煤礦井下電牽引采煤機(jī)的電氣自動(dòng)化控制

代長(zhǎng)乾

摘 要：電牽引采煤機(jī)一般采用雙電動(dòng)機(jī)截割、雙電動(dòng)機(jī)牽引的作業(yè)方式，采煤機(jī)的牽引速度是直接通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)的，采煤機(jī)中電動(dòng)機(jī)速度的改變多用變頻調(diào)速技術(shù)的方法，可用晶閘管可控整流一直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)調(diào)速等。本文主要研究了采煤機(jī)的電氣控制的變頻裝置、監(jiān)控裝置及輸入信號(hào)、端頭控制器及采煤機(jī)的操作，如采煤機(jī)啟動(dòng)和停車(chē)、先導(dǎo)回路試驗(yàn)及輸送機(jī)閉鎖、搖臂升降、采煤機(jī)的牽引等。

關(guān)鍵詞：煤礦；電牽引；采煤機(jī)；電氣自動(dòng)化；控制

電牽引采煤機(jī)一般采用雙電動(dòng)機(jī)截割、雙電動(dòng)機(jī)牽引的作業(yè)方式。截割電動(dòng)機(jī)的單機(jī)功率在250kW左右，牽引電動(dòng)機(jī)的單機(jī)功率在40kW左右。電牽引指采煤機(jī)的牽引速度是直接通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)的。電牽引采煤機(jī)中電動(dòng)機(jī)速度的改變多用變頻調(diào)速技術(shù)的方法，可用晶閘管可控整流一直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)調(diào)速等。

一、采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)

雙滾筒電牽引采煤機(jī)，由滾筒、搖臂、牽引部、泵站箱、高壓箱、主控箱、主機(jī)架等部分組成 [1]。

（一）滾筒、搖臂部

采煤機(jī)的兩個(gè)截割滾筒和搖臂分別安裝在機(jī)身兩端。如果采用1800mm為直徑的滾筒，采煤高度能達(dá)3.5m。滾筒的截割動(dòng)力通過(guò)搖臂減速裝置傳遞。搖臂與主機(jī)架采用鉸接方式連接，取消了回轉(zhuǎn)軸承和齒輪嚙合環(huán)節(jié)。為提高采煤機(jī)的效能，增大搖臂功率，截割電動(dòng)機(jī)分別裝在左右搖臂的尾部。搖臂的升降由液壓系統(tǒng)控制調(diào)高油缸的行程實(shí)現(xiàn)。

（二）牽引部

采煤機(jī)的兩個(gè)牽引部裝在機(jī)身的左右端頭，并與主機(jī)架連成一體。牽引電動(dòng)機(jī)運(yùn)用減速裝置帶動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)。鏈輪與刮板輸送機(jī)上的銷(xiāo)軌咽合，驅(qū)使采煤機(jī)在輸送機(jī)上運(yùn)行。為避免采煤機(jī)在停機(jī)時(shí)出現(xiàn)打滑，在牽引傳動(dòng)箱上安置由液壓系統(tǒng)控制的制動(dòng)器。左右牽引部箱體的前端設(shè)有端頭控制器，在采煤機(jī)左右端頭控制采煤機(jī)。

（三）泵站箱

采煤機(jī)的泵站箱安裝在主控箱左側(cè)，由電動(dòng)機(jī)和液壓系統(tǒng)組成，是為了采煤機(jī)滾筒調(diào)高提供液壓動(dòng)力，同時(shí)也為制動(dòng)器提供控制油路。液壓系統(tǒng)各部分動(dòng)力的調(diào)節(jié)用電磁閥來(lái)控制。

（四）高壓箱

高壓箱安裝在主控箱右側(cè)，設(shè)有高壓開(kāi)關(guān)、牽引變壓器、控制變壓器、電流互感器等電氣元件，用于采煤機(jī)電源的引入和分配。為了給高壓箱內(nèi)的設(shè)備提供循環(huán)風(fēng)流，設(shè)置40W左右的冷卻通風(fēng)機(jī)一臺(tái)。

（五）主控箱

主控箱安裝在中部，設(shè)有變頻裝置、監(jiān)測(cè)控制裝置及變壓器和控制開(kāi)關(guān)等，是采煤機(jī)的控制中心，把采煤機(jī)的各種信號(hào)進(jìn)行變換、分析、運(yùn)算后對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行整機(jī)控制。主控箱前側(cè)設(shè)有功能指示器和顯示屏，用于顯示采煤機(jī)的工作狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)。

