组合式采煤机维修手册.docx

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组合式采煤机维修手册

采煤机组合式

开关磁阻电动机牵引系统

（380V等级）

用户维修手册

北京中纺锐力机电有限公司

目录

目录I

1、组合式采煤机开关磁阻电动机牵引系统的概述1

2、电动机的基本结构和工作原理3

2.1电机基本结构3

2.2电机基本工作原理5

3、电控系统的基本结构和工作原理6

3.1电控系统的外形结构及尺寸6

3.2电控系统的基本工作原理7

4、电控系统的功能部件和元器件的介绍11

4.1整流单元12

4.1.1整流滤波电路部分14

4.1.2回馈控制板（REV内置回馈单元的电控系统采用）16

4.1.3上电板（ASP）18

4.1.4数字同步给定板（TBD）19

4.1.5故障检测板（AERB）20

4.2控制单元23

4.2.1逆变电路及其与控制板推动板的信号关系24

4.2.2IGBT模块25

4.2.3电流传感器（DCU）27

4.2.4推动板（APL）27

4.2.5控制板（ACLM）29

4.2.6控制单元显示面板（APDD）31

4.3电机传感器板（ASL）31

5、主要故障现象及排查办法32

6、安装与试运行37

6.1电控系统备台安装要求37

6.2通电及试运行步骤38

6.3日常维护事项38

7、维修注意事项及实验方法38

7.1维修需注意事项38

7.2电控系统大修后的试车步骤39

7.3电机大修后的实验步骤40

1、组合式采煤机开关磁阻电动机牵引系统的概述

组合式采煤机开关磁阻电动机牵引系统是总结我公司多年在采煤机牵引调速装置的应用经验基础上，开发出的新一代采煤机电牵引系统,具有如下技术特点：

①每套产品包括一套电控系统、二台技术参数完全相同的12/8极SRD电动机，采用功率同步控制方式，工作时二台电动机输出转矩、功率和电流大致相同。

②电控系统由四部分组成（整流单元一台、SRD控制单元两台、总线单元一台），每个单元体积小、重量轻，便于更换备件和井下运输，其系统框图如图1、图2所示。

③每个单元的功能简单明确，可以根据集中显示和各部件显示的信息，很容易判断故障。

④总线单元实现整流单元、控制单元之间以及对外的电气连接，一般情况下不需要更换，其他三个单元仅由5个螺丝固定，几个航空插头连接，所以非常方便安装和更换（可实现20分钟拆装）。

⑤电控系统驱动的SRD电动机具有起动转矩大、起动电流小（150%TN时30%TN）、系统效率高等特点；同时SRD电动机的结构简单坚固，无电刷无整流子，无转子鼠笼，耐振动，耐冲击负载，所以非常适合井下使用。

⑥SRD电动机的额定转速和最高转速按照采煤机的要求设计，连续调速范围和工作特性满足整机要求。

⑦本产品可根据用户要求选配内置回馈单元（控制器外形及安装尺寸不变，三只电感外置），在采煤机下坡和降速时,通过回馈单元将势能和动能转换成交流电，反馈到交流电网，解决了电气制动问题，节省了电能，真正实现了四象限运行。

⑧电控系统外部接口简单明了，易于同采煤机的外围电气系统进行接口，并进行通讯，传输运行或故障状态。

⑨电控系统的各单元的电气部件进行防潮、防震设计，适合煤矿井下采煤机使用。

组合式采煤机开关磁阻电动机牵引系统的电气原理框图如图1、图2所示。

图1内置回馈单元的系统框图

图2无回馈单元的系统框图

2、电动机的基本结构和工作原理

2.1电机基本结构

电动机为水冷隔爆电动机，其结构示意如图3所示（未画防爆壳体及水冷套等结构）。

该电机为开关磁阻电动机（即SRD电动机），外型与普通鼠笼电动机基本一致，但内部的定转子结构与感应电机大不相同，另外为满足控制需要，还在电机后部增加了转子位置传感器。

