交流變頻調(diào)速采煤機恒功率自動控制系統(tǒng)分析

高亞楠

（同煤集團忻州窯礦， 山西 大同 037000）

引言

采煤機作為采煤的主要工具是實現(xiàn)煤礦生產(chǎn)機械化和現(xiàn)代化的重要設(shè)備之一?？茖W(xué)合理的機械化采煤可以減輕體力勞動，提高產(chǎn)量，達到高效率、低消耗的目的。因此加強對采煤機科學(xué)合理的改進是確保礦山企業(yè)安全、高效、持續(xù)發(fā)展的重要研究課題。

1 采煤機自動控制系統(tǒng)原理分析

采煤機各個系統(tǒng)聯(lián)系緊密且復(fù)雜，主要由牽引系統(tǒng)、截割系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)等構(gòu)成。煤礦能夠開采的煤層越來越深，地質(zhì)構(gòu)造也變得愈加復(fù)雜化，因此采煤機運行過程中，截割電機負荷變化頻繁，且變化幅度相對較大[1]。為了避免過負荷燒毀電機，一般在電控系統(tǒng)中會專門設(shè)置過載保護電路，當(dāng)電機出現(xiàn)過載情況時，便立即停機，但是設(shè)備頻繁啟停會對電氣系統(tǒng)造成較大的沖擊。相反當(dāng)負荷較低時，采煤機的牽引速度不會隨之提高，截割電機處于欠載運轉(zhuǎn)，這樣將大大降低采煤機的工作效率?；谶@種采煤機的設(shè)計缺陷，應(yīng)用一種采煤機截割電機恒功率控制系統(tǒng)。其原理主要是依據(jù)電牽引采煤機中微處理器的中心控制功能，將截割電機電流互感器所采集的模擬電信號輸入主控器內(nèi)，經(jīng)過主控器分析處理后輸出相應(yīng)的模擬電壓信號來控制變頻器的電壓及頻率的輸出，以實現(xiàn)控制牽引電機速度的目的。所以，根據(jù)截割電機負載狀況，對采煤機的牽引速度進行合理的自動化控制，進而將采煤機截割電機功率控制在額定值，即實現(xiàn)“恒功率”控制功能。

2 采煤機自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工藝

變頻調(diào)速采煤機自動化控制系統(tǒng)的核心組成部分主要有：PLC、變頻器、電機等。其系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 交流變頻調(diào)速采煤機自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

采煤機自動控制系統(tǒng)的具體工作流程是：啟動液壓系統(tǒng)，切割電機運轉(zhuǎn)，在進刀過程中采煤機采用牽引速度1運轉(zhuǎn)。液壓系統(tǒng)推進采煤機，當(dāng)達到一定采煤深度后，在自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)作用下，采煤機牽引速度變?yōu)樗俣?或速度3運轉(zhuǎn)，以控制采煤機的自動牽引采煤。在煤礦開采與進刀和牽引運行過程中，都要對縱向和橫向壓力進行實時檢測，檢測信號傳送到PLC輸入端進行分析，當(dāng)檢測信號壓力值大于系統(tǒng)設(shè)定值時，系統(tǒng)會自動發(fā)出聲光報警，同時搖臂回縮，避免設(shè)備受到損壞[2]。

2.1 采煤機系統(tǒng)特性

2.1.1 牽引系統(tǒng)特性

采煤機在割煤過程中，主要沿著刮板輸送機的運行路線向前推進，并由割煤滾筒完成落煤作業(yè)。采煤機在向前行走的過程中，必須克服采煤機和輸送機間的摩擦阻力、采煤機在傾斜輸送機上自身重量所產(chǎn)生的下滑力、滾筒切煤時的阻力。其牽引力F如式（1）所示。

式中：Fm為摩擦阻力；Fh為下滑力；Fj為切割阻力。

采煤機在實際運行過程中，其牽引力時刻都在發(fā)生變化，但必須低于其設(shè)定的最大額定牽引力，故最大牽引力的包絡(luò)線即為采煤機的牽引特性。

如下頁圖2所示，采煤機的牽引速度范圍主要分為兩段，0～Vj段為割煤速度段，在割煤過程中牽引力大小為采煤機允許的最大牽引力。Vj～Vm段為調(diào)動速度段，此段牽引速度值達到最大，調(diào)動采煤機過程眾多，因為沒有截割阻力，需求的牽引力較小。

