1、煤矿机械Coal Mine MachineryVol.44 No.5May.2023第44卷第5期2023年5月doi:10.13436/j.mkjx.2023050380引言随着近年来国家对中小煤矿的整顿，以及对采煤机工作面自动化、智能化和无人化要求的落实，客户对采煤机功能、装机功率的需求日益多样化。作为电牵引采煤机牵引动力的核心部件，采煤机用变频器的额定功率需求也不断提高，随着功率的提升，原装变频器的尺寸不断增大，以及原装变频器原有风冷方式不能满足在采煤机设备密闭空间中的使用，因此需要改变原装变频器的结构，将其改造为体积更小的采煤机用水冷却变频器，本文将原装ABB880-01-260A-R
2、8变频器改造为电牵引采煤机用变频器并进行了结构设计。1采煤机用变频器结构设计相关流程及步骤（1）选型根据电牵引采煤机整机牵引功率，按照牵引电机的额定功率和电压以及主机技术协议中客户对变频器品牌的要求，选择合适的变频器；（2）原装拆机采购原装变频器后，对原装机进行功能试验及参数设定，达到设定预期后，拆分原装变频器，保留电气元件和可用结构件；（3）三维建模对原装变频器所有电气元件构造三维模型；（4）散热板设计通过变频器说明书以及相关检测仪器等手段，分析主要散热元件，设计其在散热板的分布和散热板的构造；（5）主电路铜排设计根据变频器电气原理图和电流大小设计主电路铜排路径及截面积；（6）输入/输出端口
3、设计根据电气原理图及变频器的功能要求设计输入/输出连接方式和控制电路连接端口；（7）驱动控制单元安装结构设计按照原装驱动控制单元的三维数模及在变频器内部的安装要求设计其安装结构件；（8）变频器外壳设计变频器内部电气元件结构设计方案完成后，根据变频器整机的安装要求、输入/输出端子连接方式、变频器内部风道等设计变频器外壳；（9）变频器内部安装工艺设计根据改装后的变频器内部结构件设计内部器件的安装流程、绝缘保护、紧固防松措施等；（10）变频器整机安装结构设计变频器结构设计完成后，根据变频器外形及在电控箱内的安装位置和方式，设计变频器整机的固定和夹紧结构。2电牵引采煤机用变频器260A型电气结构设计由
4、于原装ABB880-11四象限变频器前期工业性试验的性能很不稳定，ABB厂家也没有方案彻底地解决相关故障，故采用已经使用的相对成熟和稳采煤机用变频器结构设计葛早华（上海创力集团股份有限公司，上海202104）摘要：为了适应电牵引采煤机日益增长的装机功率，平衡变频器体积与电控系统在电控箱内安装空间的矛盾，需对原装变频器进行结构改造。采煤机用变频器结构设计主要包括所有元器件三维建模、散热底板设计、主电路铜排设计、输入/输出端口设计、驱动控制单元安装结构设计、变频器外壳设计、变频器内部安装工艺设计及变频器整机安装结构设计。关键词：采煤机；变频器；选型；建模；结构设计中图分类号：TD421.6文献标志
5、码：B文章编号：1003 0794（2023）05 0118 03Structure Design of Frequency Converter for ShearerGe Zaohua（Shanghai Chuangli Group Co.,Ltd.,Shanghai 202104,China）Abstract:In order to adopt the increasing installed power of electric haulage shearer,balance thecontradiction between inverter volume and electric con
6、trol system in electric cabinet installation space,the structure needs to modify the original converter.Structure design of frequency converter for shearermainly includes:all components of 3D modeling,cooling plate design,design of main circuit copperplatoon,input/output port design,drive control un
7、it installation structure design,frequency converter shelldesign,frequency converter internal installation process design,and frequency converte installationstructure design.Key words:shearer；frequency converter；type selection；modeling；structure design118定的ABB880-01系列增加整流能量回馈单元改造成四象限变频器，以下以原装ABB880-
8、01-260A-R8两象限变频器改造为电牵引采煤机用四象限变频器260A型的结构设计为例进行描述。（1）变频器的选型该变频器是为了匹配MG2250/1200-WD电牵引采煤机而研发的，MG2250/1200-WD电牵引采煤机的牵引功率为180 kW，分为左右2个牵引电机，牵引电机额定电压为三相交流460 V，额定功率为90 kW,客户技术协议要求安装ABB880系列四象限变频器，采煤机按照牵引电机额定功率90 kW,电牵引采煤机用变频器的重载功率为牵引电机额定功率的1.5倍，至少需达到120 kW左右。根据ABB官方提供的ABB工业传动硬件手册的技术数据：ABB880-01系列变频器符合供电电