电机定子铁芯由硅钢片迭成后压入定子水冷防爆机壳，构成水冷隔爆电动机。

该电动机采用的是12／8极SRD电动机，其定子和转子都是凸极式结构，定子上有12个齿和12个槽，转子上有8个齿和8个槽。

电机定子铁芯每个极上均套着一个集中绕组，转子上没有绕组。

定子绕组为多股并绕的软线圈，散嵌在定子槽中。

绕组由环氧酚醛玻璃布板槽楔固定在槽中。

绕组同铁芯之间有槽绝缘。

由于每一槽中有相邻两极（两相）的绕组，因此其间有相绝缘。

槽绝缘和相绝缘材料均为F级。

图3电动机结构示意图

图3还表示出定子12个磁级A1、B1、C1、A2、B2、C2、A3、B3、C3、A4、B4、C4位置安排，其中4个A磁级（4个B、4个C）在圆周上均匀分布，其上的绕组相互连接成一相绕组。

整个电动机有A、B、C三相绕组，因此该电动机又称为三相开关磁阻电动机电动机，电机绕组共有六个出线端，为A1、B1、C1、A2、B2、C2，见图4。

图4电动机绕组示意图图5电机位置传感器结构示意图

转子位置传感器的结构参见图3和图5，它由传感器齿盘、电机传感器板、传感器定位盘等部件组成，位于电动机后端盖上的传感器腔内。

传感器定位盘用螺钉安装在电动机后端盖上，其安装孔为长圆孔，以便进行角度调节和定位。

电机传感器板固定在定位盘上，该电路板上安装了3个光电传感元件及其相应电路。

电机出线腔安装在传感器腔后部，通过防爆接线柱将电机功率接线和传感器引线引出，以上几个部分构成电机位置传感器的固定部分，该结构可以阻止灰尘进入传感器腔，保护电机传感器板上的光电器件。

电机位置传感器的旋转部分为传感器齿盘，装在电动机轴上。

该齿盘上均布8个齿，每个齿、槽各占22.5°。

当光电齿盘随轴转动时，光电齿盘的齿、槽会交替穿过光电传感元件的夹缝中。

因为光电传感元件由光源和光感器件两部分组成，分别位于缝隙两边，当缝隙被遮挡时，光源侧发出的红外光线无法使对侧的光感器件接收到光照动作，反之光感器件接收到照射后电平翻转。

当光线被遮挡时，传感器元件输出低电平；当光线不被遮挡时，传感元件输出高电平。

传感器板通过输出线向SRD控制单元提供电动机的转速、转向和角位移信号，该输出线引到电机出线腔的接线方式为一个圆形接线座，对应接线脚号1、2、3、4、5，分别接到对应SRD控制板的111、112、113、114、115。

同时用户在对电机进行更换安装时必须注意使用采煤机厂家指定的密封油封，防止前端的减速器润滑油渗入电机，并进一步进入传感器腔造成光电传感器件损坏和电机绝缘性能的下降，引起严重故障。

2.2电机基本工作原理

对电动机某相绕组通电，将产生一个使邻近的转子齿与该相定子齿相重合的电磁转矩。

顺序对各相绕组通电（如A—B—C—A……），则可使转子连续转动，改变通电顺序（如A—C—B—A……），则可改变电动机转向。

控制绕组电流的大小，可改变电动机的转矩。

在定、转子极相接近时对绕组通电，可实现电动运行；相离开时通电，则可实现制动运行。

由此，可以看出SRD控制器通过对电机绕组通电顺序、通电位置以及电流大小的控制，可以很容易实现电机的电动运行、制动运行、转换方向等控制，并可根据负载转矩变化自动调整输出转矩，实现转速不变。

因为电机的工作状态和定子、转子的相对位置关系极大，所以如果要准确控制电动机的运行，则必需检测电动机转子的转速、转向和瞬时位置，这就是SRD电机需要安装位置传感器的原因。

3、电控系统的基本结构和工作原理

3.1电控系统的外形结构及尺寸

图6电控系统的外型尺寸及铝板安装孔尺寸

说明：

本说明书中对于二台控制单元的区分定义，都按照图7所示，左台为单元1，右台为单元2

图7整流单元及控制单元的外型尺寸及安装尺寸

图8电感的外型尺寸及安装尺寸（内置回馈功能的系统选用）

3.2电控系统的基本工作原理

由图1可知，电控系统包含1个整流单元（可内置回馈单元）、2台SRD控制单元、一台总线单元，因系统的电气原理部分主要集中在整流单元和控制单元，所以本章对整流单元和控制单元部分的电路工作原理进行介绍。

