煤礦刮板輸送機(jī)調(diào)速系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)探析

＊衛(wèi)樂樂

（霍州煤電集團(tuán)河津杜家溝煤業(yè)有限責(zé)任公司 山西 043300）

引言

負(fù)責(zé)礦井運(yùn)輸?shù)闹匾O(shè)備是刮板輸送機(jī)，所以刮板運(yùn)輸機(jī)技術(shù)進(jìn)步與否極大影響了煤炭開采效率，最新的刮板輸送機(jī)的新技術(shù)得到了很大的提升，近年來隨著各礦井生產(chǎn)效能的提高，刮板輸送機(jī)的應(yīng)用力度也越來越大，國內(nèi)很多學(xué)者也對刮板輸送機(jī)進(jìn)行了研究，如趙利鋒[1]研究了綜采工作面刮板輸送機(jī)控制中防爆變頻智能控制技術(shù)；吳利江[2]設(shè)計(jì)了刮板輸送機(jī)智能調(diào)速方案設(shè)計(jì)；張建銘等人[3]對3X1600kW刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)部進(jìn)行了變頻改造；王海瑞[4]分析了采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)協(xié)同調(diào)速的關(guān)鍵技術(shù)；陳迪蕾等人[5]研究了以采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)能耗模型為基礎(chǔ)的速度協(xié)同控制。

這些研究大幅提高了刮板輸送機(jī)的自動(dòng)化，智能化控制水平，但很少有學(xué)者專門針對刮板輸送機(jī)的調(diào)速技術(shù)進(jìn)行研究，對此本篇主要研究刮板輸送機(jī)上智能調(diào)速系統(tǒng)的三大關(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)，對輸送機(jī)的智能調(diào)速系統(tǒng)主要從技術(shù)原理、實(shí)現(xiàn)方案和應(yīng)用特點(diǎn)這三個(gè)方面進(jìn)行研究，以便于后期對實(shí)際工作中出現(xiàn)的問題提供理論依據(jù)。

1.某礦井及其刮板輸送機(jī)概況

以某煤礦為例，其煤層深度范圍在170m到240m之間，而相應(yīng)的煤層厚度在2.7m到3.8m的范圍內(nèi)，其厚度大都處于3.2m。經(jīng)過相關(guān)人員的前期勘探發(fā)現(xiàn)，該煤層儲藏的煤炭資源量非常巨大。當(dāng)前每年計(jì)劃開采的速度為8Mt，巷道推進(jìn)長度設(shè)定在1500m左右，而相應(yīng)的開采工作面長度大概在260m。該工程選擇的工作面刮板輸送機(jī)型號SGZ1000/2565，其處于正常的工作狀態(tài)時(shí)，鏈條的速度為1.6m/s，而運(yùn)輸物料可以達(dá)到3000t/h。并且設(shè)置了三臺電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，單個(gè)機(jī)器的功率為855kW。該SGZ1000/2565刮板輸送機(jī)并設(shè)置智能化的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，因此在開展工作的過程中出現(xiàn)了一定的問題。主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

第一，在開啟時(shí)往往表現(xiàn)出較高的電流，從而對礦井供電系統(tǒng)產(chǎn)生較大的影響。

第二，設(shè)備啟動(dòng)比較慢，從而導(dǎo)致設(shè)備受到一定的沖擊，最終給設(shè)備的運(yùn)行帶來一定的影響。

第三，設(shè)備在運(yùn)行的過程中，不論傳輸多少物料傳送帶都以恒定的速度運(yùn)行，這樣將會(huì)出現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行效率低下的現(xiàn)象?；诖耍瑢GZ1000/2565型刮板輸送機(jī)進(jìn)行智能化技術(shù)改造。

在那些傾斜角小于等于25°的煤層采煤工作面，不管是國內(nèi)還是國外都借助刮板輸送機(jī)去運(yùn)輸煤炭，除此之外，一些環(huán)境較為復(fù)雜的地方也會(huì)運(yùn)用此種輸送機(jī)。因?yàn)檫\(yùn)輸環(huán)境的不同所以輸送機(jī)也有所不同，但是這種差異只存在于部件和形式上，其結(jié)構(gòu)組成都是一樣的。刮板輸送機(jī)的優(yōu)點(diǎn)有靈活、方便裝卸、伸縮移動(dòng)靈活等。其缺點(diǎn)是能源消耗大，部分部位的零部件消耗快，運(yùn)程不大。無論什么結(jié)構(gòu)，刮板運(yùn)輸機(jī)向遠(yuǎn)距離以及大功率目標(biāo)發(fā)展都面臨著很大的挑戰(zhàn)。

2.變頻驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)

