電磁調(diào)速電牽引采煤機(jī)的研究與應(yīng)用
我國(guó)從上世紀(jì)80年代后期開(kāi)始研究交流變頻調(diào)速電牽引采煤機(jī),90年代初期研究成功樣機(jī)。10多年來(lái),在采煤機(jī)的系列設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)及功能完善上作了大量研究,開(kāi)發(fā)出系列交流變頻電牽引采煤機(jī),已在國(guó)內(nèi)煤礦逐步推廣使用。近年來(lái),在交流變頻調(diào)速電牽引采煤機(jī)發(fā)展的同時(shí),陸續(xù)展開(kāi)了開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速和電磁調(diào)速電牽引采煤機(jī)的研究,為我國(guó)電牽引采煤機(jī)的發(fā)展起到了很大地促進(jìn)作用。
1 電磁調(diào)速電牽引采煤機(jī)
近年來(lái)我國(guó)機(jī)載變頻調(diào)速交流電牽引采煤機(jī)取得了較大地進(jìn)展。由于采煤機(jī)在工作特點(diǎn)和我國(guó)煤炭企業(yè)的具體情況,電牽引采煤機(jī)在生產(chǎn)總量和使用范圍上與國(guó)外煤炭企業(yè)相比,仍然有較大差距。電磁調(diào)速技術(shù)是一種成熟的技術(shù),由于它具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用可靠、起動(dòng)性能好、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點(diǎn),在其它行業(yè)已有成功應(yīng)用。通過(guò)進(jìn)一步研究電磁調(diào)速技術(shù),用現(xiàn)代技術(shù)改變其調(diào)速性能,使其適合采煤機(jī)牽引的需要,又將電磁調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用到采煤機(jī)上,研制一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易維護(hù)、制造成本低、牽引功率大、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大的電磁調(diào)速電牽引采煤機(jī),對(duì)我國(guó)電牽引采煤機(jī)的推廣將有很大地促進(jìn)作用。
雖然電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)(圖1)是一種具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、使用可靠、起動(dòng)性能好、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點(diǎn)的調(diào)速設(shè)備,但要將電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)作為采煤機(jī)牽引動(dòng)力,仍然需要進(jìn)一步研究。 圖1 隔爆型電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)略
近幾年運(yùn)用新材料新方法制作的電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī),效率可提高10%;最高輸出轉(zhuǎn)速可達(dá)異步電機(jī)轉(zhuǎn)速的95%左右。調(diào)速電動(dòng)機(jī)的速度測(cè)量是靠一個(gè)測(cè)速發(fā)電機(jī)來(lái)進(jìn)行的,低速時(shí)性能本來(lái)就較差,再經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換到控制回路,使得電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)低速性能輸出不穩(wěn)定。為解決這一問(wèn)題,在采煤機(jī)使用的電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)中,使用了軸編碼器來(lái)測(cè)量調(diào)速電動(dòng)機(jī)的速度,將速度測(cè)量數(shù)字化,提高測(cè)量精度,同時(shí)有利于將速度信號(hào)直接送入計(jì)算機(jī)處理,低速性能得到根本改善。
在電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)的研究和實(shí)際工作中,提高調(diào)整精度是一個(gè)重點(diǎn)。研究表明,與其它調(diào)速裝置所不同的是,它的調(diào)整精度取決于人為設(shè)計(jì)的電流控制器的精度和控制方法的選取。我們使用了計(jì)算機(jī)控制和提高電流控制器的精度后,完全可以解決低電流輸出的精度和穩(wěn)定性問(wèn)題。
2 電磁調(diào)速電牽引采煤機(jī)計(jì)算機(jī)調(diào)速系統(tǒng)
