DOI：10.13199/j.cst.2013.05.103.chenh.026 第 41 卷第 5 期 2013 年 5 月 机电与自动化 煤 炭 科 学 技 术 Coal Science and Technology Vol. 41 No. 5 May 2013 MG900 /2210 － WD 采煤机牵引系统谐波仿真分析 ( 1. 安徽理工大学 计算机科学与工程学院，安徽 淮南 232001 ; 2. 中国矿业大学( 北京) 机电与信息工程学院，北京 100083 ) 陈 辉1，张 帆2，李敬兆1 摘 要:为研究综采工作面采煤机产生的谐波干扰，依据 MG900 /2210 － WD 电牵引采煤机牵引系统 构成及速度调节方式，运用 MATLAB / / SIMULINK 软件建立了牵引系统的仿真模型并进行了仿真试 验。仿真结果表明: 在额定转速下，牵引电动机电流畸变较为严重，低次谐波含量丰富，电压谐波在整 个 2 kHz 范围内都有分布; 牵引系统对电网产生的谐波电流以 5 次、7 次和 11 次为主，幅值分别约为 56. 3、21. 3 和 7. 9 A。仿真分析结果表明: 采煤机牵引系统产生谐波严重，尤其是低次谐波，牵引系统 中变频设备输出侧谐波对电网影响较小，对于综采工作面与采煤机共用电源的设备需要采取抑制谐 波干扰的措施。 关键词:采煤机; 牵引系统; 谐波; 直接转矩控制 中图分类号:TD67 文章编号:0253 － 2336 文献标志码:A 05 － 0093 － 04 2013 ( ) Analysis on Harmonic Simulation of Haulage System for ( 1. School of Computer Science and Engineering 2. School of Electromechanic and Information Engineering : MG900 /2210 － WD Coal Shearer ZHANG Fan2， CHEN Hui1， ， Anhui University of Science and Technology ， China University of Mining and Technology LI Jing-zhao1 ， Huainan 232001 ( ) ， ， China ; Beijing Beijing 100083 Abstract In order to study the harmonic disturbances occurred from the coal shearer in the fully mechanized coal mining face ) ， China ， according to ， the composition and the speed regulation mode of the haulage system in the MG900 /2210 － WD electric haulage coal shearer the MATLAB / / SIMULINK software was applied to establish the simulation model of the haulage model and a simulation experiment was con- ducted. The simulation results showed that under the rated speed ， the current distortion of the haulage motor would be serious ， the second harmonic content would be rich and the voltage harmonics all would be distributed within the 2 kHz scope. The harmonic current occurred by the haulage system to the electric network would be 5 ， 7 and 11 times mainly and the amplitude would be 56. 