變頻調(diào)速技術(shù)是在電能轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)上應(yīng)用于煤礦生產(chǎn)的技術(shù)，由于工作環(huán)境的要求針對防止爆炸、散熱以及能夠抑制諧波等有更高的要求。而且運(yùn)輸機(jī)所處的工作環(huán)境狹窄，空氣流通不好，就很容易出現(xiàn)燃燒或者爆炸；而且由于變頻器會(huì)發(fā)出諧波，會(huì)阻礙供電和保護(hù)系統(tǒng)。

基于此，變頻驅(qū)動(dòng)就一定要防爆，散熱和抑制諧波也是必須要解決的問題。在挖煤時(shí)，由于壓力作用會(huì)使煤層和巖石產(chǎn)生劇烈改變，因此爆破可能會(huì)使巖石砸到輸送機(jī)，而且還因輸送機(jī)不能多次移動(dòng)，多次開關(guān)機(jī)或者電流變動(dòng)劇烈都會(huì)造成輸送機(jī)出現(xiàn)爆炸，所以為防止出現(xiàn)這種情況就要做一個(gè)防爆外殼，且對電路的處理也要十分的謹(jǐn)慎。而且位于變頻器上的散熱部件有電抗器以及電容器等，散熱不好會(huì)減少變頻器的壽命。現(xiàn)在被大量投入使用的兩種散熱方式是水冷和散熱管，由于礦井內(nèi)空間較小，且多種因素考慮下采用了對空間條件要求不大的水冷散熱方式。

基于變頻器的整流管不是線性的，所以電網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生很大的中諧波量，這就會(huì)發(fā)生電抗器受損的現(xiàn)象或者低壓電跳閘以及非正常報(bào)警等，出現(xiàn)這類情況時(shí)就需要采用輸出正弦濾波器而且采用底線在加裝金屬管接地等方法來抑制諧波。

對變頻驅(qū)動(dòng)的控制技術(shù)原理如圖1。刮板輸送機(jī)里用來驅(qū)動(dòng)的電機(jī)只有在電動(dòng)時(shí)才會(huì)運(yùn)轉(zhuǎn)，電路一般情況下都會(huì)設(shè)置為三相橋式不可控電路，由6個(gè)整流的二極管構(gòu)成，并能在1140V的電壓下正常使用。濾波電路的任務(wù)是運(yùn)用小電感和大電容共同構(gòu)成的LC濾波器把電路中的直流電進(jìn)行壓濾，在諧波電壓頻率較低時(shí)也能把電感省去，僅安裝一個(gè)容量較大的電解電容就可以了。

圖1 變頻驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)原理圖

能耗制動(dòng)電路的安裝是為了減弱制動(dòng)時(shí)濾波電容產(chǎn)生的電壓，減少其帶來的影響，原理是并聯(lián)一個(gè)可以操控開關(guān)的功率電阻在電容上，在出現(xiàn)泵升電壓時(shí)打開功率電阻接入電路，從而去用掉多出來的能量，除此之外電阻不接入。逆變電路是由6個(gè)IUBT構(gòu)成的，其功能是把電容上的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，選擇IUBT類型的時(shí)候需要特別注意額定電壓和電流。驅(qū)動(dòng)電路的作用就是要造成的控制信號的不斷放大，從而達(dá)到能夠打開逆變電路的開關(guān)。

本篇所設(shè)想的變頻驅(qū)動(dòng)控制電路如圖2展示。電流產(chǎn)生的電壓信號經(jīng)過加工處理后交由DSP的ADC接口處進(jìn)行處理。光電編碼器是用于檢測信號的。信號不斷傳遞后，用來控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，并由兩個(gè)脈沖序列的到達(dá)順序確立，而轉(zhuǎn)速則由脈沖頻率來定。PDPINT用來保護(hù)DSP的功率。如果電機(jī)驅(qū)動(dòng)或電源逆變器發(fā)生故障時(shí)，PDPINT就會(huì)中斷，PWM就會(huì)輸出高阻態(tài)，該引腳就會(huì)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)

因?yàn)椴擅汗ぷ髅媲闆r越來越復(fù)雜所以也要求刮板輸送機(jī)的輸送能力不斷加強(qiáng)，針對那些重型的刮板輸送機(jī)來說，單電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模式就很落后了，所以很多刮板輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)都是借助兩個(gè)電機(jī)來完成的。但是由于負(fù)載和鏈條的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，所以就會(huì)造成兩個(gè)電機(jī)之間產(chǎn)生偏差，嚴(yán)重時(shí)，甚至?xí)斐蓴噫溁蛘咄C(jī)現(xiàn)象，所以要平衡兩個(gè)電機(jī)。

