變頻驅(qū)動技術在連續(xù)采煤機行走系統(tǒng)中的應用

任保明

近些年來，連續(xù)采煤機、滾筒采煤機、懸臂式掘進機和梭車等采掘機器的設備牽引都應用了交直流調(diào)速技術，相比液壓技術而言提高了牽引性能。而目前，交流變頻技術逐漸發(fā)展成熟，與直流調(diào)速技術相比又得到了進一步的提高。應用于礦井下的連續(xù)采煤機，其行走系統(tǒng)的驅(qū)動方案不僅要滿足牽引性能，更要綜合考慮成本、過載能力和空間限制等因素[1]。

1 連續(xù)采煤機行走系統(tǒng)驅(qū)動方式的比較

連續(xù)采煤機作為煤礦井下的重要機械設備，其行走驅(qū)動系統(tǒng)需要非常大的功率儲備，還需要高效率和使用壽命的器件，相比其它工作系統(tǒng)，在變速、調(diào)速和改變輸出軸的旋轉(zhuǎn)方向和傳輸動力等方面具有更高的要求。我國連續(xù)采煤機主要用于開拓千萬噸礦井巷道以及房柱式采煤作業(yè)，對于機器的調(diào)動相對較為頻繁。連續(xù)采煤機行走驅(qū)動系統(tǒng)在正常工作時，功率維持恒定，而在截割硬巖或遇到夾矸時，系統(tǒng)要求提供更大的牽引力進行煤巖的截割，致使整個采煤機處于空頂狀態(tài)，存在極大的安全隱患[2]。連續(xù)采煤機行走系統(tǒng)常用的驅(qū)動方式有三種：

（1）連續(xù)采煤機液壓驅(qū)動結(jié)構(gòu)，由兩臺液壓馬達、減速器和行走履帶組成。液壓行走系統(tǒng)主要用于液壓挖掘機、瀝青路面銑刨機和掘進機等低速行走機械，具有自動過載保護的優(yōu)點，且體積較小。而液壓行走系統(tǒng)應用在連續(xù)采煤機上時，與電機驅(qū)動相比，則出現(xiàn)過載能力較差和響應速度較慢的缺陷，影響整機的精確控制和使用質(zhì)量。

（2）連續(xù)采煤機直流電機驅(qū)動，有兩臺直流電機、減速器、可控硅整流器和行走履帶組成。兩臺直流電機分別驅(qū)動兩條行走履帶。連續(xù)采煤機的配電箱供給交流電源，經(jīng)可控硅整流器整流后，利用輸出電壓的高低來控制電機轉(zhuǎn)速，然后經(jīng)過減速器作用，使得行走履帶的速度變化。直流驅(qū)動系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)矩較大，且控制響應快，過載能力較強，非常適合用于連續(xù)采煤機行走系統(tǒng)，但是電機體積大、控制復雜和維護量大的缺點使得整機的布置較困難，可靠性也降低。

（3）連續(xù)采煤機交流變頻驅(qū)動結(jié)構(gòu)，由兩套交流變頻電機、減速器、控制系統(tǒng)和行走履帶組成。交流變頻調(diào)速電機維護簡單、可靠性強、工作效率高，并且節(jié)省電力，相比直流電機驅(qū)動，調(diào)速性能相近且體積較小，能夠替代直流電機應用在連續(xù)采煤機行走系統(tǒng)中[3]。

表1 連續(xù)采煤機行走系統(tǒng)驅(qū)動方式的比較

2 連續(xù)采煤機行走變頻驅(qū)動系統(tǒng)的設計

2.1 變頻器的選擇

在煤礦井下作業(yè)的連續(xù)采煤機作業(yè)空間較小，而且井下路面凹凸不平，正常作業(yè)時掘進和采煤過程需要變頻器來及時對轉(zhuǎn)速指令的變化進行跟蹤，從而實現(xiàn)采煤機頻繁加速或者減速和轉(zhuǎn)彎等功能，變頻器對電機的控制能力要求較高。目前，變頻器控制電機的方式可以分為U/f恒定控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、非線性控制和矢量控制等。連續(xù)采煤機作業(yè)時司機對行走的操作控制頻繁，可以理解為頻繁對變頻器啟動和停止的控制，因此需要變頻器的響應速度較快，且啟動轉(zhuǎn)矩較大，才能保證采煤機的工作效率[4]。此外，使用連續(xù)采煤機進行修頂和掃幫作業(yè)時，變頻器響應速度足夠快能夠保證在最短時間達到指定速度，才能保證巷道的質(zhì)量。同時，由于連續(xù)采煤機的整機機身重量較大，表面浮煤會較多，這就要求變頻器過載能力要足夠強。連續(xù)采煤機進行支巷回采作業(yè)時，要求采煤機履帶能夠快速連續(xù)改變方向和速度，所以還要求變頻器制動能力較快。結(jié)合以上幾點，適合連續(xù)采煤機的變頻器控制方式為矢量控制，矢量變頻器低頻轉(zhuǎn)矩較高、動態(tài)響應速度較快且啟動轉(zhuǎn)矩較大。