3 ， 21. 3 and 7. 9 A indi- vidually. The simulation results showed that the harmonic occurred from the haulage system of the coal shearer would be serious the low second harmonic. The harmonic at the output side of the frequency conversion equipment in the haulage system would have less in- fluence to the electric network and as for the electric power equipment jointly shared by the coal mining face and the coal shearer measures should be taken to control the harmonic disturbances． Key words coal shearer electric haulage system harmonic direct torque control : ; ; ; 0 引 言 采煤机是采煤工作面最重要的大型机电设备之 一，也是采煤工作面电磁干扰的主要来源。采煤机 在工作过程中既会产生传导电磁干扰，也会产生辐 射电磁干扰，尤其是传导电磁干扰对井下供电系统 和设备影响最为严重。由于煤矿井下采煤工作面是 爆炸性工作环境，不允许在破坏设备防爆等级的情 况下进行直接接触测量，亦即不允许打开设备的防 爆外壳测量设备的传导电磁干扰。因此，井下的传 ， especially ， certain 收稿日期:2012 － 12 － 03;责任编辑:赵 瑞 基金项目:国家自然科学基金资助项目( 金资助项目( 作者简介:陈 辉( 1973—) ，男，安徽庐江人，副教授，博士。Tel:18725541858，E － mail:huichen@ aust. edu. cn ］ 引用格式:陈 辉，张 帆，李敬兆． MG900 /2210 － WD 采煤机牵引系统谐波仿真分析［ ． 煤炭科学技术， 2013 J ) ; 安徽省高校省级自然科学研究重点资助项目( 200802900008 61170060 KJ2012A077 ) ) ; 高等学校博士学科点专项科研基 ( ， 41 5 ) : 93 － 96 ， 100． 39 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

2013 年第 5 期 煤 炭 科 学 技 术 第 41 卷 ］ 1 － 2 导电磁干扰研究受到一定的局限，尤其是采煤工作 面设备的电磁干扰研究还很少，远不能满足煤矿井 。目前， 下电磁环境和电磁兼容性研究的需要［ 煤矿井下谐波研究大多集中在煤矿电网谐波分析、 ］，对采煤设备谐 谐波抑制以及谐波危害等方面［ 波研究涉及很少。采煤机产生的谐波干扰主要来自 牵引系统的调速设备及其系统，因为非线性电源变 。鉴于此，笔者针 换设备是井下谐波的主要来源［ 对综采工作面 MG900 /2210 － WD 采煤机牵引系统 的电气系统构成和调速方式，建立了牵引系统仿真 模型，仿真分析了牵引系统产生的谐波分布和大小， 进而为井下谐波干扰研究、分析和治理提供依据。 ］ 7 3 － 6 1 采煤机牵引系统构成 MG900 /2210 － WD 电牵引采煤机为目前煤矿 使用的大功率采煤机，适用于综采或安全高效开采 工作面，该采煤机牵引系统采用一拖一牵引方式，即 用 2 台变频器分别控制 2 台牵引电动机， 2 台变频 器之间通过接口通信实现 2 台电动机之间同步［ 。 采煤机牵引系统结构如图 1 所示。 ］ 8 图 1 采煤机牵引系统构成示意 由图 1 可知， MG900 /2210 － WD 采煤机的牵引 系统主要包括牵引电动机、牵引变频器和牵引变压 ，电气参 器。其中，牵引电动机型号为 YBQYS － 100 数为: 额定功率 110 kW ，额定电压 AC460 V ，额定电 ，额定转速 1 475 r / min。