挂式和柜内安装式，目前市场上并无可用于煤矿井下具有隔爆功能的特殊变频器。生产厂商在变频器散热通风和防振方面的考虑基本是立足于地面的普通环境，因此变频器的散热主要是采取内置轴流风扇循环风冷的方法，并要求用户安置在通风良好处。但若变频器安置于采煤机隔爆腔的狭小封闭空间内，仍采用通用变频器的风冷散热方式来驱散变频器igbt开关管高速通断所产生发出的热量，显然达不到要求。强烈地颠簸振动也会促使加速变频器的损坏，因此必须采取有效的方法确保变频器得到良好的散热和良好的抗震性方可在这种特殊的环境中运行。
3 变频器的改装工艺及要求
把原来通用变频器风冷散热形式改为水冷的散热形式。在设计采煤机壳体时将放置变频器的隔爆腔内壁以及底部的夹层设计成具有s型的通水冷却管道，当采煤机运行时变频器产生的热量可通过不断的水循环促使变频器降温。
变频器的igbt(开关管)和整流管须安装在厚度10mm以上的用于散热的铝板上 (此铝板是作为整个变频箱的底板，视变频器功率的大小，厚度各异)，变频箱在与隔爆腔固定前，变频箱的底部与隔爆腔的接触面之间需涂上一层导热硅脂，以起到良好的传热效果。
根据不同机型和四象限或二象限采煤，需在采煤机中安装带逆变和不带逆变功能的变频器。有时需把变频器和逆变器重新安装在同一个铁盒内，有时需分开安装在二个铁盒内，又有时需将二个逆变器安装在同一个铁盒内与两个变频器同时安装在一台采煤机中。(根据用户要求)
重新布局后元器件之间的爬电距离、各电路板之间的爬电距离、穿过传感器的铜排与其它铜排之间的爬电距离必须≥国家标准，改变走向新增加的铜排截面积应足以通过超载时的最大电流。
采煤机的牵引电机功率有不同、机载型与非机载型又有不同，因此各改装的要求也不同，但拆与装的大致工艺基本相同，现根据长期的实践经验归纳成以下主要几点。
3.1 变频器的拆卸
(1)在拆卸变频器时需戴棉毛手套，起到保护手的同时保持元部件的清洁，从上到下、由外到内、一层层开始拆卸，并作好各项拆卸记录。
(2)各连接线的插头在拆卸时需做编号记录，(大多已有标记)以免重装时插错。
(3)在拆卸变频器主要部件时(主要是开关管和整流管)需用专用的力矩扳手记录拧松该部件螺钉的数据，供重新安装时参考采用。
(4)拆下的元器件、电路板应水平放置在干净的纸箱(或其它容器内)，切勿将元部件、电路板重叠放置，以防变形压坏或受损。
3.2 变频器的重新安装
(1)在重新安装变频器时需戴棉毛手套，从下往上、由内到外、一层层根据拆卸记录开始安装。
(2)整流管和开关管安装前需在其底部涂一层导热硅脂，并以专用力矩扳手根据拆卸时所用的力矩参数把螺钉拧紧。
(3)直流滤波大电容外面需裹一层橡皮再在橡皮层外用铁皮裹住固定在箱子的某一位置。
(4)其它元部件在安装前需用干净的棉毛布将元部件擦拭一遍，防止灰尘散落在电路板上照成短路。
(5)全部安装完毕后，须仔细观察诸如螺钉、螺母、平垫圈和弹簧垫圈等一些金属元件散落在变频箱内，必须确保没有任何散件遗漏在箱体内。
(6)在用盖子封盖变频器箱或逆变器箱之前，需用空气空压机将整个变频箱的每个角落吹一遍，剔除灰尘确保箱内无杂物后再将盖子盖牢。
3.3 抗振与加固
由于采煤机截割煤层时经常会遇到尚未风化的坚硬岩石，此时采煤机的截割电机和牵引电机均会受到阻力，电流急剧增加，在电控调速系统发出超载自动调节的同时，采煤机由于受到阻力会发生剧烈振动，振幅有时会达到100mm以上。因此，采煤机上的所有元器件都必须采取防振加固措施，确保系统在振动的工况下也能正常运行。
(1)各连接线的插头与插座(例：各电路板之间的连接、igbt的触发极与驱动电路板的连接、传感器与电路板的连接等一些小型的塑料连接插头)在插好后用热缩套管两头套牢，利用热缩套管受热收缩达到紧固的目的，这样可有效防止插头与插座的振松，确保接触良好。
(2)印刷电路板上有些直列式的元器件用不含腐蚀性的硅胶与印制板粘牢，较大的卧式电容等元器件可采用尼龙的扎带将其与印制板捆紧。(当然需在印制板的空挡处打孔)
(3)所有紧固元部件的螺钉必须要用弹簧垫圈和平垫圈，并用螺纹锁固剂(螺钉胶水)在螺钉的头部点上，防止振松。
(4)所有传感器的底部需垫一层2～3mm的橡皮后再用螺钉紧固，还需用尼龙扎带与铜排一起扎牢。
