礦用無(wú)極繩絞車(chē)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

陳 晉

（西山煤電馬蘭礦工程一區(qū)準(zhǔn)備一隊(duì)， 山西 古交 030200）

引言

煤礦生產(chǎn)能力在一定程度上受制于其運(yùn)輸效率。煤礦關(guān)鍵運(yùn)輸設(shè)備除了帶式輸送機(jī)、刮板輸送機(jī)外還包括有無(wú)極繩絞車(chē)、卡軌車(chē)、齒輪車(chē)等輔助運(yùn)輸設(shè)備。對(duì)于無(wú)極繩絞車(chē)而言，在實(shí)際應(yīng)用中存在啟停過(guò)程沖擊較大，且運(yùn)輸速度不穩(wěn)定等缺陷，究其原因在于設(shè)備在調(diào)速功能和控制策略方面存在不足所導(dǎo)致，具體表現(xiàn)為：無(wú)極繩絞車(chē)電控系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速?gòu)亩斐蓻_擊；無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)后續(xù)輸出速度的穩(wěn)定控制[1]。因此，著重針對(duì)上述問(wèn)題對(duì)無(wú)極繩絞車(chē)電控裝置及系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。具體闡述如下：

1 無(wú)極繩絞車(chē)電控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

為解決實(shí)際需求問(wèn)題，本文以無(wú)極繩調(diào)速為重點(diǎn)完成對(duì)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究。當(dāng)前無(wú)極繩絞車(chē)電控系統(tǒng)的主要缺陷為調(diào)速能不足無(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速，從而對(duì)絞車(chē)系統(tǒng)造成沖擊。目前，在眾多調(diào)速方案中以液壓調(diào)速方式的響應(yīng)速度快、調(diào)速范圍寬、可靠性高以及功率密度高等優(yōu)勢(shì)被工程機(jī)械廣泛應(yīng)用[2]。因此，本文將圍繞液壓調(diào)速為核心展開(kāi)對(duì)無(wú)極繩絞車(chē)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究。

為保證無(wú)極繩絞車(chē)電控系統(tǒng)調(diào)速功能的穩(wěn)定性和滿足絞車(chē)功率越來(lái)越大的變化趨勢(shì)，液壓調(diào)速方案采用容積調(diào)速回路。此外，為保證無(wú)極繩絞車(chē)電控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制能力，采用比例先導(dǎo)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)絞車(chē)速度的調(diào)節(jié)和控制。結(jié)合無(wú)極繩絞車(chē)的控制需求，為無(wú)極繩絞車(chē)電控系統(tǒng)配置液壓變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，該變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的原理圖如圖1 所示。

針對(duì)無(wú)極繩絞車(chē)控制需求（運(yùn)輸速度和運(yùn)輸功率），為其電氣控制系統(tǒng)所配置的變量馬達(dá)的型號(hào)為A6VM160，定量泵的型號(hào)為A2F125，為其配置電機(jī)為三相異步電機(jī)，具體型號(hào)為YBBP-315S-4。

圖1 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)原理圖

2 無(wú)極繩絞車(chē)電控系統(tǒng)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)無(wú)極繩絞車(chē)的無(wú)極調(diào)速是解決系統(tǒng)運(yùn)行沖擊，運(yùn)速不穩(wěn)定的關(guān)鍵。而實(shí)現(xiàn)無(wú)極繩絞車(chē)的無(wú)極調(diào)速功能的關(guān)鍵在于電控系統(tǒng)基于PLC 和變頻器對(duì)絞車(chē)運(yùn)行速度的實(shí)時(shí)控制[3]。因此，本節(jié)著重對(duì)無(wú)極繩絞車(chē)電控系統(tǒng)中變頻器和PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

2.1 變頻器的選型設(shè)計(jì)

變頻器的選型主要根據(jù)其額定容量和額定電流進(jìn)行，其對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式如式（1）、式（2）所示：

式中：PCN為變頻器的額定容量；ICN為變頻器的額定電流；K 為電機(jī)電流波形修正系數(shù)，取1；UM為絞車(chē)電機(jī)額定電壓值，取380 V；IM為絞車(chē)電機(jī)額定電流值，取200.4 A。

經(jīng)計(jì)算可得，要求變頻器的最小額定容量不得小于131.9 kW；變頻器的最小額定電流值不得小于200.4 A。綜合對(duì)比市面上各類(lèi)變頻器的參數(shù)，最終選擇變頻器的型號(hào)為FR-A740-132，對(duì)應(yīng)選型變頻器的額定容量為132 kW。

