采煤機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)化研究

□ 李維偉

太重煤機(jī)有限公司 太原 030032

1 研究背景

為了提高采煤機(jī)的生產(chǎn)效率,一般從兩方面著手,一是牽引速度,二是牽引力。牽引速度與電機(jī)帶動的負(fù)載成正比關(guān)系,過高的牽引速度會使電機(jī)運行功率高于額定功率。而電機(jī)過載則會引起停機(jī)保護(hù),從而降低采煤機(jī)牽引系統(tǒng)的可靠性,影響采煤生產(chǎn)[1-3]。

針對以上問題,在牽引系統(tǒng)中常采用較成熟的變頻調(diào)速,根據(jù)電機(jī)實時負(fù)載狀況匹配相應(yīng)的牽引速度。變頻調(diào)速由直接轉(zhuǎn)矩控制,在調(diào)速的同時,既可以提高生產(chǎn)力,又不影響采煤機(jī)的整體穩(wěn)定性和可靠性[4-6]。筆者對采煤機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化研究。

2 采煤機(jī)變頻調(diào)速特性

采煤機(jī)變頻調(diào)速指在采煤機(jī)運行過程中,當(dāng)遇到外在狀況影響牽引電機(jī)功率或牽引力時,電機(jī)都能自主調(diào)整為與之相匹配的速度,從而避免電機(jī)過載、欠載,以及造成能耗浪費。采煤機(jī)的牽引力和牽引電機(jī)的功率會因為煤層不同而發(fā)生改變,受煤層硬度、脆性,以及煤炭截割阻力等的影響。在牽引力和牽引電機(jī)功率發(fā)生改變的情況下,采煤機(jī)通過自動調(diào)整牽引速度,使自身保持滿載運行的狀態(tài)[7-8]。

3 采煤機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)模型

筆者針對MG2×70/325B Ⅵ型采煤機(jī)進(jìn)行建模分析,該采煤機(jī)牽引部分屬于交流電機(jī)牽引模式,采用直接轉(zhuǎn)矩控制,電機(jī)調(diào)速符合矢量控制原理。牽引電機(jī)主要用于牽引采煤機(jī)滾筒部分,對此,通過建立滾筒模塊和牽引電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析[9-11]。

3.1 滾筒模塊

將MG2×70/325B Ⅵ型采煤機(jī)作為研究對象,滾筒的工作狀態(tài)為采煤機(jī)前、后置滾筒均切入煤層,但后置滾筒距底板的臥底量最大不超過0.06 m,采煤層的厚度均值不超過1.5 m。在這一工作狀態(tài)下,分析滾筒齒刃的受力情況。假設(shè)滾筒齒刃的排列為平鋪式,前置滾筒切入煤層后,滾筒齒刃受到來自煤層的牽引力和側(cè)向擠壓力。另外,煤層因旋轉(zhuǎn)掘進(jìn)而受到破壞,會產(chǎn)生對滾筒齒刃的阻力,這一阻力分為切割阻力和軸向阻力兩部分。滾筒上的螺旋葉片在掘進(jìn)時受到因傳輸煤塊而形成的反作用力。滾筒截煤時的總受力即為上述各力的矢量和。

按照上述受力情況建立滾筒模塊,滾筒齒刃受到的牽引力和側(cè)向擠壓力方向垂直,螺旋葉片的截煤反力與滾筒齒刃的軸向阻力方向相反,滾筒受力的方向和大小并非恒定。通過對比實際工況,可以驗證滾筒模塊是否符合實際情況。

實際工況中,前置滾筒截深厚度為0.65 m,煤層的堅固因子為3,后置滾筒臥底量為0.06 m,煤巖的堅固因子為7,采煤機(jī)的牽引速度為4.2 m/min,滾筒的轉(zhuǎn)速為84 r/min。

按照上述設(shè)定工況計算前、后置滾筒齒刃的三坐標(biāo)力,具體截煤計算式為:

(1)

(2)

式中:Rxi、Ryi、Rzi依次為滾筒齒刃截煤時在X、Y、Z軸方向的作用力;Xi為沿滾筒軸向指向煤壁一側(cè)的側(cè)向力;Yi為沿滾筒齒刃角速度方向的推進(jìn)力;Zi為沿滾筒齒刃線速度方向的截割力;Rx、Ry、Rz為滾筒的三坐標(biāo)力;ω為滾筒角速度;t為采煤機(jī)系統(tǒng)的運行時間;φi為在t時刻、第i個截線上工作齒刃在滾筒圓周方向的角度,(°);Rs為裝煤反力;Xq為滾筒附加軸向力。

計算后發(fā)現(xiàn),前置滾筒的三坐標(biāo)力Rx平均值為18 kN,Ry平均值為8 kN,Rz平均值為-4.5 kN,后置滾筒的三坐標(biāo)力Rx平均值為26 kN,Ry平均值為-5.5 kN,Rz平均值為-5 kN,波動情況與實際工況吻合。

3.2 牽引電機(jī)系統(tǒng)

MG2×70/325B Ⅵ型采煤機(jī)的牽引部分使用雙電機(jī)驅(qū)動形式,交流電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量為1.31 kg·m2。在建立牽引電機(jī)負(fù)載系統(tǒng)時,需要考慮傳動所帶來的損耗。由于傳動受力結(jié)構(gòu)復(fù)雜,因此可以將整個傳動鏈精簡為單齒嚙合。根據(jù)計算,可以得到牽引系統(tǒng)的傳動效率為85%,傳動比為192.8。

為了保證系統(tǒng)建立的準(zhǔn)確性,還需要詳細(xì)分析牽引電機(jī)負(fù)載的具體情況。牽引電機(jī)的負(fù)載主要來自采煤機(jī)本身和滾筒工作產(chǎn)生的阻力,另外,由于井下環(huán)境惡劣,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,牽引電機(jī)在工作狀態(tài)下往往還會受到來自外界的干擾。可見,牽引電機(jī)負(fù)載的大小和方向是隨時間變化的,無法簡單由一個近似值建立系統(tǒng)。對此,可以根據(jù)等效均布載荷的方式,簡化傳動系統(tǒng),計算電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩,進(jìn)而簡化受力情況,當(dāng)然,負(fù)載效應(yīng)仍應(yīng)與實際的負(fù)載效應(yīng)保持一致。采煤機(jī)的理論質(zhì)量為19.5×103kg,通過計算得到電機(jī)負(fù)載值與實際工況相符。

所建立的牽引電機(jī)系統(tǒng)如圖1所示。

▲圖1 牽引電機(jī)系統(tǒng)

4 仿真結(jié)果分析

采煤機(jī)的電機(jī)功率在200 kW以上,電機(jī)因為慣性向電路中短路點輸送電流的情況較為明顯。另外,在采煤過程中,采煤深度和煤層的堅固程度會隨時間的推移而產(chǎn)生不同的變化,為了保證仿真的有效性,筆者在仿真中進(jìn)行如下模擬:① 起始狀態(tài)挖掘煤層的堅固因子設(shè)定為2.6,煤層的平均深度為0.5 m;② 采煤機(jī)電機(jī)起動時無負(fù)載,0.5 s后滾筒齒刃接觸煤層;③ 掘進(jìn)速度控制在0.08 m/s,假設(shè)煤層深度較淺,1.5 s后接觸巖層,巖層的堅固因子較煤層高0.5。

電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化情況如圖2所示。電機(jī)由變頻調(diào)速系統(tǒng)控制,轉(zhuǎn)速隨負(fù)載的增大而發(fā)生變化?？蛰d狀態(tài)時,電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定為1 200 r/min。隨著滾筒齒刃接觸煤層,在0.8 s時,電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化,并在0.2 s后穩(wěn)定至1 350 r/min。