4 应用案例
4.1 案例1
采用两台日本安川型号为cimr-g7b4110(110kw)柜内安装型通用变频器和两台型号为cimr-r5a4075(75kw)的逆变器作为采煤机牵引电机的主要调速装置，经改装组合后安装在型号为mg650/1620-wd的采煤机隔爆腔内。
采煤机总装机功率：1620kw；牵引电机功率：2×90 kw/380v；额定功率因数：0.89；额定转速：1467(r/p.m)；启动转矩/额定转矩：2.56(n.m)。煤层厚度：5.96～6.42m；煤层倾角：±20o；采煤工作面长度：210m。采煤机采用机载变频器一拖一四象限运行方式；电机控制模式采用无pg无矢量的v/f控制方式；输出频率范围：0～100hz；牵引速度：0～10.4(m/min)；最大牵引速度(不采煤时)：20.8(m/min)；当其中一台变频器出现故障不能运行时，另一台变频器能拖动两台电机以1～2m/min的速度慢速运行；电气控制系统采用以dsp芯片为核心的嵌入式计算机控制系统，液晶中文界面显示。
两台变频器按上面论述的工艺经改装后分别安装在两个用厚度为3mm冷轧板做的箱体内，安装开关管和整流管的箱子地板采用厚度为10mm的铝板。每个箱子的体积约为(25×85×48)cm3。把另两台逆变器合并安装在一个和变频器箱类似的铁箱内，变频器和逆变器中原来的冷却风扇均移除。三个箱子底部的铝板分别涂上一层导热硅脂，然后固定于隔爆腔内。采煤机隔爆腔底部及左右腔壁的夹层具有采用循环水冷的冷却管道，这样，变频器产生的主要热量就可顺着10mm的铝板、导热硅脂、隔爆箱底部的冷却水吸收掉了。此采煤机自2010年4月在河南省焦作煤业有限责任公司赵固一矿12011井下综采工作面采煤至今，变频器各项功能一直运行稳定、可靠，至今尚无发生由变频器产生的故障。(采煤机每天工作10小时后停机，实行两小时各方面的检修后继续工作10小时依次循环采煤)
4.2 案例2
采用一台abb型号为acs800-11-0070-3，功率为55kw带逆变的变频器作为采煤机牵引电机的主要调速装置,经改装组合后安装在型号为mg200/456-wd1的采煤机隔爆腔内，采煤机总装机功率：456kw，牵引电机功率:2×25kw/380v，牵引调速方式：机载一拖二(一台变频器带两台牵引电机)四象限交流变频调速；煤层倾角：22°～35°；牵引电机的控制模式采用dtc直接转矩控制方式；变频器输出频率：0～83.4hz；牵引速度：0-6-10(m/min)；牵引力：440/264kn；电气控制系统采用plc计算机控制系统,液晶中文界面显示。
由于该采煤机隔爆腔的体积较小，因此将该台abb变频器按以上论述的工艺改装成两部分，第一部分为变频器从输入端到变频器整流管之前的所有元部件；其余剩下的元部件作为第二部分。第一部分主要为电抗器、电容、接触器，只需将这些部件安装固定在一块(580×260)mm厚度为5mm的镀锌铁板上，无需考虑emc的问题。第二部分因涉及到emc，因此需将其所有元器件(散热风扇移除)都安装在一个(550×275×235)mm的镀锌铁箱内，变频器箱底部的铝板厚度采用8cm，冷却方式由原来的风冷改为水冷。
该采煤机自2010年10月在贵州省纳雍金能煤炭开发有有限公司左家寨煤矿井下综采工作面采煤至今，变频器各项功能均稳定正常，至今尚无发生由变频器产生的问题。
5 结束语
由于采煤机安装了经改装的变频器，实现了由计算机自动控制、四象限变频调节采煤机的牵引电机速度，无论从采煤机的性能、效率、产量都步上了一个台阶。目前大部分煤矿的综采工作面都以类似通过改装变频器的方法实现了由变频器调节采煤机的牵引电机速度，把变频器的应用领域真正从地面深入到了地下。相信不久的将来，变频器的应用领域会遍及到地上地下的各个角落。
作者简介
茹向东(1955-) 男 工程师，1987年毕业于上海市全日制职工大学，目前从事采煤机变频器电牵引设备的研制和生产。
参考文献(略)
作 者：天地上海采掘装备科技有限公司 / 茹向东
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