2.2 變頻電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

無(wú)極繩絞車(chē)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)絞車(chē)的無(wú)極調(diào)速，減小對(duì)系統(tǒng)的沖擊。在電控系統(tǒng)變頻器選型完成的基礎(chǔ)上，關(guān)鍵在于采用PLC 控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的控制[4]?；赑LC 對(duì)無(wú)極繩絞車(chē)變頻調(diào)速控制原理如圖2 所示。

圖2 基于PLC 無(wú)極繩絞車(chē)電機(jī)變頻調(diào)速控制原理圖

如圖2 所示，F(xiàn)U 為供電三相電壓的各個(gè)相路上安裝的熔斷器；CT 為電流傳感器用于檢測(cè)設(shè)備電機(jī)的實(shí)時(shí)電流值；SB、DB 以及CB 為控制系統(tǒng)的信息傳遞通道，其中SB 為模擬量的傳輸通到，即將電機(jī)及變頻器的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)傳送至控制臺(tái)、DB 為數(shù)字量傳輸通道，即將控制質(zhì)量經(jīng)控制臺(tái)傳送至變頻器、CB 為通信線，即將PLC 控制器所采集的各類(lèi)參數(shù)實(shí)時(shí)傳送至上位機(jī)并顯示。

圖中，PLC 控制器可根據(jù)實(shí)時(shí)絞車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)通過(guò)變頻器對(duì)其電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制從而達(dá)到無(wú)極調(diào)速的目的；此外，基于數(shù)據(jù)傳輸線路還能將無(wú)極繩絞車(chē)運(yùn)行的系統(tǒng)壓力、牽引速度以及電機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)實(shí)時(shí)顯示于上位機(jī)上。

2.3 變頻電控算法設(shè)計(jì)

目前，在工業(yè)應(yīng)用中鑒于模糊PID 控制算法具有較好的魯棒性、響應(yīng)特性和穩(wěn)定性。針對(duì)無(wú)極繩絞車(chē)電控系統(tǒng)同樣采用模糊PID 控制算法實(shí)現(xiàn)。鑒于篇幅有限，此處不對(duì)模糊PID 控制算法的理論進(jìn)行研究。

對(duì)于模糊PID 控制算法而言，其核心在于基于模糊控制算法對(duì)PID 控制器中的三個(gè)系數(shù)進(jìn)行整定，并結(jié)合Matlab 仿真軟件對(duì)不同系數(shù)下無(wú)極繩絞車(chē)電控系統(tǒng)的控制效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，并著重對(duì)電控系統(tǒng)的超調(diào)量和波動(dòng)情況進(jìn)行對(duì)比。綜合仿真結(jié)果對(duì)比分析，針對(duì)某礦無(wú)極繩絞車(chē)模糊PID 控制器中最佳控制系數(shù)如下：積分系數(shù)為1.36；微分系數(shù)為2.2，比例系數(shù)為0.05。

3 無(wú)極繩絞車(chē)電控系統(tǒng)控制效果實(shí)例驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文基于PLC 所設(shè)計(jì)變頻電控系統(tǒng)對(duì)無(wú)極繩絞車(chē)的調(diào)速控制效果，本文對(duì)當(dāng)無(wú)極繩絞車(chē)在實(shí)際運(yùn)輸過(guò)程中工作面坡度發(fā)生突變時(shí)，無(wú)極繩絞車(chē)實(shí)際牽引速度和理想牽引速度的關(guān)系進(jìn)行對(duì)比[5]。無(wú)極繩絞車(chē)具體工作環(huán)境描述如下：設(shè)定絞車(chē)以恒定1.5 m/s 的速度完成工作面的運(yùn)輸任務(wù)，其中工作面平整的距離為1.5 m，坡度為0°，坡度為20°的距離為4.5 m。即，無(wú)極繩絞車(chē)從平面突變至坡度為20°的工作面時(shí)，無(wú)極繩絞車(chē)是否依然能夠按照1.5 m/s 的牽引速度完成運(yùn)輸任務(wù)。具體試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 無(wú)極繩絞車(chē)電控系統(tǒng)調(diào)速功能驗(yàn)證

如圖3 所示，當(dāng)絞車(chē)運(yùn)行1 s 后即在平面運(yùn)行1.5 m 后突變?yōu)槠露葹?0°的工作面，此時(shí)絞車(chē)運(yùn)行速度在完成簡(jiǎn)短時(shí)間振蕩且振蕩幅度很小后趨于穩(wěn)定狀態(tài)，并保持在1.5 m/s 的恒定速度下運(yùn)行。通過(guò)試驗(yàn)得出，所設(shè)計(jì)的變頻電控系統(tǒng)對(duì)無(wú)極繩絞車(chē)運(yùn)行速度的控制具有高精度、高穩(wěn)定性以及超調(diào)量小的優(yōu)勢(shì)。