礦用刮板輸送機(jī)調(diào)速系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

白 軻

(西山煤電集團(tuán) 技術(shù)中心，山西 太原 030053)

0 引言

刮板輸送機(jī)作為煤礦井下重要的運(yùn)輸設(shè)備，其技術(shù)發(fā)展在很大程度上決定了煤炭開采的效率，在新生產(chǎn)的刮板輸送機(jī)中，各類新技術(shù)的應(yīng)用均能大幅度提高運(yùn)輸效率。本文研究了刮板輸送機(jī)智能調(diào)速系統(tǒng)的三類關(guān)鍵技術(shù)——變頻驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)、電機(jī)功率平衡控制技術(shù)和采煤機(jī)負(fù)載協(xié)同調(diào)速控制技術(shù)，從技術(shù)原理、實(shí)現(xiàn)方案和應(yīng)用特點(diǎn)等方面研究了刮板輸送機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，為實(shí)際工作中新技術(shù)的應(yīng)用提供相應(yīng)的理論指導(dǎo)。

1 刮板輸送機(jī)技術(shù)

在緩傾斜長臂式采煤工作面，特別是煤層傾角不大于25°時(shí)，國內(nèi)外煤礦均采用刮板輸送機(jī)來進(jìn)行煤炭運(yùn)輸，此外刮板輸送機(jī)也常見于采區(qū)平巷、順槽和聯(lián)絡(luò)眼、上下山等運(yùn)輸場(chǎng)景。不同應(yīng)用環(huán)境的刮板輸送機(jī)只在部件和形式上稍有不同，在結(jié)構(gòu)上均由機(jī)頭部、機(jī)尾部、中間部、附屬裝置和移溜裝置組成。刮板輸送機(jī)具有運(yùn)輸能力不受貨物品質(zhì)的影響、結(jié)構(gòu)靈活、裝載方便、便于伸縮和移動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。但是，其電能消耗大，特別是溜槽和鏈條等部位機(jī)械磨損嚴(yán)重，運(yùn)輸距離較短。不管何種結(jié)構(gòu)形式，在向長距離、大功率方向發(fā)展的情況下，刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在變頻控制技術(shù)、電機(jī)功率平衡技術(shù)和負(fù)載協(xié)同技術(shù)等方面均面臨著不少挑戰(zhàn)。

2 變頻驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)

變頻調(diào)速技術(shù)是一種基于電力電子技術(shù)的電能變換技術(shù)，在煤礦這種特殊的應(yīng)用場(chǎng)合中，又對(duì)其提出了防爆性、散熱性和諧波抑制等方面的特殊要求。刮板輸送機(jī)的工作環(huán)境狹小，空氣流通性差，極易發(fā)生瓦斯燃燒或爆炸；變頻器產(chǎn)生的諧波可能導(dǎo)致供電電源電能質(zhì)量下降或者引起保護(hù)誤動(dòng)作等故障。因此，變頻驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)須滿足防爆、散熱性良好和諧波標(biāo)準(zhǔn)。

在采煤過程中，煤層和巖石所受的壓力可能會(huì)發(fā)生劇烈的變化，爆破工作可能導(dǎo)致煤層和巖石砸壓刮板輸送機(jī)，另一方面刮板輸送機(jī)移動(dòng)次數(shù)有限，啟動(dòng)次數(shù)多，電流變化幅度大，這些都導(dǎo)致刮板輸送機(jī)可能發(fā)生電氣爆炸，因此驅(qū)動(dòng)裝置的外殼需要進(jìn)行防爆處理，且電路應(yīng)設(shè)計(jì)為本質(zhì)安全型的。變頻器裝置的發(fā)熱設(shè)備有隔離變壓器、開關(guān)管、電抗器、電容器等，如果沒有良好的散熱條件，變頻器的使用壽命會(huì)大幅度降低。目前常用的散熱方案有水冷和散熱管兩種，由于煤礦井下空間狹小，因此適合采用對(duì)腔體要求低的水冷散熱方案。變頻器的整流管呈現(xiàn)非線性工作特性，這就導(dǎo)致電網(wǎng)中諧波含量大，可能導(dǎo)致電抗器燒壞、低壓饋電開關(guān)跳閘故障、異常報(bào)警等，因此采用輸出正弦濾波器、不共用底線、加裝金屬管接地等抑制諧波的方案。