3.2.1整流单元的工作原理

根据用户的要求，我们设计的整流单元分为两种型式：

一种是由普通二极管（整流桥）整流电路和电解电容滤波电路共同构成，如图9所示：

整流单元负责将交流输入电压进行整流滤波，产生直流电压，给两台控制单元供电。

图9整流电路图

整流电路的工作原理比较简单，但是当采煤机工作在具有坡度的工作面时要求牵引的电控系统具有四象限运行的能力，进而要求整流电路具有内置回馈的功能。

当控制单元处于发电运行时，将产生的直流电能，用回馈单元将直流电能逆变为交流电，传送到电网中。

另一种是内置回馈单元的整流电路，因为通常使用的二极管整流电路不具备回馈能力，所以具有回馈功能的整流电路需要采用可双向传输能力的开关元件（IGBT）代替二极管组成桥式电路结构。

如图10所示：

图10整流回馈电路原理框图

为达到回馈功能，该电路采用三组IGBT模块（内含有6只IGBT，T1-T6）代替原二极管整流模块。

当电机电动运行时,3组IGBT模块处于关断状态，内部反向并联的二极管可以构成三相整流电路，进行整流供电。

当电机制动运行时，3组IGBT模块构成的三相桥式逆变电路可以在直流母线电压超过650V时，根据交流电源的三相相位，通过IGBT进行相应的通断控制，将直流能量反馈到交流电网，通过回馈控制板可以实现回馈相位同步、回馈功率自适应控制、异常故障保护等功能。

回馈控制板在对IGBT模块进行回馈控制过程中，当检测到缺相、过流、短路等故障后自动停机，同时通过EO口发出报警，控制系统可停机提示检查或通过RE口复位。

电控系统的整流单元接受交流电源供电（3相380V/50Hz），将其整流成直流电（约520V）后供给2台控制单元;当在采煤机下坡或降速，SRD控制单元可以制动发电，使直流侧电压升高，当超过设定的门槛电压时，可以将通过整流单元的回馈电路将直流电能回馈到交流电网。

La、Lb、Lc三只滤波电感在回馈工作时起到限流作用，需要用户接在控制器外部，但用户必须注意相序严格按照要求接线，即L1和L1’、L2和L2’、L3和L3’（参考连线颜色）必须接在同一滤波电感两端，绝对不能接错，否则可能造成回馈电路工作不正常甚至损坏元器件。

3.2.2控制单元的原理

SRD控制单元的系统框图如图11：

图11SRD控制单元的系统框图

2台SRD控制单元接受整流单元中的用户的控制指令信号（启动、速度给定、转向、复位等），并分别控制2台SRD电动机运行。

SRD电动机的运行状态（转速、角位移等信号）通过位置传感器反馈给SRD控制单元。

2台控制单元还把二台电动机的运行电流信号（对应转矩、功率）传至整流单元中的数字同步给定板。

数字同步给定板接受来自采煤机电控系统（PLC）的外部速度指令信号，同时根据2台SRD电动机的运行电流调节2台SRD电动机的转速和输出功率。

使2台电动机保持输出功率基本一致。

当系统发生各种故障（过载、堵转、过流、过压、欠压、过温度等）时，系统保护停机，并向采煤机的外围电气系统发出故障信号。

由图11可以看出，SRD控制单元的工作原理是由控制板对电机的状态进行分析计算，再通过功率电路（如图14所示）实现对电机的驱动。

图12SRD控制单元的功能结构框图

SRD控制单元功能框图如图12所示：

由控制板、

推动板、功率电路组成。

控制板由一个单片机及数字、模拟电路组成。

控

制板的作用是根据外部操作控制要求和电动机的实际

运行情况不断调节其输出信号，并通过推动板和功率

电路来改变电动机绕组的通电时刻及电流大小，控制图13开关相序示意图

板的通电相序如图13所示，通过采用单相或两相同时通电的工作方式，实现对电机绕组的通电控制，使之达到规定的运行要求，如转向、转速、电动、制动等工作状态。

电动机的运行参数（如转速等）及故障情况通过显示板显示。

推动板的作用是接收来自控制板的相输出信号，经过隔离放大，产生IGBT的推动信号；另外，推动板还包括了一个多路输出的开关电源，它输出供控制板使用的+5V和±15V控制电源和供多路推动电路使用的隔离电源。

