固态继电器在采煤机四象限变频改造中的应用

席崇发 李静

（西安重装西安煤矿机械有限公司，陕西 西安 710032）

摘要：国内电牵引采煤机主要使用变频器进行电气调速，采煤机用的机载变频器通常是将原装风冷变频器改造为尺寸合适的水冷变频器，放置在采煤机调速电控箱内进行使用。由于受采煤机工作过程中振动、潮湿等的影响，变频器主要电气件损坏较为频繁，尤其是四象限变频器中的交流接触器。现针对此问题提出了使用工业固态继电器取代变频器中交流接触器的方法，实践证明，该方法简单、可靠、稳定，具有较好的推广价值。

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关键词 ：电牵引采煤机；变频调速；交流接触器；工业固态继电器

0引言

近年来，我国采煤机技术出现了飞速的发展［1］，目前国内电气调速采煤机主要有三种——交流变频调速、开关磁阻电机调速和电磁转差离合器调速。其中，交流变频调速以效率高、保护完整、控制精确、适用于普通隔爆异步电动机等特点使用最为广泛。变频器因其较早被使用在采煤机中，且其DTC控制方式具有良好的低频特性、一拖一开环控制性能较好等优点，从而被广泛使用［2］。

1四象限变频器在采煤机使用过程中存在的问题

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源转换为另一频率的电能控制装置。变频调速是通过向电机的定子输出一个电压，其频率可以连续地改变，从而达到调速的目的。

在煤矿井下实际使用中，为了对四象限变频器正常工作前中间直流母线上并联的电容进行充电控制，通常在整流单元前增加交流接触器，四象限变频器改造后，其在采煤机现场使用过程中存在以下一些问题：

（1） 煤矿井下条件特殊，机械振动不可避免，交流接触器底部紧固端片多次断裂。

（2） 用于线圈切换的辅助触点在多次使用后打火烧蚀，使线圈控制回路接触不良，导致接触器非正常释放，变频器出现电源缺相或者主接触器故障。

2工业固态继电器代替四象限变频器中的交流接触器

针对以上情况，我们采用工业固态继电器（SSR）来代替接触器。它是一种由固态电子元件组成的新型无触点开关器件，利用电子元件（如开关三极管、双向可控硅）的开关特性，达到无触点无火花地接通和断开电路的目的，因此又被称为“无触点开关”［3］。我们将由全控型电力电子器件构成的新型直流固态继电器和以两个单向可控硅反并联为核心的交流固态继电器作为执行机构应用到四象限变频器保护装置中，代替原有的交流接触器。

图1中耦合电路功能是把A、B端输入的控制信号传递到SSR的输出电路，同时在电气上实现输入端与输出端的高度隔离。由于输入端的负载是驱动电流较小的发光二极管，这使SSR的输入端很容易做到与控制信号源相匹配。固体继电器的输出电路把接收到的控制信号经过触发电路的调理，变换成开关电子器件的触发信号，然后控制开关器件的导通和截止，从而实现固态继电器的开关功能。

工业固态继电器的优点：

（1） 控制功率小。控制极输入电流≤7 mA DC，控制电压3～32 V DC，可以利用整流侧主板自身提供的控制接触器线圈的24 V电源，不用额外增加触发电源。

（2） 可靠性高。由于无触点，所以无噪音，不会产生火花，开关速度快，动作时间小于10 ms。

（3） 内部没有可动部件，抗震能力强。

（4） 体积小，易于安装。单个固态继电器尺寸：长×宽×高=80 mm×34 mm×30 mm。

（5） 输入、输出均采用光隔离，抗干扰能力较强。

（6） 工作电压适用范围广。两只单向可控硅反并联构成的增强型固态继电器各项指标优于一只双向可控硅，输出工作电压能达到660 V，电流达到450 A，比较适用于变频器的感性和容性负载场合。

（7） 过载保护。变频器交流侧的快速熔断器的电流等级原则上为略大于最大负载电流，兼顾400 V等级与500 V等级变频器，所选固态继电器的电流等级尽可能大，快熔可以可靠地保护固态继电器。

3工业固态继电器的冷却处理方法

固态继电器在正常工作的时候，其内部芯片上存在一定的功率损耗，这个损耗功率主要由固态继电器输出电压降与负载电流乘积决定，在进行散热设计时可按1.5 V计算，则单相SSR的发热功率（W）=实际工作电流（A）×1.5（V）。因此散热的好坏直接影响到固态继电器的可靠性，优良的热学设计可避免由于散热不良造成的失败和损坏。

目前常用的冷却技术有液体冷却、风扇冷却、热电致冷技术和散热管技术。我们在使用SSR的过程中，采取与变频器功率器件（IGBT）相同的水冷方式，将功率器件安装在导热性能非常好的铝板上，通过电控箱底部的蛇形冷却水道冷却，可以将变频器底板原有结构稍作调整，将固态继电器安装在铝板上，实现水冷冷却。工业固态继电器和变频器经过改造后安装在隔爆电控箱内，符合煤矿使用要求，冷却方式采用底板水冷，效果良好，此方法已经在多台采煤机四象限机载变频器上进行了使用，试验证明，工业固态继电器可以代替现有的触点式交流接触器。

4结语

本文阐述了四象限变频器的原理及其经过改造以后应用在采煤机上存在的问题。通过研究分析，最终选用工业固态继电器替代变频器中已损坏的交流接触器。大量试验和实践应用表明，此方法使变频器进线接触器控制单元结构更为简单、抗震性增强、体积减小、性能稳定可靠，故在实际使用过程中具有较好的推广价值。

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参考文献］

［1］张世洪，汪崇建，刘振坚.我国滚筒式采煤机技术现状与发展趋势［C］//煤矿安全与机械化——采、掘、运装备论文集，2006.

［2］张立伟，陈钢.ABB ACS800变频器在采煤机中的应用［J］.煤炭技术，2010，29（11）：6-8.

［3］高鹏.固态继电器电机正反转电路在栏杆机中的应用［J］.山西科技，2009（5）：116-117.

收稿日期：2015-09-07

作者简介：席崇发（1981—），男，陕西扶风人，电气工程师，售后服务部部长，从事采煤机电气控制系统的设计与维护工作。