采煤機(jī)防爆電控箱的設(shè)計(jì)研究

馬卓宇

（云岡礦機(jī)電科， 山西 大同 048000）

引言

礦用防爆交流電牽引（變頻）采煤機(jī)電控箱（以下簡稱電控箱）控制采煤機(jī)實(shí)現(xiàn)采煤作業(yè)各種功能，有兩大作用，一是控制采煤機(jī)的搖臂和滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)采煤（通常稱為截割部），二是控制采煤機(jī)沿煤壁工作面行走（通常稱為牽引部）。因此做好采煤機(jī)防爆電控箱的設(shè)計(jì)對(duì)于保障采煤機(jī)的安全運(yùn)行具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 電控箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

電控箱的外形與采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)布置密切相關(guān)。電控箱除控制電動(dòng)機(jī)外，內(nèi)部一般還設(shè)有通訊電路、顯示回路和面板控制設(shè)定等功能。防爆型式多為礦用隔爆兼本質(zhì)安全型。根據(jù)采煤機(jī)控制功率大小，電控箱的外形大小不同，有一體式，也有分體式，但大多數(shù)是一體式。

1.2 電氣結(jié)構(gòu)布置

電控箱由接線腔和隔爆主腔組成。接線腔是動(dòng)力電纜進(jìn)出線的地方，并包括弱電控制諸如傳感器信號(hào)、通信信號(hào)和遠(yuǎn)控等接線。隔爆主腔則是采煤機(jī)控制的中心，內(nèi)部分割成不同的控制區(qū)域，有截割控制區(qū)、牽引控制區(qū)和牽引變壓器區(qū)等。電控箱的操作顯示部分在面板上，面板按鈕可控制采煤機(jī)的起動(dòng)和停止、牽引速度的升降、輸送機(jī)的運(yùn)行閉鎖等。顯示器通常采用彩色液晶顯示面板，通過串口電路與PLC通信，開機(jī)顯示提供操作步驟的提示，運(yùn)行中實(shí)時(shí)顯示截割電機(jī)、牽引電機(jī)、破碎電機(jī)和泵電機(jī)的電流，采煤機(jī)的牽引給定速度等工作參數(shù)，以及各電機(jī)的溫度等；故障時(shí)會(huì)給出故障信息；通過面板按鈕可使顯示界面翻頁，查找歷史信息和參數(shù)等內(nèi)容[1]。

2 電牽引控制箱的保護(hù)設(shè)計(jì)

電牽引控制箱的保護(hù)主要分兩大部分，一是截割部分的電控保護(hù)，另一是牽引部分的保護(hù)，這兩塊既有單獨(dú)的保護(hù)，相互又有聯(lián)系。

2.1 截割部分的電控保護(hù)

電控箱的總進(jìn)線由一個(gè)隔離開關(guān)控制，真空接觸器控制左、右截割電機(jī)和油泵電機(jī)的起停，也控制牽引回路。

2.1.1 過載、短路、缺相、漏電保護(hù)

與常規(guī)的真空電磁起動(dòng)器相比，截割電機(jī)的過載保護(hù)完全不一樣，具體可參見牽引部分恒功率控制和重載反牽控制。對(duì)油泵電機(jī)回路，當(dāng)泵電機(jī)嚴(yán)重超載時(shí)，控制部分輸出信號(hào)將使主回路斷電；但短路、缺相、漏電等故障的保護(hù)是一樣的[2]。

2.1.2 過熱保護(hù)

在左、右截割電機(jī)繞組內(nèi)理設(shè)Pt100熱電阻，熱電阻信號(hào)直接接入主控制計(jì)算機(jī)模擬量接口板。當(dāng)任一合電機(jī)溫度達(dá)135℃±5℃時(shí)，電機(jī)降低容量30%運(yùn)行；溫度達(dá)155℃±5℃時(shí)，計(jì)算機(jī)輸出信號(hào)使截割電機(jī)停止運(yùn)行。

2.1.3 機(jī)載瓦斯斷電控制

當(dāng)采煤工作面瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)時(shí)，瓦斯傳感器發(fā)出信號(hào)，斷開采煤機(jī)控制回路的瓦斯斷電觸點(diǎn)，使采煤機(jī)停止運(yùn)行。