SRD控制单元的功率电路如图14所示。

三相交流电源经整流单元向SRD控制单元提供直流电源。

六个IGBT功率开关TA、TB、TC、TA/、TB/、TC/和续流二极管DA、DB、DC、DA/、DB/、DC/组成半桥式逆变电路，输出与电动机绕组连接，从而实现对电机绕组的通断控制。

图14SRD控制单元的功率电路示意图

SRD控制单元的控制电路必须对电机转子位置信号（同时可作为转速反馈信号）和绕组电流信号进行检测，前面在电动机的基本结构和工作原理中已介绍了电机转子位置信号的检测方法，而绕组电流信号则是通过霍尔式电流传感器实现的，我们将在后边进行介绍。

4、电控系统的功能部件和元器件的介绍

电控系统由四部分组成，即1台整流单元、2台SRD控制单元、1台总线单元，整流单元负责将交流输入电压进行整流滤波，产生直流电压，给2台SRD控制单元供电，同时整流单元可以内置回馈功能，当控制单元处于发电运行时将产生的直流电能回馈到交流电网。

控制单元负责对相应的SRD电机进行转速、转矩控制。

总线单元负责连接用户、电机、整流单元、SRD控制单元之间的控制或功率接线。

因为总线单元主要为接线，相互关系在说明书中介绍比较详细，所以下面我们仅对整流单元、SRD控制单元的工作原理进行介绍。

4.1整流单元

整流单元由以下部分组成：

整流滤波电路部分（可内置回馈单元）、回馈控制板部分（需内置回馈单元时采用）、数字同步给定板部分（TBD）、故障检测板部分。

图15整流单元结构层次示意图图16整流单元上层分布图

整流单元内部结构分为上、中、下三层，如图15所示：

整流滤波电路部分主要位于最底层的散热铝板上；回馈控制板位于中层屏蔽钢板；上电板（ASP）、数字同步给定板（TBD）以及故障检测板（AERB）共同安装在最上层的屏蔽钢板上如图16所示。

整流单元的面板上仅有一个显示窗口，对应采煤机故障检测板的8个状态指示灯，用户在故障排查时如果打开隔爆柜的盖板可以看到。

图17为内置回馈电路的整流单元的电气原理图，无回馈功能的整流单元是在此基础上将IGBT换为整流桥，取消回馈控制板（REV）、电流检测器（DCU01、DCU02），所以不再将原理图重复给出，而在后面的介绍中说明。

下面我们按照详细介绍每个功能部分的工作原理。

图17：

整流单元的原理图

4.1.1整流滤波电路部分

图18整流电路图

本部分电路为整流单元的主要部分，包括整流桥或IGBT（内置回馈单元用）、上电电阻、上电接触器、电流传感器等。

整流滤波电路的作用是将输入的交流电源供电（3相380V/50Hz），由二极管整流桥整流直流电源（约520V）后，经过电容滤波，供给2台控制单元，用于驱动SRD电机。

无回馈功能的整流电路部分的原理图如图18所示。

电解电容器C3、C4通过串联，达到提高滤波电路的耐压能力，并保证足够的容量。

R3～R4为均压电阻，防止电解电容分压不均匀。

KM1与上电板（ASP）构成充电回路，其作用是限制上电过程中对电解电容器C3～C4的充电电流过大，其工作过程是：

三相交流电源接通时，经二极管整流桥VP1～VP3转换的直流电源，经电阻R1限流，给电容充电，当其电压逐渐升至400V以上时，上电板的门槛检测继电器吸合，从而使接触器KM1吸合，将R1短接，功率电路进入正常工作状态。

