采煤機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能控制技術(shù)研究

閆建宙

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司， 山西 臨汾 042100）

1 采煤機(jī)變頻調(diào)速裝置的基本介紹

采煤機(jī)變頻調(diào)速控制裝置是電牽引采煤機(jī)的重要構(gòu)件。根據(jù)電牽引采煤機(jī)的工作要求，其需要通過不間斷的方向轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)煤炭切割。而采煤機(jī)變頻調(diào)速裝置就是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制的核心，其與采煤機(jī)的作業(yè)效率直接相關(guān)。采煤機(jī)變頻調(diào)速控制裝置所采用的是變頻調(diào)速技術(shù)。變頻調(diào)速技術(shù)是一種集電流交換技術(shù)、電子電力技術(shù)、微計(jì)算機(jī)技術(shù)等技術(shù)于一身的綜合性電氣技術(shù)。其工作的主要原理就是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)與工作電源入頻率的正比關(guān)系，轉(zhuǎn)速等于60倍的輸入頻率*1-電機(jī)轉(zhuǎn)差數(shù)載除以電機(jī)磁極對數(shù)[2]。對于電機(jī)的轉(zhuǎn)速n而言，其公式為

式中：np為極對數(shù)；f為定子供電頻率；s為轉(zhuǎn)速差。

三相交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩是決定變頻調(diào)速的主要指標(biāo)，并對供電的電壓以及頻率的比值進(jìn)行分析和決定。換言之，要控制相關(guān)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，必須要對兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行控制，一方面要對供電頻率進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，另一方面要對供電的電壓進(jìn)行有效調(diào)節(jié)。那么具體來講對變頻調(diào)速裝置就可按照相關(guān)主要參數(shù)的控制方式分為三種，分別是轉(zhuǎn)矩控制（DTC），矢量控制（VC）以及恒壓控制（U/f）

2 采煤機(jī)變頻調(diào)速裝置的選擇依據(jù)

對于不同的控制裝置要如何選擇需要綜合多項(xiàng)因素進(jìn)行考量，包括成本、工作需求等。具體來講在選擇變頻調(diào)速裝置時(shí)需要遵循以下條件：第一，裝置的啟動(dòng)力矩要滿足大負(fù)載啟動(dòng)的需求，并保持工作穩(wěn)態(tài)，且能夠在重復(fù)工況下多次啟動(dòng)，確保每次的響應(yīng)速率、復(fù)負(fù)載沖擊能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)；第二，需要具備低速轉(zhuǎn)矩、靜態(tài)機(jī)械特性硬度大的需求。這是因?yàn)椴擅簷C(jī)在作業(yè)時(shí)可能遭遇不同的采集條件，并非一直水平作業(yè)，需要能夠應(yīng)對傾角的勢能負(fù)載情況，包括重力和摩擦力；第三，具有即時(shí)制動(dòng)的能力。也就是說能夠在遭遇突發(fā)情況的條件下建立足夠的輸出力矩，通過機(jī)械制動(dòng)和電控系統(tǒng)即時(shí)作出反應(yīng)；第四，要求主從牽引電機(jī)能夠同步、平穩(wěn)，主要針對轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩這兩項(xiàng)參數(shù)的輸出；第五，能夠應(yīng)對惡劣復(fù)雜工況下的采煤需求，及時(shí)散熱和除振，保持結(jié)構(gòu)緊湊，利于行走。

3 采煤機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能控制技術(shù)的對比分析

為了研究這兩種控制方式的優(yōu)劣以及適應(yīng)性，本文通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方式進(jìn)行技術(shù)對比分析。

3.1 試驗(yàn)的基礎(chǔ)

為了驗(yàn)證矢量控制和恒壓控制的優(yōu)劣，選擇兩種控制方式均無使用速度傳感器（PG）的方式來進(jìn)行調(diào)速控制，并且在開關(guān)狀態(tài)控制和逆變器開關(guān)控制方式上有所差異。其中矢量控制方式時(shí)開關(guān)的狀態(tài)是基于電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流變量的。因此在運(yùn)行過程中機(jī)械速度是計(jì)算變量的關(guān)鍵，需要對電動(dòng)機(jī)軸的速度和位置反饋進(jìn)行系統(tǒng)計(jì)算。逆變器的開關(guān)則是由PWM調(diào)制器進(jìn)行給定的；而對于恒壓控制方式來講，其開關(guān)的狀態(tài)是由電的電壓以及頻率的比值進(jìn)行分析和決定的，所形成的比率曲線不同，對開關(guān)實(shí)現(xiàn)控制，這是在給定速度下完成的。逆變器的開關(guān)控制與矢量控制方式相同，都是由PWM調(diào)制器進(jìn)行給定的。在此種條件下，完成對試驗(yàn)的設(shè)計(jì)和實(shí)施[3]。