2.2 牽引部分的保護(hù)

電牽引采煤機(jī)一般由牽引回路專用的變壓器供電給變頻器，再由變頻器控制牽引電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。其保護(hù)很具有特色，將牽引運(yùn)行狀態(tài)和截割的運(yùn)行工況結(jié)合起來，利用變頻器（或開關(guān)磁阻）的恒轉(zhuǎn)矩恒功率特性，使截割電機(jī)自動(dòng)退出過載狀態(tài)，避免由于過載保護(hù)引起的保護(hù)跳閘，延長使用壽命。

2.2.1 恒功率控制

設(shè)置恒功率自動(dòng)控制，代替常規(guī)真空電磁起動(dòng)器中的過載反時(shí)限保護(hù)曲線，目的是要充分利用截割電機(jī)的功率。采用兩個(gè)電流互感器分別檢測兩截割電機(jī)的電流，知道截割電機(jī)的負(fù)荷狀況，電流互感器輸出信號(hào)由電機(jī)綜合保護(hù)模塊進(jìn)行處理，再通過現(xiàn)場總線傳送給主機(jī)進(jìn)行比較，得到欠載、超載信號(hào)。當(dāng)兩臺(tái)截割電機(jī)都欠載（如小于0.9倍額定電流）時(shí)，發(fā)出加速信號(hào)，牽引速度增加（最大至給定速度）；當(dāng)任一臺(tái)截割電機(jī)超載（大于1.1倍額定電流）時(shí)，發(fā)出減速信號(hào)，直至截割電機(jī)退出超載區(qū)域，這樣截割電機(jī)就不會(huì)由于長時(shí)間超載而損壞，采煤機(jī)也不需要停機(jī)。

2.2.2 重載反牽控制

若出現(xiàn)突然的重載荷，當(dāng)任一截割電機(jī)負(fù)荷大于1.3倍額定電流時(shí)，通過計(jì)算機(jī)的反牽定時(shí)電路使采煤機(jī)以給定速度反牽引一段時(shí)間后，再繼續(xù)向前牽引。重載反牽引功能的設(shè)置是為了使采煤機(jī)避免嚴(yán)重過載，達(dá)到保護(hù)電機(jī)的目的。

2.2.3 牽引電機(jī)熱保護(hù)

在左、右牽引電機(jī)繞組內(nèi)埋設(shè)Pt100熱電阻，其信號(hào)直接接入主控制計(jì)算機(jī)模擬量接口板當(dāng)任一臺(tái)電機(jī)溫度達(dá)135℃±5℃時(shí)，電機(jī)降低容量30%運(yùn)行；電機(jī)溫度達(dá)155℃±5℃時(shí)，計(jì)算機(jī)輸出信號(hào)將使?fàn)恳Ｖ埂?/p>

3 電控箱過程的試驗(yàn)要求分析

電控箱檢驗(yàn)也主要分截割部和牽引部兩大部分。

3.1 數(shù)制部檢驗(yàn)

截割的電路基本上出隔離開關(guān)；真空接觸器電流互感圖電源組件和控制系統(tǒng)組件常組成，對(duì)其檢驗(yàn)可參肌開關(guān)類產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)隔離開美進(jìn)行形能力檢驗(yàn)，對(duì)真空接觸器近行額定接道和分?jǐn)嗄芰Φ尿?yàn)，其試驗(yàn)方法和項(xiàng)目可參照GB14048.1的要求。

電控箱很重要的一個(gè)檢驗(yàn)項(xiàng)目是溫升試驗(yàn)，也是電控箱發(fā)放防爆合格證的必檢項(xiàng)目。測量點(diǎn)主要包括各個(gè)開關(guān)的動(dòng)靜觸頭、動(dòng)力主回路電纜、動(dòng)力線纜的連接點(diǎn)、控制變壓器和電控箱外殼等，試驗(yàn)時(shí)應(yīng)注意按照電控箱實(shí)際使用情況關(guān)閉各門蓋。試驗(yàn)方法按照GB14048.1中規(guī)定的低壓大電流法進(jìn)行，但由于電控箱的動(dòng)力回路較多，每條回路的實(shí)際電流不一樣，因此在試驗(yàn)中必須注意要同時(shí)有幾路大電流發(fā)生器輸出不同的電流，以滿足電控箱不同回路溫升試驗(yàn)的要求，這樣測得的外殼溫度才是準(zhǔn)確的[3]。