如因任何原因接触器KM1未吸合，该接触器的辅助常开触电断开，通过KM、BJ6（GD）将信号传给采煤机故障检测板进行联锁保护。

RV1—RV3为压敏电阻器，用于吸收电源侧浪涌电压。

该电路可根据用户要求在整流电路中内置回馈单元。

内置回馈功能的整流电路图如图

19所示。

图19内置回馈功能的整流电路图

为达到回馈功能，该电路采用IGBT模块T1、T2、T3代替原来的二极管整流模块（IGBT模块将随控制单元一起介绍）。

当电机电动运行时,3只IGBT模块处于关断状态，内部反向并联的二极管可以构成三相整流电路，进行整流供电。

当电机制动运行时，3只IGBT模块构成的三相桥式逆变电路可以在直流母线电压超过650V时，通过回馈控制板REV的通断控制，将直流能量反馈到交流电网，回馈控制板可以实现回馈相位同步、回馈功率自适应控制、异常故障保护等功能。

回馈控制板REV在对IGBT模块进行回馈控制过程中，当检测到缺相、过流、短路等故障后自动停机，通过EO（EO+，EO-）口发出故障联锁信号，传送到采煤机故障检测板进行联锁保护。

★La、Lb、Lc三只滤波电感在回馈工作时起到限流作用，需要用户接在控制器外部，但用户必须注意相序严格按照要求接线，即L1和L1’、L2和L2’、L3和L3’（参考连线颜色）必须接在同一滤波电感两端，绝对不能接错，否则可能造成回馈电路工作不正常甚至损坏元器件。

内置回馈功能的整流电路图中其他电路的工作原理与无回馈功能的整流电路基本相同，此处不再叙述。

4.1.2回馈控制板（REV内置回馈单元的电控系统采用）

20回馈控制板原理框图

图21回馈控制板布置图及说明

回馈控制板外型尺寸为250×200mm2，图20为回馈控制板的原理框图，图21为回馈

控制板布置图及说明：

回馈控制板上的LED指示灯、按钮、跳线开关、插座（接线端子）等元件的名称、代号、布置和功能定义见图21。

由图20、21可以看出，回馈单元控制板的功能有：

1.通过插座X3的L1、L2、L3接收三相交流电压作为回馈同步触发信号，供该板进行回馈的相位控制，

2.通过插头X4接收二只电流传感器的反馈信号，检测回馈单元的回馈电流值，用于控制回馈功率的强度。

3.通过插头X1的+、-端引入功率电路直流母线电压，经过隔离线性变换后作为回馈控制的电压反馈信号。

推动板的隔离线性变换电路采用双光耦实现，板上的电位器可用于调整变换比例，但用户必须在本公司技术人员指导下进行。

通过对电压反馈信号的调整，可以改变回馈电路工作的电压门槛值。

4.回馈单元控制板的控制电路部分采用电压电流双闭环实现对回馈电压和回馈功率的控制，生成PWM波形。

PWM信号通过和回馈同步触发信号进行调制形成IGBT的相控制信号，经推动模块（EXB841）进行光电隔离后由插头X1、X2的G1、E1；G2、E2；G3、E3；G4、E4；G5、E5；G6、E6输出推动电压控制功率电路中六只IGBT的导通关断。

5.通过推动模块检测功率电路中IGBT模块T1、T2、T3中的六个IGBT元件的C与E在导通过程的电压降，若有电机输出线对地或线间短路情况，则UCE大于6～8V，EXB841判断有短路情况，通过该板的控制电路封锁IGBT输出，故障指示灯V54亮，发出报警指示。

6.该板上内置的开关电源部分产生±15V控制电源，通过插头X3供DCU使用，该电源正常工作时，板上的电源指示灯（绿）亮，若不亮，则表明开关电源损坏，可检查控制器是否已正常送电，回馈控制板上的保险融丝是否烧毁。

7.开关电源部分产生6路20V推动电源，供6路IGBT推动电路使用。

8.该板具有完善的保护功能，工作状态和故障类型可以通过发光二极管指示，故障保护时，可以通过端子X5输出故障联锁信号。

在专业人员判别处理故障后，通过图21所示复位按钮或用户复位端进行系统复位。

4.1.3上电板（ASP）

该板的原理比较简单，通过采用直流继电器检测直流母线电压，在上电的过程中，直流母线上电压超过400V左右时，继电器动作，其常开触点闭合，短接KA和L1端，使接触器KM1线圈吸合，完成上电过程。