3.2 試驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)施

根據(jù)影響控制方式的核心參數(shù)，本文選擇在牽引電纜5 m/305 m兩種狀態(tài)下進(jìn)行性能比對，并且設(shè)置相應(yīng)的測量點(diǎn)，對每個(gè)點(diǎn)位上變頻調(diào)速裝置的輸出電流/電壓，輸出頻率、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子軸輸出空濾、轉(zhuǎn)矩等重要參數(shù)進(jìn)行測量。為了方便對數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，減少人為失誤帶來的影響。選擇使用軟件Drivewizard與變頻調(diào)速裝置進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，根據(jù)控制方式的不同，要求在恒壓控制條件下將電機(jī)設(shè)定為旋轉(zhuǎn)型自學(xué)習(xí)，而在矢量控制條件下將電機(jī)設(shè)定為線間電阻自學(xué)習(xí)。在保障電機(jī)的工況滿足設(shè)定條件的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，對電動(dòng)機(jī)在空載、80%額定電流、額定電流三種電流負(fù)載條件下進(jìn)行試驗(yàn)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)給定的試驗(yàn)條件，運(yùn)用軟件對5 m/305 m條件下的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，所采集的結(jié)果如表1、表2所示，表中1為恒壓控制，2為矢量控制。其中內(nèi)部轉(zhuǎn)矩僅可采集矢量控制條件下的數(shù)據(jù)。

表1 5 m牽引電纜的部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 305 m牽引電纜的部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)表1表2的試驗(yàn)結(jié)果對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。根據(jù)表1中試驗(yàn)數(shù)據(jù)收集情況來看，在5 m條件下，空載到穩(wěn)態(tài)中兩種控制方式的性能參數(shù)比較相近。在給定頻率不同的條件下，二者都能夠在額定電流下達(dá)到額定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。從上述數(shù)據(jù)來看，轉(zhuǎn)矩控制的精度和穩(wěn)定情況對矢量控制的實(shí)現(xiàn)最為關(guān)鍵，閬中牽引電纜條件下，矢量控制的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和內(nèi)部額定轉(zhuǎn)矩基本上對應(yīng)，并隨負(fù)載進(jìn)行變動(dòng)。其整體的調(diào)節(jié)能力基本上能夠滿足轉(zhuǎn)向需求。對比相同給定頻率下305 m牽引電纜恒壓控制和矢量控制的參數(shù)，矢量控制分別能夠在3 Hz、5 Hz等達(dá)到穩(wěn)定輸出，并順利達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩，但是恒壓控制卻出現(xiàn)不穩(wěn)定或者額定轉(zhuǎn)矩不達(dá)標(biāo)的情況。由此可見，在低頻條件下，矢量控制要優(yōu)于恒壓控制方式。

4 結(jié)語

采煤機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能控制技術(shù)的應(yīng)用對增加煤礦企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益、節(jié)約企業(yè)工作中的經(jīng)濟(jì)成本、不斷提高煤礦可開采能力都有著重要的突破。通過U/f恒定控制、矢量控制等，能夠減少采煤機(jī)故障，提高工作效率。通過實(shí)驗(yàn)分析對比來看，在低頻工況下，矢量控制的變頻調(diào)速裝置要優(yōu)于恒壓控制的變頻調(diào)速裝置。

[1] 魯曉輝，張全柱，鄧永紅.交流傳動(dòng)互饋試驗(yàn)系統(tǒng)在采煤機(jī)上的應(yīng)用研究[J].華北科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2016，13（3）：79-84.

[2] 宋曉陽.帶式輸送機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能控制系統(tǒng)研究[J].工程技術(shù)，2016（13）：385.

[3] 楊峰，程雷.帶式輸送機(jī)變頻跟隨控制技術(shù)的研究與運(yùn)用[J].工程技術(shù)，2016（9）：339.