牵引变 流 172 A ，输入电压 频器电气参数为: 额定容量 210 kV · A ，运行频率 0 ～ 50 ～ 100 Hz。牵引变压器参 AC460 V ，一次侧电压 AC3 300 V ， 数为: 额定容量 320 kV·A 频率 50 Hz ; 二次侧电压 AC460 V ，频率 50 Hz。 ，极对数 2 2 采煤机牵引系统谐波产生机理 采煤机牵引系统产生的谐波主要来自于系统中 的变频调速装置，而谐波含量又与调速控制方式有 关，不 同 的 调 速 控 制 方 式 其 产 生 的 谐 波 会 不 同。 MG900 /2210 － WD 采煤机牵引系统中变频设备采 49 ］ 9 － 10 。 用 ACS － 800 系列变频器，变频控制策略采用直接 转矩控制方式［ 2. 1 采煤机直接转矩控制原理 采煤机在采煤过程中，为了保护电动机并使截 割电动机效率达到最高，通常采用恒功率控制。采 煤机恒功率控制是根据截割电动机负载功率的大小 来自动调整牵引速度，使采煤机截割电动机保持在 接近满载( 额定功率) 的工况下工作，可提高采煤工 作效率。由于井下生产环境和采煤工艺的特殊情 况，采煤机牵引系统应有足够大的牵引力、快速瞬态 转矩响应速度、根据煤质软硬自动调节牵引速度大 小以及高可靠性和维护方便等特点。由于直接转矩 控制方法自身具有的特点和优点，可以很好地满足 采煤机牵引系统的需求。直接转矩控制方式的根本 出发点是控制电动机的电磁转矩，使其能够快速地 跟随负载转矩的变化，而不是极力追求电流的正弦 度和磁链的圆形轨迹。直接转矩控制方法的特点是 转矩响应速度快，对电动机参数变化不敏感，调速范 围宽，直接在定子坐标系下分析电动机数学模型且 不需要复杂的坐标变换，可直接转矩控制，比矢量控 制系统简单，鲁棒性好。直接转矩控制系统结构如 图 2 所示［ 11 － 12 。 ］ 图 2 直接转矩控制系统结构示意 与电动机转子转速 ωr 由图 2 可以看出，直接转矩控制实质上是通过 分别控制异步电动机的转速和磁链来实现的。首先 将给定速度 ωg 的差作为速度 调节器 ASR 的输入，其输出作为电磁转矩的给定信 ; 然后通过转矩模型和磁链模型分别计算出电 号 Tg ，由转矩和磁链给 动机的电磁转矩 T 和定子磁链 Ψs 定值与实际值的差作为磁链和转矩滞环比较器的输 入，滞环比较器的输出结果作为控制逆变器开关管 ) 与定 导通的电压矢量选择依据。而定子磁链 Ψs 子电压 us ) 之间的关系为 ( ( t t ( ) t Ψs 式中: is 为定子电流; Rs = ∫［ ( ) ( ) t － is t us 为定子电阻; ( ) 1 ］ dt Rs t 为时间。 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

陈 辉等: MG900 /2210 － WD 采煤机牵引系统谐波仿真分析 若忽略定子电阻压降影响，则式( ) 可简化为 1 ( ) t ≈ ∫us 而异步电动机电磁转矩 Te Ψs ( ) t dt 可表示为 ( Te = Km 为转矩系数; Ψsαisβ － Ψsβisα ) ( ) 2 ( ) 3 其中: Km isα、isβ、Ψsα、Ψsβ 分别为 is、 在 α、β 坐标系中对应在 α 和 β 轴上的分量。 Ψs 由式( ) 1 —式( 3 ) 可知，控制逆变器的输出电 压，就可以实现控制电动机的电磁转矩。 2. 2 牵引系统谐波产生机理分析 MG900 /2210 － WD 采煤机采用的直接转矩控 制策略是六边形磁链控制，由于六边形磁链控制方 法不需要实时计算定子磁链的位置，因此物理实现 更为方便。但由于六边形磁链的波动较大，导致电 动机电磁转矩波动也较大，电动机定子电流畸变较 为严重。因此，六边形磁链控制方法会导致调速系 统的谐波更为严重。对于功率开关器件的频率、开 关损耗有限制以及中大功率的设备调速多采用六边 形磁链轨迹控制方法。 采煤机在采煤牵引过程中，需要根据井下截割 载荷不断调整牵引速度。当需要改变牵引速度时， 牵引系统的逆变控制功率开关在电压矢量的控制下 进行导通和关断，实现输出电压的控制，进而实现电 动机电磁转矩调节。