（六）主機(jī)架

主機(jī)架為分段組合式結(jié)構(gòu)。主機(jī)架有5個(gè)腔，分別放置左右牽引傳動(dòng)箱、泵站、主控箱和高壓箱（與主機(jī)架用螺栓固定）。采煤機(jī)上的截割反力、牽引力、調(diào)高支承力和采煤機(jī)的限位，導(dǎo)向作用力由主機(jī)架承受。主機(jī)架具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、拆裝方便、剛性強(qiáng)、各部件間設(shè)有動(dòng)力傳遞等優(yōu)點(diǎn)。

二、煤礦采煤機(jī)的電氣控制

雙滾筒電牽引采煤機(jī)的整機(jī)功率一般在500kW～600kW及以上，采用1140V雙電纜供電，運(yùn)用可編程控制器進(jìn)行控制，供電系統(tǒng)簡(jiǎn)單、工作可靠安全。

雙滾筒電牽引采煤機(jī)電氣工作如圖1所示，由主回路、變頻裝置、監(jiān)控裝置、控制電源等組成[2]。

圖1? 雙滾筒電牽引采煤機(jī)電氣工作原理

（一）變頻裝置

變頻裝置由牽引變壓器T1輸出的400V、50Hz電壓供電，經(jīng)變頻裝置后輸出3-60Hz的正弦電壓，用于牽引電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。

變頻裝置采用交—直—交的方式變換頻率，先把交流電變?yōu)槠椒€(wěn)的直流電，然后再利用逆變?cè)戆阎绷麟娮優(yōu)榻涣麟?。其單相交流電變頻原理及波形如圖2所示。

圖2? 單相交流電變頻原理及波形

變頻電路由整流電路和逆變電路組成。如果改變電子開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，即可得到不同頻率的方波電壓，實(shí)現(xiàn)變頻。

為在負(fù)載電阻RL上得到正弦波電壓，可在方波的正半周或負(fù)半周使電子開(kāi)關(guān)多次通斷，形成圖中波形。該波形在各時(shí)間段內(nèi)的平均值可近似形成正盛波其基波為正弦波，這種方式形成的正弦波即為脈寬調(diào)制波。如果按比例改變各小矩形的寬度，就能改變正弦電壓的大小，能夠?qū)崿F(xiàn)變頻調(diào)速。

如果把上述變頻電路中的整流二極管換成晶閘管，使整流后的電壓Ud可調(diào)，變頻后的正弦波電壓值也可通過(guò)改變Ud實(shí)現(xiàn)。

變頻電路中的電子開(kāi)關(guān)可選用大功率電力晶體管、可關(guān)斷晶閘管、電力場(chǎng)效應(yīng)管等電子元件，電子開(kāi)關(guān)的通斷采用計(jì)算機(jī)及其相應(yīng)的程序控制。

三相交流電路的變頻，由三相整流橋、三相逆變橋、計(jì)算機(jī)控制電路及相關(guān)的外圍裝置組成。

按照電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速原理，在電動(dòng)機(jī)電源頻率改變時(shí)，為保證磁通不變，必須改變電源電壓的數(shù)值。在電動(dòng)機(jī)減速時(shí)，變頻裝置輸出的電源頻率降低、電源電也要成比例降低。電壓和頻率成比例的變化可由計(jì)算機(jī)按指令和程序控制各開(kāi)關(guān)元件。

（二）監(jiān)控裝置及輸入信號(hào)

監(jiān)控裝置由控制機(jī)即計(jì)算機(jī)和可編程控制器及外設(shè)備、輔助設(shè)備組成。

監(jiān)控裝置包括中央處理器、各種存儲(chǔ)器、接口電路、驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)總線(xiàn)及顯示屏、輸出觸點(diǎn)等，其主要作用是把采煤機(jī)的操作信號(hào)、運(yùn)行信號(hào)進(jìn)行處理、變換，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，把采煤機(jī)調(diào)整在最優(yōu)工作狀態(tài)。

變頻裝置信號(hào)。變頻裝置的各種信號(hào)如電路保護(hù)信號(hào)、電子開(kāi)關(guān)控制信號(hào)、左牽引右牽引及增速、減速信號(hào)等，把與計(jì)算機(jī)的各種處理信號(hào)進(jìn)行相互傳遞，保證牽引系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)，及時(shí)對(duì)變頻裝置出現(xiàn)的故障發(fā)出警報(bào)。

（三）端頭控制器

兩個(gè)端頭控制器一般設(shè)在采煤機(jī)左右，左、右端頭控制器只能控制端搖臂的升降，它們能對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行主停、牽引停、左行、右行的控制。端頭控制器由微型計(jì)算機(jī)（單片機(jī)）構(gòu)成，采用并行輸入和串行輸出的工作方式和主控系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)傳遞。