2.2 行走變頻驅(qū)動系統(tǒng)的設計

連續(xù)采煤機行走變頻驅(qū)動系統(tǒng)裝置軟件設計采用模塊化程序設計,本文以煤炭科學研究總院太原研究院研發(fā)的EML340型連續(xù)采煤機為例，采用兩臺變頻器分別驅(qū)動兩臺交流電機完成行走功能。該采煤機使用變頻驅(qū)動系統(tǒng)，以PLC為控制中心，根據(jù)輸入值和采煤機的工作情況，PLC控制系統(tǒng)中的兩臺變頻器，系統(tǒng)的人機交互界面使用液晶顯示屏，能夠?qū)崟r反映連續(xù)采煤機作業(yè)時的行走狀態(tài)[5]。

圖1 EML340型連續(xù)采煤機行走變頻驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

連續(xù)采煤機行走變頻驅(qū)動系統(tǒng)中的變頻調(diào)速裝置相對獨立存在，是由連續(xù)采煤機主控制器來控制其啟動、正反轉(zhuǎn)、速度和停止等操作的。同時，變頻調(diào)速裝置本身的狀態(tài)通過Modbus協(xié)議傳輸?shù)街骺刂破?，顯示變頻器的實時數(shù)據(jù)并能進行故障的判斷，如母線電壓、輸出頻率和電流大小等故障信息。EML340型連續(xù)采煤機的速度檔位分為高、中、低三檔，操作箱上的轉(zhuǎn)換開關負責速度檔位的調(diào)換，行走手柄負責行走的速度和方向。變頻調(diào)速裝置控制速度原理是由信號隔離對行走手柄輸出的電位計信號進行轉(zhuǎn)換，然后輸入到主控制器的模擬量輸入端，經(jīng)過判斷和計算再傳送給變頻器，變頻器對電機的控制最后實現(xiàn)速度的調(diào)控[6]。

在截割電動機未啟動或采煤機后退時，行走速度由速度的檔位開關和行走手柄完全控制；而在截割電動機啟動后或采煤機前進時，行走速度根據(jù)截割煤巖的作業(yè)需求，由截割電動機的電流實現(xiàn)反饋控制。行走控制的過程如下：速度檔位為低速時，前進速度由截割電流反饋控制，行走最大速度為低速檔位設定值；速度檔位為中速時，前進速度由截割電流反饋控制，行走最大速度為中速檔位設定值；速度檔位為高速時，前進速度有由截割電流反饋控制，最大速度為高速檔位設定值。EML340型連續(xù)采煤機行走變頻驅(qū)動系統(tǒng)的額定電壓為1140 V，電壓波動允許范圍為75%～110%，額定功率55×2 kW，輸出電壓0～1140 V，輸出頻率0～114 Hz，基頻為55 Hz，額定輸出電流為2路，每路40 A，水冷連續(xù)工作制，防爆等級為ExdⅠ。據(jù)實際應用分析，在神東煤炭分公司大柳塔礦活雞兔井和陜西煤業(yè)化工集團張家峁礦應用EML340型變頻驅(qū)動系統(tǒng)設計的連續(xù)采煤機，試驗為期3個月，結(jié)果表明，該變頻驅(qū)動系統(tǒng)運行穩(wěn)定，行走控制靈活，在主控制器故障時變頻驅(qū)動系統(tǒng)仍然可操作，控制連續(xù)采煤機作業(yè)。同時，該裝置可靠性強，維修和檢修方便[7]。

3 結(jié)語

變頻驅(qū)動技術在連續(xù)采煤機中的應用可靠性和穩(wěn)定性都較好，適合用于煤礦井下作業(yè)，并且優(yōu)勢明顯，滿足了連續(xù)采煤機的作業(yè)要求。日后的采煤機設備研究中，加大變頻驅(qū)動技術的應用力度，根據(jù)不同作業(yè)環(huán)境和要求，利用合適的變頻器設計合理的變頻驅(qū)動行走系統(tǒng)，保證連續(xù)采煤機正常運行的條件下，大大提高生產(chǎn)工作效率。

〔1〕周茂普.連續(xù)采煤機塊段式開采工藝與圍巖控制技術研究[D].中國礦業(yè)大學，2014.

〔2〕曹艷麗.連續(xù)采煤機動態(tài)特性及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的研究[D].遼寧工程技術大學，2012.

〔3〕姚繼權(quán).縱軸式掘進機履帶行走系統(tǒng)動力學研究[D].遼寧工程技術大學，2012.

〔4〕王震宇.XH-PS型巷道采煤機虛擬樣機的建立與仿真分析[D].西華大學，2012.

〔5〕孫海波.采煤機3DVR數(shù)字化信息平臺關鍵技術研究[D].中國礦業(yè)大學，2009.

〔6〕譚 超.電牽引采煤機遠程參數(shù)化控制關鍵技術研究[D].中國礦業(yè)大學，2009.

〔7〕王 安.連續(xù)采煤機房柱式短壁機械化采煤技術的研究與實踐[D].遼寧工程技術大學，2002.