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)。