電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩波形變化情況如圖3所示。由圖3可知,在空載狀態(tài)下,電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩波形變化幅度很大;當(dāng)設(shè)備產(chǎn)生負(fù)載后,轉(zhuǎn)矩振動幅度減小。變頻調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差,一方面會導(dǎo)致電機(jī)抖動,另一方面也會影響電機(jī)速度的穩(wěn)定性,使電機(jī)能耗過大。通過研究認(rèn)為,造成電機(jī)穩(wěn)定性差的主要原因在于電機(jī)采用了直接轉(zhuǎn)矩控制。

▲圖2 電機(jī)轉(zhuǎn)速變化情況

▲圖3 電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩波形變化情況

5 基于定子磁鏈補(bǔ)償器的轉(zhuǎn)矩控制

為解決采煤機(jī)穩(wěn)定性差的問題,筆者在變頻調(diào)速系統(tǒng)中增加了定子磁鏈補(bǔ)償器,這一補(bǔ)償器可用于控制轉(zhuǎn)矩的波動幅值,減小振動。定子補(bǔ)償器加入變頻調(diào)速系統(tǒng),可以通過調(diào)整系統(tǒng)預(yù)估的轉(zhuǎn)矩值,加入數(shù)據(jù)補(bǔ)償,使轉(zhuǎn)矩振幅趨穩(wěn)。

首先增加一個低通濾波器,作用在于將大量高于截止頻率的干擾頻率濾除。變頻調(diào)速系統(tǒng)中,電磁轉(zhuǎn)矩的估值是由定子磁鏈決定的,系統(tǒng)內(nèi)轉(zhuǎn)矩波動較大就是因為定子磁鏈轉(zhuǎn)速未進(jìn)行補(bǔ)償,而受到干擾所致。對此,可以在濾波器后增加比例積分控制器,減小定子磁鏈估值引起的偏差。

異步電機(jī)進(jìn)行電磁轉(zhuǎn)矩計算時,主要計算式為:

(3)

Te=npLm(isβisα-isαisβ)=np(isβΨsα-isαΨsβ)

(4)

式中:isα,isβ分別為定子電流α、β軸分量;Lm為定子間互感;Ls為定子漏感;np為極對數(shù);Ψsα,Ψsβ分別為定子磁鏈估值α、β軸分量;Te為異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩估值。

基于定子磁鏈補(bǔ)償器的異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)如圖4所示。采用這一系統(tǒng),能夠更有效地使系統(tǒng)補(bǔ)償定子磁鏈估值分量,由此使得到的轉(zhuǎn)矩值更為穩(wěn)定和精確。

采用基于定子磁鏈補(bǔ)償器的轉(zhuǎn)矩控制,電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩波形的變化情況如圖5所示。由圖5可以很明顯看出,在電機(jī)空載階段,由于定子磁鏈補(bǔ)償器的作用,電機(jī)的轉(zhuǎn)矩幅值明顯減小,波動趨于穩(wěn)定。增加定子磁鏈補(bǔ)償器后,優(yōu)化了采煤機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng),降低了設(shè)備調(diào)速產(chǎn)生的能耗。

▲圖4 基于定子磁鏈補(bǔ)償器的異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)

▲圖5 基于定子磁鏈補(bǔ)償器的轉(zhuǎn)矩控制電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩波形

6 結(jié)束語

影響采煤機(jī)牽引部分零件使用壽命的一個主要因素是轉(zhuǎn)矩波動較大,導(dǎo)致零件受力不均勻,同時會造成采煤能耗增大等負(fù)面影響。筆者在采煤機(jī)設(shè)計過程中利用計算機(jī)軟件對變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析,優(yōu)化其調(diào)速性能。根據(jù)仿真分析得到的結(jié)果,通過增加定子磁鏈補(bǔ)償器對變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,有效解決了上述問題。