基于Simulink 的采煤機(jī)牽引調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用研究

孫玉民

（中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017200）

引言

采煤機(jī)的調(diào)速牽引系統(tǒng)不僅要控制采煤機(jī)綜采作業(yè)時(shí)的截割機(jī)構(gòu)，而且還要控制整機(jī)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，因此，調(diào)速牽引系統(tǒng)工作時(shí)的穩(wěn)定性和可靠性直接關(guān)系到采煤機(jī)綜采作業(yè)的效率?，F(xiàn)有采煤機(jī)的調(diào)速牽引控制系統(tǒng)主要是采用了閉環(huán)PID 控制[1]的方式對(duì)工作時(shí)的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，因煤礦井下綜采條件惡劣，采煤機(jī)受到的振動(dòng)、沖擊強(qiáng)烈，牽引調(diào)速控制系統(tǒng)在工作時(shí)普遍存在著反應(yīng)速度慢、調(diào)速穩(wěn)定性差的缺陷，給采煤機(jī)的綜采調(diào)速作業(yè)帶來(lái)了極大的影響，嚴(yán)重影響了綜采效率和經(jīng)濟(jì)性。因此，針對(duì)現(xiàn)有調(diào)速系統(tǒng)的缺陷，提出了一種新的智能調(diào)速控制系統(tǒng)。

1 智能調(diào)速控制系統(tǒng)原理

在傳統(tǒng)的采煤機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)中，為了避免采煤機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)在頻繁調(diào)節(jié)中導(dǎo)致的電機(jī)過(guò)載損壞現(xiàn)象[2]，均采用了在系統(tǒng)電路中配備過(guò)載保護(hù)電路的方案，但過(guò)載保護(hù)電流僅是針對(duì)電機(jī)進(jìn)行過(guò)載保護(hù)，并沒(méi)有考慮到實(shí)際工作中調(diào)速牽引機(jī)構(gòu)中關(guān)鍵零部件的可靠性問(wèn)題，因此，為了確保調(diào)速牽引機(jī)構(gòu)工作時(shí)的穩(wěn)定性，在建立智能調(diào)速控制系統(tǒng)時(shí)，需要該調(diào)速系統(tǒng)中引進(jìn)一套以調(diào)速系統(tǒng)關(guān)鍵零部件可靠性為依據(jù)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，確保采煤機(jī)的牽引調(diào)速能夠根據(jù)工作時(shí)的地質(zhì)條件的不同而自動(dòng)調(diào)整，其調(diào)速牽引控制原理如圖1 所示。

由圖1 可知，該調(diào)速牽引智能控制系統(tǒng)以采煤機(jī)工作時(shí)的截割深度B和井下綜采面煤巖的堅(jiān)固性系數(shù)f為調(diào)整依據(jù)，然后利用ANN 曲面擬合技術(shù)形成一個(gè)符合零件可靠性基礎(chǔ)的最優(yōu)調(diào)速模塊算法，該算法能夠在確保采煤機(jī)調(diào)速牽引系統(tǒng)各零部件最優(yōu)的情況下形成最大的牽引速度推薦值Vq1，Vq1再通過(guò)一個(gè)Gain（采煤機(jī)牽引部減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比）環(huán)節(jié)，將其調(diào)整為最佳的驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作轉(zhuǎn)速n1。同時(shí)將綜合計(jì)算出的截割牽引力合理的分配到各個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)上，作為各個(gè)電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL，由于牽引電機(jī)工作時(shí)的實(shí)際轉(zhuǎn)速n和最佳驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作轉(zhuǎn)速n1之間存在著一定的差異，此時(shí)通過(guò)系統(tǒng)上設(shè)置的“ASR 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模塊”[3]對(duì)其調(diào)整，最終獲得最佳的理想轉(zhuǎn)矩Te1，該轉(zhuǎn)矩與牽引電機(jī)的三相電流及轉(zhuǎn)子工作時(shí)的角速度ω 一起確定電機(jī)的三相定子電流i*ABC，然后系統(tǒng)以此電流作為系統(tǒng)的IGBT[4]（絕緣柵雙極晶體管）的控制開(kāi)關(guān)，通過(guò)控制該晶體管的工作狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引電機(jī)的靈活調(diào)速，確保對(duì)采煤機(jī)牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速的跟蹤的精確性和快速性。