在六边形磁链控制方法下，定 子磁链的轨迹是正六边形，定子电流中含有高次谐 波，逆变器功率开关器件快速通断产生的脉冲电压 中也含有高次谐波。由于直接转矩控制是通过对电 2013 年第 5 期 动机的转矩和磁链控制来实现电动机的调速，没有 显示的调制函数，而且逆变器功率开关管的开关频 率不固定，可变的开关频率将会产生一个较宽的谐 波频带。因此，分析直接转矩控制系统的谐波很难 用解析函数的形式表示，不能采用正弦 PWM 调制 方式分析。但其产生谐波的本质仍然是由于逆变器 输出电压的脉冲化，导致输出电压中含有高次谐波， 而对电网输入侧的谐波影响主要是由牵引变频器的 非线性器件整流器引起的。 3 采煤机牵引系统谐波仿真与结果分析 3. 1 仿真模型 根据 MG900 /2210 － WD 采煤机牵引系统的构 成及 六 边 形 磁 链 直 接 转 矩 控 制 方 法，运 用 MAT- LAB / / SIMULINK 软件建立了采煤机牵引系统仿真 模型，如图 3 所示。在图 3 所示的模型中，牵引系统 的物理模块主要包括 2 台牵引异步电动机、2 台交 － 直 － 交结构的变频器以及 1 台牵引变压器。变频 器逆变控制采用六边形磁链直接转矩控制方式。直 接转矩控制部分由定子电压和电流转换模块、定子 磁链和电磁转矩计算模块、磁链转换模块、4 个滞环 比较器以及 PWM 脉冲产生模块等组成。仿真模型 中牵引电动机参数根据实际采煤机牵引系统的参数 ，额定电压 设定: 额定功率 100 kW ，定子电感 0. 266 mH ， 460 V ，极对数 2。牵引变压器采用 定转子互感 10. 38 mH Y － △接法，变比为 3 300∶ 460。 ，定子电阻 0. 021 55 Ω ，额定频率 50 Hz 图 3 采煤机牵引系统仿真模型 59 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

2013 年第 5 期 煤 炭 科 学 技 术 第 41 卷 3. 2 仿真结果与分析 在图 3 所示的仿 真 模 型 中，给 定 电 动 机 转 速 ，空载启动，启动稳定后加额定负载转矩 1 470 r / min Tn = 712 N·m ，仿真结果如图 4 所示。 图 4 牵引系统仿真结果波形 从图 4a、图 4b 可以看出，在额定负载和转速 下，直接转矩控制方式下的牵引电动机电流畸变较 为严重，低次谐波含量丰富，这主要与六边形磁链控 制方式开关频率较低有关。电流谐波最大的 2 个频 ，谐波电流幅值分别 率点分别为 233. 3 和 333. 3 Hz 为 72. 84 和 76. 90 A。在相同工况下，六边形磁链控 制方式下牵引电动机定子电流低次谐波幅值明显高 于 SPWM 控制方式。从图 4c、图 4d 可以看出，电压 谐波 也 是 以 低 次 谐 波 为 主，线 电 压 谐 波 在 整 个 2 kHz 范围内都有分布，而传统的 SPWM 控制方式输 69 出侧谐波主要在开关频率附近并以开关频率的倍数 次谐波为主。图 4e、图 4f 和图 4g、图 4h 分别为牵引 变压器二次侧、一次侧电流和谐波，从仿真结果可以 看出，牵引系统对电网的谐波影响主要以 5、7、11、 13…次谐波为主，尤其是 5 次和 7 次谐波影响较大。 牵引变压器二次侧 5 次、7 次和 11 次谐波电流分别 ，一次侧由于变压器的 为 402. 72、153. 57 和 56. 98 A 衰减作用，对应的谐波幅值分别为 56. 29、21. 40 和 7. 94 A。牵引系统中逆变器输出侧的谐波对电网的 影响较小，主要原因是变频器直流侧电容的吸收作 用。图 4i 和图 4j 分别为牵引电动机的电磁转矩和 六边形磁链轨迹波形。图 4i 表明电动机电磁转矩 随负载变化而快速响应，图 4j 表明电动机定子磁链 轨迹按照六边形变化，验证了系统仿真的正确性。 4 结 论 依据 MG900 /2210 － WD 采煤机牵引系统的构 成和速度调节方式，建立了采煤机牵引系统的仿真 模型，并在额定工况下仿真了采煤机牵引系统的谐 波分布和幅值大小。仿真结果表明: 牵引系统产生 的谐波严重，尤其是 5 次、7 次和 11 次谐波; 牵引系 统变频设备输出侧高次谐波对电网的影响较小。