變頻驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)原理圖如圖1所示。由于刮板輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)通常只需要工作在電動(dòng)狀態(tài)，整流電路一般采用三相橋式不可控整流電路，它由6個(gè)整流二極管構(gòu)成，設(shè)計(jì)時(shí)滿足1 140 V電壓等級(jí)要求和電流額定值即可。濾波電路的作用是將整流電路產(chǎn)生的直流電壓濾除交流波動(dòng)成分，采用小電感和大電容組成的LC濾波器是常用的濾波方案，在諧波電壓頻率不高的情況下也可以將電感省略，只配置一組大容量的電解電容即可。能耗制動(dòng)電路的作用是緩沖制動(dòng)時(shí)濾波電容上產(chǎn)生的泵升電壓，避免其對(duì)開關(guān)管產(chǎn)生危害，其工作原理是在電容上并聯(lián)一個(gè)可控制開斷的功率電阻，在產(chǎn)生泵升電壓時(shí)控制功率電阻并聯(lián)接入電路，消耗多余的能量，不需要的時(shí)候此電阻開路不接入電路，沒有功率損耗。逆變電路由6個(gè)IGBT模塊組成，其作用是將直流電容上的直流電變換為頻率可變的交流電，選擇IGBT時(shí)主要考慮其額定電壓和額定電流。驅(qū)動(dòng)電路的作用是將控制產(chǎn)生的控制信號(hào)進(jìn)行功率放大，使其具有足夠的能力觸發(fā)逆變電路的開通與關(guān)斷。

圖1 變頻驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)原理圖

本文所設(shè)計(jì)的變頻驅(qū)動(dòng)控制電路如圖2所示。其中檢測(cè)到的電流電壓信號(hào)經(jīng)過處理后送入DSP的ADC接口部分進(jìn)行處理。轉(zhuǎn)速信號(hào)是由光電編碼器測(cè)得的，對(duì)應(yīng)DSP的EV模塊中的正交編碼脈沖QEP接口。光電編碼器傳來信號(hào)后，其電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向可通過檢測(cè)兩個(gè)脈沖序列到達(dá)的先后來確定，電機(jī)轉(zhuǎn)速可由脈沖數(shù)和脈沖頻率來確定。PDPINT是DSP的功率保護(hù)中斷引腳。當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)或者電源逆變器出現(xiàn)故障時(shí)，比如過電壓、過電流等，該引腳就會(huì)使能中斷，將PWM輸出引腳置為高阻態(tài)，該引腳為下降沿的有效中斷。

圖2 變頻驅(qū)動(dòng)控制電路圖

3 電機(jī)功率平衡技術(shù)

由于采煤工作面的不斷發(fā)展，對(duì)刮板輸送機(jī)的運(yùn)輸能力要求也越來越高，對(duì)于重型刮板輸送機(jī)而言，單電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式已經(jīng)不能滿足要求，許多型號(hào)的刮板輸送機(jī)采用機(jī)頭雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)。由于負(fù)載和鏈條結(jié)構(gòu)等變化，兩個(gè)電機(jī)的工作狀態(tài)常常存在偏差，當(dāng)一個(gè)電機(jī)過載另一個(gè)電機(jī)欠載時(shí)，可能發(fā)生斷鏈或停機(jī)故障，因此刮板輸送機(jī)智能調(diào)速系統(tǒng)需要采用電機(jī)功率平衡技術(shù)。

本文采用機(jī)頭機(jī)尾電機(jī)功率平衡的控制思路：即隨著負(fù)載的變化，通過調(diào)節(jié)機(jī)頭或機(jī)尾電機(jī)轉(zhuǎn)速來縮小機(jī)頭、機(jī)尾電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩差，時(shí)刻保持電機(jī)負(fù)載在額定范圍之內(nèi)運(yùn)行。采用三臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的刮板輸送機(jī)的配置為：機(jī)尾單獨(dú)采用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，機(jī)頭采用兩個(gè)電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)，以上三個(gè)電機(jī)的額定功率均相等。在采煤工作過程中，刮板輸送機(jī)除電機(jī)運(yùn)行外，還有其他用電部件，因此為避免電機(jī)過載，刮板輸送機(jī)三個(gè)電機(jī)的功率總和應(yīng)不超過總功率的八成。

基于電流識(shí)別的功率平衡控制框圖如圖3所示，將機(jī)頭電動(dòng)機(jī)電流i1與機(jī)尾電動(dòng)機(jī)電流i2進(jìn)行做差比較，若Δi大于0或小于0，則進(jìn)入相應(yīng)的PID調(diào)節(jié)程序，PID的調(diào)節(jié)信號(hào)控制機(jī)頭或機(jī)尾電動(dòng)機(jī)電樞電流；若Δi恰好等于0意味著機(jī)頭電機(jī)電流和機(jī)尾電機(jī)電流相等，這種情況下無需進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，程序停止，等待下一次比較。