圖1 智能調(diào)速牽引控制系統(tǒng)控制原理圖

2 采煤機(jī)牽引調(diào)速控制系統(tǒng)的仿真分析

利用Simulink 仿真分析軟件建立采煤機(jī)牽引調(diào)速控制系統(tǒng)的仿真分析模型，根據(jù)采煤機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的機(jī)械參數(shù)，設(shè)置系統(tǒng)控制電源為600 V，電流的頻率為50 Hz，采煤機(jī)牽引機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率為18.4 kW，工作時(shí)的額定電壓為1 140 V。為了模擬采煤機(jī)在實(shí)際截割作業(yè)過(guò)程中出現(xiàn)的截割深度和煤巖的堅(jiān)固性系數(shù)發(fā)生變化而對(duì)調(diào)速控制系統(tǒng)的影響，在進(jìn)行仿真分析時(shí)對(duì)截割深度B 和煤巖的堅(jiān)固性系數(shù)f設(shè)置為頻率分別為2 Hz和4.4 Hz的正弦波動(dòng)信號(hào)。采煤機(jī)牽引調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)截割負(fù)載的變化自動(dòng)生成的牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化曲線和功率變化曲線如圖2 所示。

由仿真分析結(jié)果可知，采煤機(jī)啟動(dòng)后其牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速、機(jī)械功率均不斷增加并趨向于穩(wěn)定，當(dāng)采煤機(jī)牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到1 187 r/min 后開(kāi)始進(jìn)行截割作業(yè)時(shí)，其機(jī)械功率會(huì)迅速增加到9.04 kW，同時(shí)對(duì)控制系統(tǒng)開(kāi)始輸入截割深度B和煤巖的堅(jiān)固性系數(shù)f的正弦變化曲線，此時(shí)采煤機(jī)機(jī)械功率和電機(jī)轉(zhuǎn)速則開(kāi)始呈現(xiàn)近似正弦波的變化曲線，當(dāng)截割深度B=0.57 m，煤巖的堅(jiān)固性系數(shù)f=2.67 時(shí)采煤機(jī)的牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速最大，約為1 136.8 r/min，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的采煤機(jī)的牽引速度約為4.76 m/min，采煤機(jī)的牽引電機(jī)對(duì)應(yīng)的功率約為10.86 kW，遠(yuǎn)小于電機(jī)的額定功率，說(shuō)明電機(jī)在此工況下工作時(shí)具有較大的富裕度，能夠確保截割作業(yè)時(shí)不會(huì)出現(xiàn)超負(fù)荷運(yùn)行，同時(shí)也說(shuō)明4.76 m/min 是采煤機(jī)在智能牽引調(diào)速控制系統(tǒng)作用下所生產(chǎn)的在確保各關(guān)鍵零部件可靠性前提下的最大的牽引速度。

圖2 采煤機(jī)牽引調(diào)速控制系統(tǒng)的仿真分析結(jié)果

在截割作業(yè)過(guò)程中，采煤機(jī)的實(shí)際運(yùn)行牽引速度和控制系統(tǒng)所推薦的最優(yōu)的牽引速度之間的差值變化曲線如圖3 所示。

圖3 推薦牽引速度與實(shí)際運(yùn)行速度的誤差變化曲線

由對(duì)比分析結(jié)果可知，當(dāng)采煤機(jī)截割作業(yè)穩(wěn)定后，采煤機(jī)牽引調(diào)速控制系統(tǒng)所生成的推進(jìn)牽引速度變化曲線和采煤機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的速度變化曲線之間的最大誤差僅0.029 m/min，說(shuō)明該控制系統(tǒng)具有速度調(diào)節(jié)精度高，跟蹤特性好的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足對(duì)井下采煤機(jī)牽引速度連續(xù)跟蹤調(diào)整的需求。

3 結(jié)論

1）該調(diào)速控制的基礎(chǔ)是確保采煤機(jī)關(guān)鍵零部件工作可靠性，因此能夠顯著提升采煤機(jī)工作時(shí)各零部件的穩(wěn)定性，極大地降低出現(xiàn)機(jī)械故障的概率；

2）采煤機(jī)牽引調(diào)速控制系統(tǒng)所生成的推進(jìn)牽引速度變化曲線和采煤機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的速度變化曲線之間的最大誤差僅0.029 m/min，說(shuō)明該控制系統(tǒng)具有速度調(diào)節(jié)精度高，跟蹤特性好的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足對(duì)井下采煤機(jī)牽引速度連續(xù)跟蹤調(diào)整的需求。