為了使調(diào)節(jié)效果更理想,電磁調(diào)速電牽引采煤機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)采用速度、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)(圖2),并采用了計(jì)算機(jī)控制,使得系統(tǒng)更為完善。如果僅采用速度調(diào)節(jié),由于電網(wǎng)電壓波動(dòng)所引起的擾動(dòng)作用,經(jīng)過(guò)一系列機(jī)電慣性的滯后才能反映到轉(zhuǎn)速上來(lái),等到轉(zhuǎn)速反饋產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用,為時(shí)已晚,增加電流內(nèi)環(huán)后,電壓擾動(dòng)被包在電流環(huán)內(nèi),可以及時(shí)地通過(guò)電流反饋得到調(diào)整,這樣,由電網(wǎng)電壓變化所引起的動(dòng)態(tài)降速就比單環(huán)系統(tǒng)小得多。至于由負(fù)載引起的擾動(dòng),由于它處在電流環(huán)外,還是通過(guò)速度環(huán)來(lái)調(diào)節(jié)。 圖2 雙閉環(huán)調(diào)速示意圖略
表面上看,電流負(fù)反饋有使特性變軟的趨勢(shì),但是,由于電流環(huán)在速度環(huán)的里面,電流負(fù)反饋僅相當(dāng)一個(gè)擾動(dòng),在設(shè)計(jì)中,可把速度調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)做得足夠大,而且在正常調(diào)速的情況下不飽和,那么,電流負(fù)反饋的擾動(dòng)作用就受到抑制。電流負(fù)反饋可能產(chǎn)生的降速完全被速度調(diào)節(jié)器的積分作用消除了。在啟動(dòng)中,突加給定,轉(zhuǎn)速負(fù)反饋還沒(méi)有反應(yīng)過(guò)來(lái),速度調(diào)節(jié)器處于飽和狀態(tài),相當(dāng)于速度環(huán)處于開(kāi)環(huán)狀態(tài),系統(tǒng)在電流環(huán)的調(diào)節(jié)下工作,在這一過(guò)程中,系統(tǒng)表現(xiàn)為一恒流調(diào)節(jié)系統(tǒng)。適當(dāng)選擇參數(shù),實(shí)現(xiàn) “時(shí)間最優(yōu)控制”的基本思想。
采煤機(jī)電控系統(tǒng)采用西門子S7-200PLC可編程控制器作為中央處理機(jī),該機(jī)型具有較高的可靠性,指令豐富,易于掌握,且內(nèi)部有豐富的內(nèi)置集成功能和強(qiáng)勁的通訊能力,對(duì)于采煤機(jī)控制極為適合。內(nèi)部的PID調(diào)節(jié)器可滿足速度和電流環(huán)的要求,外圍輔以必要的傳感器及執(zhí)行器件,實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)的操作控制及動(dòng)力制動(dòng)控制??刂坪诵牟捎梦鏖T子S7-200PLC,并擴(kuò)展兩塊4輸入1輸出模擬量模塊EM235,并選用與S7200配套的ID-200漢顯模塊作為顯示模塊。外圍配件包括:電流變送器、輸出繼電器及移相觸發(fā)電路、可控硅整流電路等。在控制方式上采取了邏輯操作和運(yùn)行速度的控制部分功能雙方案,在邏輯操作中,包括正反向牽引、停機(jī)控制、搖臂升降控制、制動(dòng)閘的投切控制以及流量保護(hù)控制等。這些功能均由PLC根據(jù)操作命令及反饋信號(hào)和各種動(dòng)作之間的相互閉鎖關(guān)系,由程序控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)其在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中各性能參數(shù)的測(cè)定,可使額定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)速變化率提高到0.5%以內(nèi),穩(wěn)運(yùn)精度提高到1%以內(nèi)。
3 電磁調(diào)速電牽引采煤機(jī)的制動(dòng)運(yùn)行
工作面傾角較小時(shí),控制系統(tǒng)將通過(guò)速度反饋,調(diào)整勵(lì)磁電流,將其減少,維持采煤機(jī)速度不變,這是電磁調(diào)速方式的一個(gè)優(yōu)點(diǎn),在工作面傾角不太大時(shí),系統(tǒng)將自動(dòng)減少牽引力,最大限度地適應(yīng)工作面角度的變化。利用這一特性可不必使用制動(dòng)。我們將不同的采煤機(jī)用于傾角在20°到30°的工作面上,采煤機(jī)仍能運(yùn)行正常。在勵(lì)磁電流的觀察中可以發(fā)現(xiàn),隨著工作面角度的增大,向下運(yùn)行時(shí)的勵(lì)磁電流逐步減少。
工作面傾角比較大時(shí),采煤機(jī)工作阻力減小,勵(lì)磁電流已經(jīng)足夠小甚至趨近于零;而負(fù)載的速度仍然有變大或變大的趨勢(shì),這時(shí),為保證負(fù)載正常運(yùn)行,需要產(chǎn)生一個(gè)制動(dòng)力,和負(fù)力方向相反,來(lái)抵消這個(gè)負(fù)力帶來(lái)的影響。 圖3 制動(dòng)示意圖 略