三、采煤機(jī)的操作

（一）采煤機(jī)啟動(dòng)和停車(chē)

首先閉合隔離開(kāi)關(guān)QS1～QS5，按下啟動(dòng)按鈕SB1，磁力啟動(dòng)器有電吸合，左截割電動(dòng)機(jī)、油泵電動(dòng)機(jī)及控制電路有電，并通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部觸點(diǎn)K1自保；按下啟動(dòng)按鈕SB2，磁力啟動(dòng)器2QM有電吸合，右截割電動(dòng)機(jī)、牽引變壓器有電，并通過(guò)內(nèi)部觸點(diǎn)K2和K1自保。3臺(tái)電動(dòng)機(jī)分兩次啟動(dòng)，能防止較大的啟動(dòng)電流的沖擊。

采煤機(jī)啟動(dòng)時(shí)，為了使液壓系統(tǒng)及時(shí)建立液壓動(dòng)力，一般應(yīng)先啟動(dòng)油泵電動(dòng)機(jī)，因此，把1QM作為主啟動(dòng)器首先啟動(dòng)。在1QM未啟動(dòng)時(shí)，由于觸點(diǎn)K1未閉合，啟動(dòng)器2QM不能自保。若1QM啟動(dòng)，則2QM能順序延時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)，故可由一個(gè)啟動(dòng)按鈕順序完成啟動(dòng)過(guò)程。

采煤機(jī)停車(chē)時(shí)，可按動(dòng)主控箱上的停止按鈕或左右端頭控制器上的停止按鈕。在故障狀態(tài)下，監(jiān)控系統(tǒng)可通過(guò)內(nèi)部自保觸點(diǎn)K1、K2停車(chē)。

（二）先導(dǎo)回路試驗(yàn)及輸送機(jī)閉鎖

在按下按鈕SB4時(shí)，可檢測(cè)先導(dǎo)回路1P、1E和2P、2E有無(wú)異常。當(dāng)功能顯示器上相應(yīng)的綠色指示燈亮?xí)r，表明先導(dǎo)回路正常，采煤機(jī)可以啟動(dòng)；否則，采煤機(jī)送不上電。在按下采煤機(jī)上的輸送機(jī)閉鎖按鈕SB5時(shí)，刮板輸送機(jī)停車(chē)并被閉鎖。

（三）搖臂升降

搖臂的升降可分別用主控箱和左右端頭控制器上相應(yīng)按鈕進(jìn)行操作。在按下按鈕時(shí)，搖臂開(kāi)始做相應(yīng)的升降運(yùn)動(dòng)；松開(kāi)按鈕時(shí)，搖臂在此時(shí)的高度工作。

（四）采煤機(jī)的牽引

在采煤機(jī)送電后按下?tīng)侩姲粹oSB11，監(jiān)控系統(tǒng)使接觸器KM1吸合，變頻裝置有電。牽引操作時(shí)，可通過(guò)主控箱或左右端頭控制器上相應(yīng)的按鈕進(jìn)行。

左牽引操作時(shí)按下左行按鈕不放，采煤機(jī)開(kāi)始左牽引并加速，當(dāng)松開(kāi)左行按鈕時(shí)，采煤機(jī)在此速度下左行。如果需要采煤機(jī)減速時(shí)，可按下右行按鈕，采煤機(jī)開(kāi)始減速，松開(kāi)右行按鈕時(shí)，減速停止。如果按住右行按鈕不放，左牽引速度會(huì)降為零。在采煤機(jī)需要改變牽引方向時(shí)，必須先按下?tīng)客０粹o，然后再按方向按鈕，這時(shí)，采煤機(jī)才能改變牽引方向。

在變頻裝置需要斷電時(shí)，要先按下?tīng)客０粹oSB12不放，再按下?tīng)侩姲粹oSB11，此時(shí)接觸器KM1斷電釋放，變頻裝置失電[3]。

（五）除濕系統(tǒng)操作

在采煤機(jī)長(zhǎng)時(shí)停機(jī)使其內(nèi)部出現(xiàn)潮氣時(shí)，可采用手動(dòng)方式除濕，即先按下?tīng)客０粹oSB12不放，再按下除濕停止按鈕SB19，除濕裝置啟動(dòng)。要先放開(kāi)除濕停止按鈕，再放開(kāi)牽停按鈕。除濕系統(tǒng)斷電時(shí)，按下除濕停止按鈕。