其示意图及原理图见图22、图23。

图22上电板示意图

图23上电板示意图

此外，该电控系统使用的上电板还具有交流缺相检测功能。

当检测到L1、L2、L3输入的三相交流电压值为正常值时，通过内部电路使插头的L11和L12为短路状态；当交流电源某一相缺相时，该板的保护电路动作，L11和L12断开，通过故障检测板向用户报警，并联锁停机。

4.1.4数字同步给定板（TBD）

数字同步给定板起到功率平衡的作用。

图24数字同步给定板原理框图图25数字同步给定板示意图

数字同步给定板上的插座布置及端子定义见图25。

由图24可以看出，数字同步给定板（以下可简称同步板）具有以下功能：

1.实现双电机牵引的功率平衡

因采煤机采用2台开关磁阻电动机共同牵引，分别由2台SRD控制单元驱动，为使每台电机的输出功率基本相同，所以需采用具有输出功率平衡功能的电路进行控制，该功能是由数字同步给定板来实现的。

图26为功率平衡电路原理框图，电路的控制原理为根据二台图26功率平衡电路原理框图

SRD的绕组电流，判断对应输出功率情况，通过调节相应控制器的转速给定（即增加输出功率小的一台SRD的转速给定，或者减小输出功率大的一台SRD的转速给定），从而来达到功率平衡的目的。

当SRDI的输出功率P1大于SRDⅡ的输出功率P2时，绕组电流反馈信号I1>I2,功率平衡调节器及加法器的计算结果使SRDⅡ的转速给定增加，从而增大SRDⅡ的输出功率；当SRDⅡ的输出功率P2增加到等于SRDI的输出功率P1时，绕组电流信号I2=I1，功率平衡调节器输出电压保持不变，调节进入稳态；同理，当P1

2.实现双电机控制信号的分配

因采煤机控制器为双电机驱动，所以数字同步给定板接受来自采煤机电控系统（PLC）的外部信号（包含正起、反起等），经过处理后，分配为二路信号，控制2台SRD电机的运行。

同时该板可接收二台SRD控制器的故障信息统一输出到采煤机电控系统。

因本部分电路采用单片机核心，所以可以灵活设计输入、输出关系，有利于用户灵活使用，本采煤机的端子定义请参见用户使用说明书。

3.可实现电动电位器方式

由图25可以看出，数字同步给定板提供了模拟转速输入和数字转速输入（即电动电位器功能）二种模式。

当图25中所示的跳线开关的2针和3针短路时为模拟转速输入模式（本采煤机控制器出厂设置）；1针和2针短路时为数字转速输入模式。

电动电位器方式是通过本电路板上的单片机实现的，该单片机具有模拟输出口，可输出0—5V的模拟电压信号，作为SRD电机的转速信号，从而实现控制采煤机的速度的目的。

用户通过控制端SS（升速）、JS（降速）输入速度控制指令，经计算后，由单片机的模拟输出口输出转速给定电压。

其工作方式为：

当SS对GD短路时，输出模拟电压升高，转速上升，到最高速（+5V）后饱和，维持不变；当JS对GD短路时，转速下降，达到最低速（0.5V）后停止变化。

4.1.5故障检测板（AERB）

该板外型尺寸为210×130mm2，图27为其原理框图。

由图可以看出，该板包含4个部分电路：

回馈电感接线错误保护电路部分、开关电源、故障采集处理部分（电源模块内其他部件的故障信号输入、显示及联锁输出）、故障显示。

图27故障检测板原理框图

图28故障检测板示意图

该板输入220V工作电源，供给开关电源模块和220V交流继电器，开关电源模块输出±15V用于故障检测板的控制电压，同时输出±15V向数字同步给定板供电；220V交流继电器用于二台电机的温度继电器保护联锁。

图28为该板示意图。

故障检测板主要功能有以下方面：

1．具有上电板的缺相、欠压保护联锁输入端（LU）。

2．具有上电接触器辅助触点的联锁输入端（ＫＭ）。

3．具有回馈控制板的故障联锁输入端（ＨＫ）。

4．具有整流单元过温的保护联锁输入端。

当安装在铝板上的温度继电器（70°C、常闭触点）温度超过70°C后，断路保护（ＴＫ）。

5．具有电机过温（TI3、TI4）的联锁保护输入端，当电机绕组温度超过14