接下來設(shè)想所使用的機(jī)頭和機(jī)尾的電機(jī)功率相同：在兩邊負(fù)重不一致時(shí)，通過調(diào)整機(jī)頭或者機(jī)尾電機(jī)的轉(zhuǎn)速從而使兩者之間的轉(zhuǎn)矩差縮小，維持兩個(gè)電機(jī)的負(fù)重在一定范圍里。假如使用三臺電機(jī)：就是機(jī)頭安裝兩個(gè)機(jī)尾安裝一個(gè)，且三個(gè)電機(jī)是一樣的。在煤炭開采時(shí)，刮板輸送機(jī)不單電機(jī)用電，所以防止電機(jī)過載，這三個(gè)電機(jī)的總功率不能大于總功率的80%。

圖3展示的是電流識別的功率平衡控制框圖，機(jī)頭電動(dòng)機(jī)的電流i1與機(jī)尾的i2做差比較，如果△i不等于0，那么就要開啟PID調(diào)節(jié)程序，PID通過調(diào)節(jié)信號來操控機(jī)頭或者機(jī)尾的電流；如果△i等于0。就代表著機(jī)頭和機(jī)尾的電機(jī)電流一樣，就不需要PID來調(diào)節(jié)，程序暫停，直到下一次對比。

圖3 基于電流識別的功率平衡控制框圖

用機(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)來舉例子，圖4展示的是其電機(jī)功率平衡系統(tǒng)。電動(dòng)機(jī)選取的類型是可以隔爆的三相異步電動(dòng)機(jī)，而且借助CAN總線連接到變頻器，從而使電機(jī)定子產(chǎn)生的電流信號傳達(dá)到變頻器，同樣變頻器也經(jīng)由CAN總線再給控制器傳送數(shù)據(jù)，在控制器收到兩者的電流信號后，通過計(jì)算，得出變頻器的轉(zhuǎn)速值，從而使變頻器能夠輸出正確的驅(qū)動(dòng)電流，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，這樣電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩在控制器的控制下就能達(dá)到均衡。

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)

礦井重要的采煤設(shè)備綜采“三機(jī)”(采煤機(jī)、液壓支架和刮板輸送機(jī))，這三個(gè)設(shè)備都極大的影響著綜采工作面的連續(xù)工作，且三者之間協(xié)調(diào)與否與挖煤的效率和經(jīng)濟(jì)效益有密不可分的關(guān)系。在這之中刮板輸送機(jī)和采煤機(jī)間關(guān)聯(lián)最為密切，開采煤炭過程中采煤機(jī)的速度、位置以及方向要一直改變，輸送機(jī)也要跟著采煤機(jī)的變化而變化，如果他們兩個(gè)之間配合不好，就會(huì)出現(xiàn)“壓溜”“超載”等情況，所以兩者之間的協(xié)調(diào)至關(guān)重要。

這兩者間的協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)技術(shù)有連鎖運(yùn)行、刮板輸送機(jī)隨時(shí)開停機(jī)技術(shù)、同速行駛技術(shù)等。首先由于兩者間的運(yùn)行速度不一致，其次還因?yàn)椴擅毫吭诓粩嘧兓?，所以運(yùn)輸機(jī)對采煤機(jī)的反應(yīng)也有滯后性。協(xié)同調(diào)速技術(shù)的運(yùn)用，就能把驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流當(dāng)作煤碳載重量的象征，而且還能通過電機(jī)電流之前的數(shù)據(jù)來預(yù)測未來的載重情況，能夠減少延時(shí)。并且通過這種算法還可以計(jì)算出載煤量、采煤機(jī)的方位和將要運(yùn)轉(zhuǎn)的方向，從而保障同速運(yùn)轉(zhuǎn)。隨后在借助BP算法，將運(yùn)輸機(jī)的電機(jī)的電流值輸入，就能準(zhǔn)確的計(jì)算出煤碳載重量。在PID算法的控制下，輸入采煤機(jī)的牽引速度以及輸送機(jī)的鏈速，從而就能做到對輸送機(jī)以及采煤機(jī)的速度的控制。圖5把粒子群的多目標(biāo)優(yōu)化算法作用下的輸送機(jī)負(fù)重共同調(diào)速控制方法展示出來。

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

5.結(jié)束語

因?yàn)榫C采工作面上各種機(jī)電設(shè)備越來越智能化，所以相應(yīng)也需要輸送機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)不斷優(yōu)化。本文主要對運(yùn)輸機(jī)用于調(diào)速的系統(tǒng)技術(shù)加以研究，并且在這個(gè)基礎(chǔ)上對目前最常見的變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)、平衡電機(jī)功率的技術(shù)以及采煤機(jī)同速運(yùn)轉(zhuǎn)技術(shù)這三大技術(shù)的原理以及方案進(jìn)行了詳細(xì)的分析，將有利于指導(dǎo)運(yùn)輸機(jī)在實(shí)際工作中的優(yōu)化改進(jìn)。