電控箱的保護(hù)項(xiàng)目很多，但由于試驗(yàn)條件的限制，很多的保護(hù)項(xiàng)目不可能讓故障狀況實(shí)際發(fā)生，所以此類保護(hù)試驗(yàn)可采用模擬法進(jìn)行。例如電動(dòng)機(jī)的熱保護(hù)試驗(yàn)，就是根據(jù)埋置在電機(jī)端部繞組的溫度傳感器類型，模擬傳感器輸出信號(hào)，看電控箱的保護(hù)控制系統(tǒng)是否正常動(dòng)作；又如漏電保護(hù)就是人為地將一可調(diào)電阻箱接在主回路和地之間，調(diào)低電阻值，使其達(dá)到漏電的動(dòng)作值，此時(shí)主回路的開關(guān)應(yīng)跳閘動(dòng)作。

3.2 牽引部檢驗(yàn)

牽引部檢驗(yàn)可分為主牽引變壓器檢驗(yàn)和牽引變頻器檢驗(yàn)；對(duì)電磁調(diào)速采煤機(jī)，則是對(duì)電磁調(diào)速裝置進(jìn)行檢驗(yàn)。

牽引變壓器為干式變壓器，鐵芯固定在具有水冷卻的外殼底部，對(duì)變壓器的散熱很有好處，是變壓器最有效的散熱渠道。所以在試驗(yàn)時(shí)必須開啟冷卻水，并保證進(jìn)水溫度保持相對(duì)穩(wěn)定。變壓器的試驗(yàn)方法參照GB1094.1和JB/T501。

牽引變頻器或開關(guān)磁阻控制器必須和實(shí)際拖動(dòng)的電動(dòng)機(jī)形成完整的調(diào)速系統(tǒng)才能檢驗(yàn)，有一拖二形式，也有一拖一形式。不論什么形式，試驗(yàn)時(shí)應(yīng)模擬實(shí)際使用的情況，特別是進(jìn)行溫升試驗(yàn)時(shí)，對(duì)各測量點(diǎn)數(shù)據(jù)測量的準(zhǔn)確性很重要。加載方式可以多種多樣，可用直流加載方式，也可用交流機(jī)對(duì)拖方式等其他的加載方式。加載直流機(jī)雙軸輸出，同時(shí)給兩臺(tái)交流電機(jī)加載，保證加載的同時(shí)性，保證變頻器或開關(guān)磁阻控制器的輸出是同一狀況，測量的準(zhǔn)確性較高。電量測量關(guān)鍵是測量儀器儀表的選用，應(yīng)選擇頻率適應(yīng)范圍廣的儀器儀表，否則測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)，不足以體現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)的特性。

變頻電牽引和開關(guān)磁阻電牽引都有相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)次，分別為MT/T1041.2和MT/T1041.3。多數(shù)檢驗(yàn)項(xiàng)目都是在滿負(fù)荷的情況下測試的，所以加載改備是檢驗(yàn)的必要手段，而且加載能力必須覆蓋4個(gè)象限，以滿足調(diào)速裝置四象限運(yùn)行狀態(tài)的檢驗(yàn)需要，當(dāng)加載電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，調(diào)速系統(tǒng)處于牽引狀態(tài)；當(dāng)加載電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，調(diào)速系統(tǒng)為制動(dòng)狀態(tài)，這樣在不同頻率下的加載數(shù)據(jù)就可以組成一條完整的機(jī)械特性曲線，如圖1所示。運(yùn)行頻率范圍為5～83.4 Hz，牽引功率為12×18.5 kW，制動(dòng)功率為2×10 kW。

圖1 牽引-制動(dòng)特征曲線示意圖

4 結(jié)語

針對(duì)采煤機(jī)防爆電控箱的設(shè)計(jì)情況、牽引控制箱的保護(hù)系統(tǒng)和防爆電控箱的檢驗(yàn)情況，基于防爆性能設(shè)計(jì)的電控箱，成本較低。該設(shè)計(jì)對(duì)今后整體式電控箱箱體的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值和借鑒意義。