摘要：当前，煤矿资源是我国能源消耗的主要构成部分之一，由于煤矿资源处于地下，并且坡度通常较大，因此开采较为困难，给采煤机的作业造成了困难。当采煤机处于坡度较大的开采环境中，在爬坡时，需要能够使采煤机平稳上行的牵引力，而朝下行走的过程中，又需要制动力避免采煤机受到自身重力的影响向下滑。而要想保证采煤机的正常开采作业，变频器四象限在采煤机中的运用成为趋势。
关键词：变频器；四象限；采煤机；能量回馈
1.采煤机在大坡度煤层时的受力情况
采煤机在大坡度煤层向下作业时，考虑空载下行时采煤机所需要的电机制动力最大，此时采煤机的受力情况如图1所示。
图1
采煤机要想平稳下滑，F制=F滑-F磨；
其中
；
；
所以
；
根据功率与力与速度的关系有，
；
其中，F制—采煤机下行时所需要的制动力；F滑—采煤机下行时产生的滑动力；F磨—采煤机下行时所产生的摩擦力；P制—变频器所提供的制动功率；
—采煤机下行时的最大速度；
—摩擦因素；a—工作面坡度；
2.四象限变频器应用的优势
在进行煤矿开采中，四象限变频器的运用之所以可以保证采煤机的正常作业，是因为其有着极大的作用和优势，具体而言体现在以下几个方面：首先，机身倾角检测。四象限变频器自身系统可直接对采煤机俯仰倾角与工作面进行检测，且因倾角传感器被设置于模拟量模块中，这样采煤机运行时倾角信息可被直接显示出来，是采煤作业开展的重要数据基础。其次，四象限变频器在大倾角工作面的优势体现。采煤机四象限变频器中，系统将相应的防滑制动、能量再生等系统设置其中，可解决传统采煤机局限在坡度平缓煤层作业问题，即使在大倾角工作面仍可完成采煤工作。从大倾角工作面作业情况看，牵引电机将以两种形态运行——发电状态、电动状态，其中，一、三象限为电动状态，二、四象限为发电状态。以发电状态为例，牵引电机制动运行中会将能量向变频器中输送，在此基础上由能量再生单元对能量进行控制，使其回馈电网，在这个过程中，采煤机在制动时通过变频器回收能量，实现了采煤机节能运行的效果。除此之外，四象限变频器应用中也赋予采煤机更多可控功能，比如，对牵引电机的运行象限、转矩、运行速度控制，使采煤机适应各种不同的环境、工艺、工况。
3.四象限交流变频器制动方式
四象限交流变频器在实际应用中以回馈单元为核心，回馈单元也是再生单元，可以把电动机制动再生电能反馈到电网中，使得变频调速系统处于再生制动状态，形成能源的循环利用，节省能源消耗的同时，还增加采煤机制动转矩，为采煤机运行提供重要的动力支撑。在采煤机下行过程中，牵引电动机转矩方向若与牵引方向相同，则采煤机在第三象限运行，当采煤机牵引速度超出原定速度，则采煤机在第四象限运行，其牵引再生制动转矩会克服采煤机下滑力，降低牵引力，使得采煤机可以适应工作面倾角变化，保持既定速度运行，进而提高采煤机运行效率。工作面倾角较大，采煤机在下行运行中受下滑力的影响，出现下滑问题，应用四象限交流变频器进行运行控制，当采煤机下滑力超过牵引力时，变频器内存能量反馈单元会把电动机再生电能反馈至电网中，形成反方向制动力矩克服采煤机下滑力，并对采煤机既定速度进行检测识别，一旦超出速度，立即产生+T力矩，增加摩擦力，克服下滑，使得采煤机运行在既定速度范围内，进而保证采煤机的高效运行。
4.四象限交流变频器在采煤机中的运用
4.1拓扑结构
图2
如图2，采煤机四象限交流变频器相比于一般交流、直流变频器而言，其交流输入端结构具有一定的特殊性，把交流输入整流桥换成与输出端相同的IGBT逆变桥，整流、逆变功能的变换由变频器中央处理器进行转换，进而满足采煤机运行需求。在牵引电动机处于电动状态中，四象限交流变频器则处于正常输出状态，输入侧电源经IGBT整流，构建直流电压后经IGBT逆变输出变频交流电压；在牵引电动机处于制动运转状态中，四象限交流变频器则处于能量回馈状态，将牵引电机由于制动形成的再生电能反向输送到直流回路中，当直流电压达到预设值，再生电能会通过回馈逆变桥反馈到电网中，重新为采煤机运行制动提供动力。
4.2机械制动联合
针对大倾角工作面，如果采煤机停车，机械制动器会立即抱闸；若采煤机上行，四象限交流变频器输出转矩的时间要和机械制动器松闸时间吻合，而机械制动器松闸后，若四象限交流变频器没有输出足够的转矩，转矩力低于采煤机下滑力，采煤机就会匀速下滑。反之，若四象限交流变频器输出转矩过大，机械制动器没松闸，采煤机电动机就会迅速堵转，形成过流，进而造成机械制动器的损坏。由于四象限交流变频器这一回馈制动性能，在实际应用中，相关工作人员要为四象限交流变频器配备一套机械制动器控制系统，辅助四象限交流变频器运行，进而提高采煤机运行效率。
当采煤机停止运行后，机械制动器立即抱闸；采煤机启动上行时，变频器输出松闸频率，构建启动转矩，并自动发出松闸指令，防止松闸后采煤机出现下滑现象。在机械制动器接收到系统松闸指令后启动松闸，并向四象限交流变频器发送松闸信号以待确认，而变频器确定松闸信号后，增加输出频率，防止未松闸的情况下提高速度，进而形成过流破坏机械制动器。因此，在采煤机要求停车后，四象限交流变频器应自动把输出频率下降到松闸频率，并维持足够转矩，发送抱闸指令。这一运行方式可以使得采煤机无论是在停车状态还是启动状态中，都可以正常、平稳启停，灵活性较强，可以结合实际采煤工作需求进行运行操作，进而提高采煤机工作效率，满足采煤要求。
4.3驱动方式
在采煤机实际运行中，四象限交流变频器以“一拖一”为主要驱动方式，选择两台四象限交流变频器进行两台牵引电机的驱动，这种驱动方式可以提高变频器对负载电力参数模型的识别能力和运算能力，发挥四象限交流变频器的性能优势，其中包括转矩限制、自动降速保护、过流保护和短路保护等保护功能，使得采煤机综合控制系统始终处于最佳的运行状态。同时，四象限交流变频器可以结合两个牵引电机负荷情况，设立独立电机速度调节装置，实现两个牵引电机拖动系统负荷的有效平衡，进而提高采煤机运行效率和运行质量。
结束语：综上，采煤机中四象限变频器的应用是提高采煤机作业效率的关键。结合采煤机制动运行原理，四象限交流变频器以反馈单元为核心，结合采煤机运行情况控制转矩和速度，为采煤机提供重要的运行动力，使得采煤机可以适应工作面倾角变化，并形成能源循环利用系统，减少能源消耗。
参考文献：
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[2]刘功华.变频器四象限技术在采煤机中的应用[J].黑龙江科技信息.2014.
[3]耿彪，廉雨晨，许国权.变频器四象限在采煤机中的应用[J].中国新技术新产品.2015.
论文作者:陈洁平1 卢曙兵2
论文发表刊物:《基层建设》2018年第23期
论文发表时间:2018/9/18
标签：变频器论文; 采煤机论文; 四象论文; 转矩论文; 倾角论文; 工作面论文; 制动器论文; 《基层建设》2018年第23期论文;