因 此，对于综采工作面与采煤机共用电源的设备需要 采取谐波抑制措施，尤其是低次谐波的抑制。在采 煤机变频调速设备输出侧与电动机之间应设置 LC 滤波环节，以降低高频电流和电压谐波的影响，减少 低频电流谐波引起的转矩脉动; 在采煤机变频器输 入侧应设置以电抗为主的低频滤波网络，以减小低 频电流谐波对电网的影响。谐波的研究和治理是煤 矿井下电磁兼容性研究的重要课题之一，通过对电 牵引采煤机牵引系统谐波仿真分析，可为井下谐波 研究和治理提供依据。 参考文献: ［ ］ 孙继平，潘 涛，田子建 . 煤矿井下电磁兼容性探讨［ ］ 1 J ． 煤炭 学报， 2006 ( ， 31 3 ) : 377 － 379． ］ 孙继平． 煤矿安全生产与信息化［ ［ M 2 ］ ． 北京: 煤炭工业出版社， 2011． ［ ］ 任子晖，仇润鹤，张 艳 . 煤矿电网谐波分析模型的建立与滤 3 ］ 波器设计［ ． 中国矿业大学学报， J 45 － 49． ］ 周玉峰，乔 和 . 煤矿井下软启动器的网侧谐波分析［ ］ ［ J 4 ， 33 2004 ) : 1 ( ． 辽 宁工程技术大学学报: 自然科学版， 2010 ( 2 ) : 271 － 273． ， 29 ( 下转第 100 页) 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

2013 年第 5 期 煤 炭 科 学 技 术 第 41 卷 Dsh = 0. 009 3h3 － 0. 312 0h2 + 3. 262 0h － 8. 897 7 Dsc = 0. 003 3h3 － 0. 098 8h2 + 0. 712 8h + 1. 768 9 由此可知: 制热和制冷时，随着喷淋高度的增 加，液滴温度标准偏差总体变化是逐渐减小。 原因分析: 当喷淋高度较小时，喷嘴与换热器入 口比较近，回风速度对液滴运行轨迹影响较大，液滴 粒子轨迹变化大，它们与回风之间的换热时间差别 就大，因此液滴粒子最后获得温度偏差就大。随着 喷淋高度的增加，喷嘴离换热器入口距离变大，液滴 粒子轨迹受回风速度影响变小，它们与回风之间的 换热时间差别就小，因此液滴粒子最后获得温度偏 差减小。 3 实践验证 ( 冀中能源东庞煤矿北风井矿井自 2009 年 3 月 开始采用矿井回风喷淋换热器回收矿井回风中的低 温热能，该换热器喷淋高度设计为 6 m ，喷淋水的初 ) ，矿井回风温度约为 293 始温度约为 283 K ( ，采用直径 3 mm 的 K 喷嘴，最后获得的液滴温度为 286. 15 K ) 左 右; 当喷淋高度为 6 m 时，仿真得到的液滴温度为 ) ，从而验证了喷淋高度为 6 m 时 285. 9 K 仿真得到的液滴温度。 ) ，回风速度约为 10 m / s 12. 75 ℃ 13 ℃ 10 ℃ 20 ℃ ( ( 4 结 论 研究了矿井回风喷淋换热器喷淋高度对换热效 率的影响，利用 CFD 仿真软件 FLUENT ，采用标准 k － ε 模型、DPM 模型以及 SIMPLE 算法，模拟并计 ①当喷淋高度小于 10 m 时，液滴温度变化 算得出: 受喷淋高度影响较大，而当喷淋高度大于 10 m 时， 液滴温度变化受喷淋高度影响减小。②喷淋高度为 10 m 时，液滴温度分布标准偏差避开了最高点，处 在一个中等偏上的水平。③从制造换热器的经济性 来考虑，喷淋高度越大，换热器的造价就会越高。经 综合考虑，认为喷淋高度选择在 10 m 左右最合理。 参考文献: ［ ］ 刘建功． 冀中能源低碳运行生态矿山建设的创新实践［ ］ 1 J ． 中 国煤炭， 2010 ( ， 36 5 ) : 5 － 10． ［ ］ 朱 晓 彦． 矿 井 回 风 热 回 收 利 用 的 方 法 及 装 置: 中 国， 2 200610041512． 8 ． 2007 － 02 － 21． ［ ］ P ［ ］ 范振忠，朱晓彦，王元明，等． 矿井回风热能提 取装置: 中国， 3 200720043354． X ． 2008 － 10 － 15． ［ ］ P 001 ［ ］ 辛 嵩，王 伟，盛振兴． 一种矿井回风余热回收装置: 中国， 4 200820174785． 4 ． 2009 － 10 － 14． ［ ］ P ［ ］ 王 岩． 