（六）采煤機(jī)的顯示

采煤機(jī)主控箱上的液晶顯示屏下端有3個(gè)操作按鍵，分別用于顯示屏上光標(biāo)的移動(dòng)和菜單命令的執(zhí)行。三鍵配合，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的人機(jī)對(duì)話(huà)。

一是屏幕顯示。采煤機(jī)送電后，液晶顯示屏的左右兩側(cè)各有一排從上到下的發(fā)光塊，左邊表示操作信號(hào)，右邊表示執(zhí)行信號(hào)。如操作左搖臂上升時(shí)，按下左升按鈕，屏幕左邊相應(yīng)的發(fā)光塊閃爍，表明左升操作成功，監(jiān)控系統(tǒng)已接收到信號(hào)。此后右邊對(duì)應(yīng)的發(fā)光塊也亮，表示控制信號(hào)已發(fā)出。在系統(tǒng)正常情況下，采煤機(jī)左搖臂上升。

在顯示屏中部，可設(shè)置顯示采煤機(jī)型號(hào)、當(dāng)前時(shí)間、采煤機(jī)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間及制造廠(chǎng)家名稱(chēng)。在顯示屏的下面是返回功能操作塊。

二是內(nèi)容顯示。用光標(biāo)移動(dòng)按鍵把光標(biāo)移到返回功能塊上，按下執(zhí)行鍵，屏幕上出現(xiàn)選屏菜單。菜單內(nèi)容有截割電動(dòng)機(jī)、牽引電動(dòng)機(jī)、油泵電動(dòng)機(jī)、瓦斯檢測(cè)、牽引系統(tǒng)等運(yùn)行參數(shù)、曲線(xiàn)顯示和故障內(nèi)容顯示、保護(hù)參數(shù)、極限參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)等設(shè)置。

若查看截割電動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)，先把光標(biāo)移到截割電動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)塊上，然后按下執(zhí)行鍵，屏幕顯示左右截割電動(dòng)機(jī)的電流數(shù)值、電動(dòng)機(jī)繞組溫度等內(nèi)容。

三是曲線(xiàn)顯示。在選屏菜單狀態(tài)下把光標(biāo)移到曲線(xiàn)顯示塊上，按執(zhí)行鍵，屏幕上出現(xiàn)曲線(xiàn)顯示菜單，再把光標(biāo)移到要顯示的內(nèi)容名稱(chēng)上，按執(zhí)行鍵即可顯示相應(yīng)的曲線(xiàn)。如果查看左截割電動(dòng)機(jī)運(yùn)行曲線(xiàn)，先把光標(biāo)移到左截割電動(dòng)機(jī)曲線(xiàn)菜單上，按執(zhí)行鍵，屏幕上出現(xiàn)左截割電動(dòng)機(jī)的電流曲線(xiàn)、電壓運(yùn)行曲線(xiàn)、溫度曲線(xiàn)等選項(xiàng)塊，再把光標(biāo)移到相應(yīng)的選項(xiàng)塊上，按執(zhí)行鍵就能顯示相應(yīng)的曲線(xiàn)。

四是參數(shù)設(shè)置。在選屏菜單狀態(tài)下把光標(biāo)移到相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置塊上，按執(zhí)行鍵，屏幕顯示參數(shù)設(shè)置菜單，再選相應(yīng)的參數(shù)。

結(jié)束語(yǔ)

電牽引采煤機(jī)中電動(dòng)機(jī)速度的改變多用變頻調(diào)速技術(shù)的方法，可用晶閘管可控整流一直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)調(diào)速。采煤機(jī)電氣工作由主回路、變頻裝置、監(jiān)控裝置、控制電源等組成。變頻裝置采用交—直—交的方式變換頻率，先把交流電變?yōu)槠椒€(wěn)的直流電，然后再利用逆變?cè)戆阎绷麟娮優(yōu)榻涣麟?。三相交流電路的變頻，由三相整流橋、三相逆變橋、計(jì)算機(jī)控制電路及相關(guān)的外圍裝置組成。變頻裝置的各種信號(hào)如電路保護(hù)信號(hào)、電子開(kāi)關(guān)控制信號(hào)、左牽引右牽引及增速、減速信號(hào)等，把與計(jì)算機(jī)的各種處理信號(hào)進(jìn)行相互傳遞，保證牽引系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)：

[1]查丁杰，王永祥.采掘機(jī)械使用與維護(hù)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2009.

[2]蘇月.煤礦機(jī)電設(shè)備技術(shù)管理[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2015.

[3]張梅桂.煤礦機(jī)電設(shè)備管理[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2017.