為了適應(yīng)各個(gè)方面的情況,我們?cè)O(shè)計(jì)了手動(dòng)和自動(dòng)兩個(gè)制動(dòng)功能,在采煤機(jī)停在向下運(yùn)行的過(guò)程中,需要啟動(dòng)時(shí),可直接啟動(dòng)手動(dòng)方式,采煤機(jī)啟動(dòng)后,在下滑力的作用下,采煤機(jī)開(kāi)始向下運(yùn)行,這時(shí),按照需要給出勵(lì)磁電流,使采煤機(jī)按一定的速度運(yùn)行。如果采煤機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中,下滑力逐漸加大,電磁調(diào)速系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流、減少電磁轉(zhuǎn)矩,仍不能有效地控制采煤機(jī)的運(yùn)行速度時(shí),采煤機(jī)進(jìn)入自動(dòng)制動(dòng)程序。自動(dòng)制動(dòng)程序在運(yùn)行過(guò)程中,一直檢測(cè)電流和速度的變化,如果電流一直在減小,速度仍有上升的趨勢(shì),自動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)將進(jìn)入預(yù)備執(zhí)行階段,先將原動(dòng)機(jī)停電,繼續(xù)檢測(cè)轉(zhuǎn)速的變化,如果速度仍維持不變或有上升趨勢(shì),系統(tǒng)則進(jìn)入制動(dòng)程序。
在制動(dòng)運(yùn)行的過(guò)程中,仍然采用速度、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。從現(xiàn)場(chǎng)使用情況看,電磁調(diào)速電牽引采煤機(jī)在負(fù)載轉(zhuǎn)矩和工作面傾角變化時(shí),在計(jì)算機(jī)雙閉環(huán)控制下,能在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩,維持速度基本不變,采煤機(jī)正常運(yùn)行。而采煤機(jī)本身除增加原動(dòng)機(jī)一個(gè)制動(dòng)閘外,不增加任何部件,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,控制靈活,操作方便,速度調(diào)節(jié)正常,非常適合在煤礦復(fù)雜的條件下使用。 4 電磁調(diào)速采煤機(jī)的應(yīng)用
近年來(lái),我們利用電磁調(diào)速技術(shù),研制了多種型號(hào)的采煤機(jī),從薄煤層到中厚煤層,幾乎覆蓋了全部煤層。其中MGN132/316-DW型電牽引采煤機(jī)是一種薄煤層采煤機(jī),它的采高范圍為1.1~1.9m,機(jī)面高度為853mm。由于采用電磁調(diào)速電牽引方式,使之機(jī)身較薄,過(guò)煤高度可達(dá)326mm,使用lm滾筒時(shí),臥底量為160mm。該機(jī)型采煤機(jī)采用橫向積木式布置方式,多點(diǎn)驅(qū)動(dòng),具有結(jié)構(gòu)緊湊,裝機(jī)功率富裕量大,維修方便的特點(diǎn)。在設(shè)計(jì)中采用了電機(jī)和滑差同軸布置,同時(shí)電控箱尺寸小,使得機(jī)身長(zhǎng)度縮小。該機(jī)型采煤機(jī)底部過(guò)煤空間比同類機(jī)機(jī)身高度大出許多,在工作中發(fā)生采煤機(jī)“托住”故障的可能性很小。該采煤機(jī)還采用了手動(dòng)、指令器、遙控3種控制方式,操作方式非常靈活,為現(xiàn)場(chǎng)使用提供了方便。
MXG-150/350D型電牽引采煤機(jī),機(jī)身高度為1100mm,是一種無(wú)底托梁、橫向布置的新型電牽引采煤機(jī)。它采用了電磁調(diào)速電牽引作為牽引動(dòng)力后,牽引力加大,結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單,機(jī)身短。為了提高整機(jī)的穩(wěn)定性,特意加大了滑靴跨距,機(jī)身的主要部件之間用液壓螺母和高強(qiáng)度螺栓緊固成一個(gè)整體,沒(méi)有了底托架,過(guò)煤空間和臥底量都有所增加,整體適應(yīng)性更為加強(qiáng)。 MXC-500/4.5D型電牽引采煤機(jī),機(jī)身高度為1685mm,是一種大采高采煤機(jī)。該機(jī)型采用電磁調(diào)速牽引后,牽引力為530kN。雖然牽引力大,但它的控制系統(tǒng)和上述兩種采煤機(jī)相同,控制電流最大仍為5A,這也是這種牽引方式的優(yōu)越性之一。
在應(yīng)用中,3種電磁調(diào)速電牽引采煤機(jī),經(jīng)過(guò)生產(chǎn)驗(yàn)證,充分顯示了其顯著的特點(diǎn)和優(yōu)越性。MXG-150/350D在東龐礦、葛泉礦、顯德汪礦十幾個(gè)工作面使用。最大傾角達(dá)30°(葛泉礦1424工作面局部?jī)A角),使用的是MXP-350WD采煤機(jī),重量為25t,工作面是俯采,負(fù)載轉(zhuǎn)矩較大。我們利用電磁調(diào)速的優(yōu)點(diǎn),減少勵(lì)磁電流,控制著電磁轉(zhuǎn)矩,保持了采煤機(jī)運(yùn)行速度;顯德汪礦使用MGNl32/316-DW型電牽引采煤機(jī),煤層厚度1.3~1.5m,年產(chǎn)原煤45萬(wàn)t(包括有兩次搬家);邢臺(tái)礦7809工作面傾角局部達(dá)到35°,使用的是MXP-500WD采煤機(jī),重量為48t,走向沒(méi)有角度,負(fù)載轉(zhuǎn)矩小,在不使用制動(dòng)程序時(shí),有下滑現(xiàn)象,在使用了制動(dòng)程序后,將原動(dòng)機(jī)制動(dòng)住,再向電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)中輸入勵(lì)磁電流,形成制動(dòng)力矩,采煤機(jī)調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)正常。
5 電磁調(diào)速電牽引采煤機(jī)的特點(diǎn)