圖2 采煤機的牽引特性示意圖

2.1.2 截割恒功率特性

采煤機截割電機的負載大小與多種因素有關(guān)，如煤層夾矸厚度、硬度和牽引速度等。在眾多因素中除了牽引速度以外，其他因素均為自然因素。但這些因素對截割電機負載的影響都可以通過牽引速度進行調(diào)節(jié)補償。

采煤機在割煤過程中，采煤機的牽引速度越快，生產(chǎn)能力越高，截割電機負載也就越重；反之，牽引速度越慢截割電機的負載越輕，生產(chǎn)能力便會降低。當(dāng)采煤機牽引速度過高時，就有可能使截割電機過載，此時既要充分發(fā)揮采煤機的生產(chǎn)能力，又要保證截割電機的可靠運行。為了使截割電機保持恒定功率運行，就需要根據(jù)負載情況隨時調(diào)節(jié)牽引速度。在截割電機過載時降低牽引速度，截割電機欠載時提高牽引速度，以上過程應(yīng)自動進行。采煤機具備的自動調(diào)節(jié)牽引速度充分利用截割電機功率的性能稱為恒功率自動控制特性。

因此，采煤機應(yīng)具備割煤速度段的恒牽引力特性與調(diào)動速度段的截割恒功率特性。

2.2 恒功率控制系統(tǒng)原理

由于采煤機司機很難預(yù)計工作面煤質(zhì)變化情況，而憑經(jīng)驗調(diào)速又有很大的盲目性，因此采煤機都應(yīng)裝有牽引部自動調(diào)速系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計，采煤機采用自動調(diào)速系統(tǒng)后，其生產(chǎn)能力可提高20%～30%。

采煤機恒功率控制原理結(jié)構(gòu)如圖3所示。在采煤機電機恒功率控制過程中，首先給控制器以參照電壓，然后經(jīng)控制器計算分析，發(fā)出對變頻器的給定速度信號，變頻器將控制電壓轉(zhuǎn)化為供給牽引電動機的頻率來控制牽引電機的轉(zhuǎn)速。當(dāng)煤壁硬度變化時，負載傳感器把來自截割電機的負載電流信號傳輸給控制器，在與給定值進行比較后由控制器給出控制調(diào)節(jié)電壓[3]。

3 采煤機的負載分析

3.1 牽引部負載分析

采煤機牽引系統(tǒng)牽引力F如式2所示。

圖3 恒功率控制原理圖

式中：Ff為摩擦力；Ft為負載力，牽引方向靜阻力；x為采煤機牽引方向上的位移；m為采煤機的總質(zhì)量。

3.2 截割部負載分析

截割部傳動系統(tǒng)的功率P如式（3）所示：

式中：Te為截割電機的轉(zhuǎn)矩；n1為截割電機的轉(zhuǎn)速，r/min。

截割電機的轉(zhuǎn)矩Te與煤層硬度B和牽引速度v成正比，即：

那么截割部傳動系統(tǒng)的功率如式（5）所示。

4 恒定功率調(diào)節(jié)

由式（5）可以看出，由于截割部電機的轉(zhuǎn)速n1是恒定的，其功率與煤層硬度B和牽引速度v成正比，要保證截割部恒功率運行，在遇到硬煤時（P＞110%Pe），電動機過載，需要降低牽引速度；遇到軟煤時（P≤90%Pe），電動機欠載，需要提高牽引速度，保持電動機滿載運行。采煤機恒功率自動控制系統(tǒng)根據(jù)截割部負載大小的反饋，通過變頻器調(diào)整牽引速度，使截割電機保持在額定工況下運行。

5 結(jié)論

變頻調(diào)速采煤機恒功率自動控制系統(tǒng)不僅能夠提高生產(chǎn)效率，還能減少設(shè)備的維護次數(shù)，減少維修人員與采煤機組的直接接觸機會，從根本上降低了人身傷害事件的發(fā)生概率。但本系統(tǒng)在運行中還存在一定的不足，如輔助電控系統(tǒng)的操作程序還需進一步優(yōu)化，未來采煤機仍需要不斷優(yōu)化、改進，以實現(xiàn)煤礦開采行業(yè)的安全、高效生產(chǎn)。