9、压为三相交流460 V、重载功率为120 kW左右，变频器规格为ACS880-01-260A-5，外形尺寸为R8，其额定电压为380500 V，重载功率为132 kW。（2）原装ACS880-01-260A-5拆机ABB原装ACS880-01-260A-5变频器到货后，电气工程师和调试工程师根据采煤机整机及牵引电机额定功率，对变频器作相应的变频参数调整和变频辨识，达到预定试验结果后，进行整机拆机，将变频器内部的控制板ZCU-12、功率板ZINT-592、电 源 板ZPOW-591、IGBT模 块ED3 450A1200V/ZGAD-582、互 感 器HOYS 500-S/SP32、小 风 机Q
10、FR0624GHC38/AFB0624EHA01、散热风机R8 FANkit D1751S24B8CP329/THB1724BG、直 流 电 容DCCAPACITOR、钳位电容MKP CAPACITOR等主要元器 件 拆 卸 后 按 照 其 规 格 型 号 分 类 放 置 待 测 绘建模。（3）变频器拆机件三维建模变 频 器 拆 卸 件 中 控 制 板ZCU-12、功 率 板ZINT-592、电源板ZPOW-591需测绘其外形和安装尺寸，对应的原装结构件在设计中可以利用，因此也需 测 绘 并 建 立 三 维 数 模，其 中IGBT模 块ED3450A1200V/ZGAD-582、互感器HOYS
11、 500-S/SP32、小风机QFR0624GHC38/AFB0624EHA01、散热风机R8 FAN kit D1751S24B8CP329/THB1724BG、直流电容DC CAPACITOR、钳位电容MKP CAPACITOR等可根据其规格型号查找厂家官网选型资料，上面有比较详细的外形及安装尺寸，部分元器件厂家提供三维数模，通过三维数模的建立，为后续结构设计提供直观的空间占位，可以避免安装中的干涉等问题。（4）散热底铝板的设计常用有色金属中铜比铝的热容比更大，但考虑到散热效果、变频器整体重量、经济价值等因素，选择散热板的材料为航空用超硬铝7075作为变频器的底铝板，7075为合金铝，性能
12、稳定，硬度相对较高，不易变形。根据电气原理图主电路输入、输出的方向，将IGBT、直流电容、铝壳电阻等主要热元件分别填充导热硅脂后直接贴装在底铝板上。因IGBT是主要发热元件，热量相对集中，因此在IGBT下方埋放热管，使其热量尽快均布在底铝板上。热管是一种极高导热元件，主要是靠在真空中加入液态介质，相变时吸收和释放汽化潜热的循环来传递热量，由于介质的汽化潜热很大，同时热阻极低，所以热管的导热率极高，通常情况下，直径48 mm铜热管的导热能力理论上是同直径截面实心铜的40倍以上。底铝板布局图如图1所示。图1底铝板布局图1.铝壳电阻2.热管3.IGBT 4.底铝板5.直流电容（5）变频器主电路铜排设
13、计考虑到主电路电压和电流较大，因此采用紫铜T2来布置主电路，根据主电路的电流计算铜排的截面积，一般铜导线的安全载流量的推荐值为58A/mm2，计算出所选取铜导线截面积S=I/（58）=（0.1250.2）I式中I负载电流，A。变频器的额定电流为260 A，按照重载工作时功率为132 kW，计算其重载电流约为358 A，铜排载流量取中间值6 A/mm2,计算出铜排的截面积取整为60 mm2，选用3 mm厚铜排则铜排宽度为20 mm。根据计算结果及变频器主电路电流流向，设计主电路铜排，主电路铜排均采用叠层方式安装。铜排布局图如图2所示。图2铜排布局图1.逆变输入侧铜排2.整流输出侧铜排3.直流母线
14、铜排4.电容连接铜排5.变频器连接铜排（6）输入/输出端口设计根据电气原理图及变频器的功能、变频器主电路输入/输出便于可靠安装以及不同品牌变频器的第44卷第5期Vol.44 No.5采煤机用变频器结构设计葛早华1234512345119安装互换性，输入、输出采用通用铜排设计，采煤机控制电路中要求左右两变频器实现主从通信，变频器与采煤机总线控制系统实现CAN和RS485通信控制电路连接端口等，因此控制电路采用航空插头形式连接，可靠牢固。端子布局图如图3所示。图3端子布局图（7）驱动控制单元安装结构设计按照原装驱动控制单元的三维数模，在变频器的内部采用钣金结构件，加工和安装便捷；其次是对底层主电路
15、的干扰有部分屏蔽效果，考虑其与主电路中被驱动元件的连接位置和控制线的走线路径，按照变频器安装工艺要求设计其相对位置的结构件。内部安装件布局如图4所示。图4内部安装件布局1.逆变侧驱动控制单元2.整流侧驱动控制单元3.控制电路电源板（8）变频器外壳设计变频器内部电气元件结构设计方案完成后，根据变频器整机的安装要求、输入/输出端子连接方式、变频器内部风道等设计变频器外壳，考虑到安装和检修便捷，变频器外壳采用2 mm不锈钢钣金加工件，分为能独立拆装的前板、后板、左侧板、右侧板和上盖板，前板、左侧板、右侧板下方留有变频器内部空气循环的风道入口，上盖板上安装散热风机留出空气循环风道出口。外壳结构图如图5
16、所示。图5外壳结构图1.循环风道入口2.循环风道出口3.散热风机（9）变频器安装工艺设计根据改装后的变频器内部结构件设计内部器件的安装流程、绝缘保护、紧固防松措施等。首先直流电容预安装后，采用环氧树脂胶封在底铝板安装孔内；等环氧固化后安装整流侧和逆变侧IGBT、铝壳电阻，均压电阻等散热元件，安装时底部均匀涂抹导热硅脂与底铝板密切贴合；主电路输入铜排RST三相间、直流母线铜排正负极和电容连接铜排正负极及短接铜排间采用0.5 mm厚PET绝缘材料热压封装做好绝缘层后叠加在一起，用螺钉固定在主电路被连接元件上，螺钉固定后涂胶防松，叠层安装能进一步减弱变频器自身产生的干扰；与驱动控制单元对应安装结构件间需垫透明绝缘材料，防止漏电等隐患，螺钉固定后涂胶防松；控制线组在连接时做好绝缘和屏蔽防护，连接插件安装好后涂胶防松。变频器整机安装时底铝板与电控箱贴合面均匀涂抹导热硅脂，将其安装于电控箱冷却水道上方并压紧，使其与电控箱水道侧密切贴合，保证整体散热效果。（10）变频器整机安装结构设计变频器结构设计完成后，根据变频器外形及在电控箱内的安装位置和方式，设计变频器整机的固定和夹紧结构。通过底铝板上的安装