圖3 基于電流識(shí)別的功率平衡控制框圖

以機(jī)頭采用一拖二變頻器、機(jī)尾采用一拖一變頻器的刮板輸送機(jī)為例，電機(jī)功率平衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。電動(dòng)機(jī)類型為隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)，通過CAN總線與變頻器連接，將電機(jī)定子電流信號(hào)傳輸給變頻器，變頻器同樣通過CAN總線將數(shù)據(jù)傳輸給控制器，控制器在接收到機(jī)頭、機(jī)尾各電機(jī)電流信號(hào)后，經(jīng)過特定算法計(jì)算，給定變頻器轉(zhuǎn)速值，令變頻器輸出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電流，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，在控制器的統(tǒng)一控制下，實(shí)現(xiàn)各異步電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的均衡。

圖4 電機(jī)功率平衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 負(fù)載協(xié)同調(diào)速技術(shù)

綜采“三機(jī)”(采煤機(jī)、液壓支架和刮板輸送機(jī))是煤礦井下主要采煤機(jī)電設(shè)備，各設(shè)備對(duì)于綜采工作面工作的連續(xù)性都具有重要意義，三者之間的協(xié)調(diào)工作更是直接決定了煤礦開采的經(jīng)濟(jì)效益和效率。刮板輸送機(jī)和采煤機(jī)的關(guān)系最為密切，隨著開采過程中采煤機(jī)的速度、位置和方向的不斷調(diào)整，刮板輸送機(jī)也需要跟隨調(diào)整，如果二者之間沒有設(shè)計(jì)良好的協(xié)同調(diào)速關(guān)系，將會(huì)導(dǎo)致“大馬拉小車”、運(yùn)輸能力不匹配、“壓溜”超載等現(xiàn)象，因此刮板輸送機(jī)負(fù)載協(xié)同調(diào)速技術(shù)具有重要意義。

刮板輸送機(jī)和采煤機(jī)協(xié)同調(diào)速控制技術(shù)包括連鎖運(yùn)行、刮板輸送機(jī)智能延時(shí)停機(jī)和順序啟?？刂?、協(xié)同調(diào)速控制等。一方面由于采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)的速度滯后性，另一方面由于開采過程中煤量的變化，因此采煤機(jī)對(duì)刮板輸送機(jī)的影響也是滯后的。在協(xié)同調(diào)速控制中，可將驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電樞電流作為煤量負(fù)載的表征，根據(jù)電機(jī)電流的歷史數(shù)據(jù)對(duì)未來的負(fù)載情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，能夠在一定程度上補(bǔ)償控制的延時(shí)性。通過粒子群多目標(biāo)優(yōu)化算法對(duì)載煤量、采煤機(jī)位置和運(yùn)行方向進(jìn)行分析，在一個(gè)割煤循環(huán)中實(shí)現(xiàn)協(xié)同速度規(guī)劃，將規(guī)劃的速度值作為目標(biāo)跟蹤值。通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，以刮板輸送機(jī)電機(jī)電流為輸入，能夠在一定范圍內(nèi)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)煤量負(fù)載。在模糊PID算法控制下，將采集的采煤機(jī)牽引速度和刮板輸送機(jī)鏈速作為速度閉環(huán)的輸入，實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)和采煤機(jī)速度閉環(huán)控制?；诹Ｗ尤憾嗄繕?biāo)優(yōu)化算法的刮板輸送機(jī)負(fù)載協(xié)同調(diào)速控制方案如圖5所示。

圖5 基于粒子群多目標(biāo)優(yōu)化算法的協(xié)同調(diào)速控制方案

5 結(jié)束語

隨著綜采工作面各類機(jī)電設(shè)備的信息化和智能化，對(duì)刮板輸送機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的要求也越來越高。本文研究了刮板輸送機(jī)智能調(diào)速系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，詳細(xì)分析了目前主流的變頻驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)、電機(jī)功率平衡控制技術(shù)和采煤機(jī)負(fù)載協(xié)同調(diào)速控制技術(shù)的技術(shù)原理和實(shí)現(xiàn)方案，對(duì)實(shí)際工作中刮板輸送機(jī)智能調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)具有借鑒意義。