(1) 控制性能好、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大。 使用計(jì)算機(jī)控制和雙閉環(huán)調(diào)節(jié)后,采煤機(jī)的調(diào)速性能大為提高,控制性能良好,數(shù)字式的測(cè)量、控制、給進(jìn),使采煤機(jī)的穩(wěn)定性比較好。由于電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)是在原動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行狀況下調(diào)速的,起動(dòng)力矩大,并且可調(diào)。
(2) 控制功率小、扭矩大。在電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)中,控制的是勵(lì)磁電流,不控制功率電流,并且最大才5A,這就大大簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng),同時(shí),由于控制的是勵(lì)磁電流,對(duì)于各種電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī),可以用同一種控制器,可對(duì)于不同的電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī),整定不同的參數(shù),其控制系統(tǒng)全部相同,這給制造和調(diào)試工作帶來(lái)方便,對(duì)批量生產(chǎn)更為有利。尤其使用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),優(yōu)點(diǎn)更突出。 由于電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)體積小,可在同樣的空間內(nèi)安排大功率電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī),同時(shí),隨著對(duì)電磁結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步研究,還可以加大輸出扭矩,這就更增強(qiáng)了電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)的負(fù)載能力,拓寬了使用范圍。
(3) 電壓適應(yīng)性好,體積小 。 在實(shí)際應(yīng)用中,電動(dòng)機(jī)和電磁調(diào)速器是安裝在一起的,所占空間小。又由于控制部分簡(jiǎn)單,電控箱可以做得很小,而且由于電磁調(diào)速器的原動(dòng)機(jī)的電壓可以和負(fù)載的其它電機(jī)的電壓相同,因此,可適應(yīng)各種電壓的采煤機(jī),電牽引調(diào)速部分不需要大功率變壓器,可使采煤機(jī)整機(jī)的體積大為縮小。這一優(yōu)點(diǎn),在薄煤層采煤機(jī)設(shè)計(jì)中顯得尤為寶貴。因?yàn)楸∶簩硬擅簷C(jī)的過(guò)煤空間較小,如果機(jī)身設(shè)計(jì)的太長(zhǎng),對(duì)起伏不平的工作面條件適應(yīng)性將受到影響,甚至可能發(fā)生“托住”的現(xiàn)象。
(4) 制動(dòng)運(yùn)行性能好 。 電磁調(diào)速電牽引采煤機(jī)在負(fù)載轉(zhuǎn)矩和工作面傾角變化時(shí),在計(jì)算機(jī)雙閉環(huán)控制下,能在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩,維持速度基本不變,采煤機(jī)正常運(yùn)行。采煤機(jī)運(yùn)行在大傾角工作面時(shí),計(jì)算機(jī)對(duì)勵(lì)磁電流和運(yùn)行速度進(jìn)行分析,判斷是否進(jìn)入制動(dòng)程序。制動(dòng)程序分為手動(dòng)和自動(dòng)。采煤機(jī)本身除增加原動(dòng)機(jī)一個(gè)制動(dòng)閘外,不增加任何部件,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,控制靈活,操作方便,速度調(diào)節(jié)正常。
綜上所述,電磁調(diào)速電牽引采煤機(jī)在調(diào)速方式上具有創(chuàng)新點(diǎn),并且,為使電磁調(diào)速系統(tǒng)更好地應(yīng)用于采煤機(jī)電牽引上,對(duì)電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)和控制器進(jìn)行了創(chuàng)新研究,并成功地應(yīng)用到采煤機(jī)上,使得電磁調(diào)速電牽引采煤機(jī)具有牽引力大、可控性好、控制功率小、電壓升級(jí)方便、采煤機(jī)牽引和電控部分所占體積小等特點(diǎn),并且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、使用維護(hù)方便。而且,調(diào)速器本身的一些不利因素都能通過(guò)技術(shù)途徑予以解決。全部技術(shù)擁有自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。到目前為止,電磁調(diào)速電牽引采煤機(jī)已經(jīng)有薄煤層和中厚煤層幾個(gè)機(jī)型,在幾個(gè)煤炭企業(yè)使用狀況良好,并且經(jīng)受了復(fù)雜工作面的考驗(yàn)。
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