矿井回风能量利用方法与装置: 中国， 5 200910233487． ［ ］ P 7 ． 2010 － 04 － 21． ［ ］ 权 犇，王 晓 晴． 矿 井 回 风 余 热 全 回 收 利 用 装 置: 中 国， 6 200920021263． 5 ． 2010 － 01 － 13． ［ ］ P ［ ］ 陈 炬，徐广才，李爱民，等． 矿井回风余热回收换热器: 中国， 7 201120524559． 6 ． 2012 － 09 － 26． ［ ］ P ［ ］ 王玉怀，张 军，牛永胜，等． 一种矿井回风综合处理扩散塔: 8 中国， 201020202327． 4 ． 2011 － 03 － 23． ［ ］ P ［ ］ 王建学，裴 伟，牛永胜，等． 一种矿井回风源热泵系统: 中国， 9 201020601988． 4 ． 2011 － 06 － 01． ［ ］ P ［ ］ 牛永胜，王建学，裴 伟，等． 一种直接膨胀式矿井回风源热泵系 10 统及其运行方法: 中国， 201110405762． 6 ． 2012 － 06 － 13． ［ ］ P ［ ］ 姬 洵，孙 潇，权 犇，等． 利用水源热泵全面回收矿井排 11 ］ 风中的余热资源［ ． 建筑节能， J 2010 ( ， 38 12 ) : ， 18． 8 － 9 ［ ］ 刘丽娟，王吉明，任丕清． 回风源热泵技术在煤矿的应用与实 12 ］ 践研究［ ． 应用能源技术， J 2012 ( 10 ) : 35 － 37． ［ ］ 刘建功． 冀中能源低碳生态矿山建设的研究与实践［ ］ J 13 ． 煤炭 学报， 2011 ( ， 36 2 ) : 317 － 321． ［ ］ 牛永胜，王建学． 朱集西煤矿矿井废热回收利用［ ］ J 14 ． 煤矿安 全， 2012 ( ， 43 9 ) : 194 － 196． ［ ］ 李苏龙，牛永胜，孟 杰，等． 煤矸石制砖余热循环利用系统 15 ］ 及应用［ ． 煤炭科学技术， J 2011 ( ， 39 5 ) : 120 － 123． ［ ］ 牛永胜，王建学． 煤矿电厂辅机冷却水废热回收利用试验研 16 ］ 究［ ． 煤炭科学技术， J 2011 ( ， 39 9 ) : 125 － 128． ［ ］ 杜春涛，董志峰，孟国营，等． 矿井回风喷淋换热器节水及换热效 17 ］ 率影响因素研究［ ． 煤炭科学技术， J Fluent Inc． FLUENT 6． 3 Users Guide． 2012 ［ ， 40 ( 12 ) : ］ ． 80 － 83． ［ EB / OL 2012 － 04 － ［ ］ 18 ］ : 25 ． http / / ishare． Iask． Sina． com． cn / f /13905788． html ? from = like． 檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 ( 上接第 96 页) ］ 许长志，王 杰，孙丽艳． 煤矿电网的谐波危害及抑制［ ］ ［ J 5 ． 煤 矿安全， 2009 ( ， 40 ) : S1 138 － 141． ］ ］ 王中 东． 煤 矿 电 网 谐 波 电 流 的 危 害 与 治 理［ ． 电 力 学 报， ［ J 6 ( ， 24 4 ) : 2009 293 － 294． ］ 任子晖． 煤矿电网谐波分析与治理［ ［ M 7 ］ ． 徐州: 中国矿业大学 出版社， 2003． ［ ］ 王国法． 高效综合机械化采煤成套装备技术［ M 8 ］ ． 徐州: 中国 矿业大学出版社， 2008． ［ ］ 杨玉涛，陈国华，安站东． 矿用变频器与采煤机电牵引系统使 9 用与维修［ M ］ ． 北京: 煤炭工业出版社， 2009． ［ ］ 张选正，陈乐萌． 矿用防爆变频器和软启动器应用［ M ］ ． 北 10 京: 化学工业出版社， 2012． ［ ］ 杨 耕，罗应立． 电机与运动控制系统［ M ］ ． 北京: 清华大学 11 出版社， 2006． ［ ］ 许期英，刘敏军． 交流调速技术与系统［ M ］ ． 北京: 化学工业 12 出版社， 2010． 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net