电磁调速电牵引采煤机的研究与应用

1电磁调速电牵引采煤机

近年来我国机载变频调速交流电牵引采煤机取得了较大地进展。由于采煤机在工作特点和我国煤炭企业的具体情况，电牵引采煤机在生产总量和使用范围上与国外煤炭企业相比，仍然有较大差距。电磁调速技术是一种成熟的技术，由于它具备结构简单、使用可靠、起动性能好、起动转矩大等优点，在其它行业已有成功应用。通过进一步研究电磁调速技术，用现代技术改变其调速性能，使其适合采煤机牵引的需要，又将电磁调速的优点应用到采煤机上，研制一种结构简单、容易维护、制造成本低、牵引功率大、起动转矩大的电磁调速电牵引采煤机，对我国电牵引采煤机的推广将有很大地促进作用。

虽然电磁调速电动机(图1)是一种具有结构简单、加工方便、使用可靠、起动性能好、起动转矩大等优点的调速设备，但要将电磁调速电动机作为采煤机牵引动力，仍然需要进一步研究。  图1　隔爆型电磁调速电动机略

近几年运用新材料新方法制作的电磁调速电动机，效率可提高10%;最高输出转速可达异步电机转速的95%左右。调速电动机的速度测量是靠一个测速发电机来进行的，低速时性能本来就较差，再经过转换到控制回路，使得电磁调速电动机低速性能输出不稳定。为解决这一问题，在采煤机使用的电磁调速电动机中，使用了轴编码器来测量调速电动机的速度，将速度测量数字化，提高测量精度，同时有利于将速度信号直接送入计算机处理，低速性能得到根本改善。

在电磁调速电动机的研究和实际工作中，提高调整精度是一个重点。研究表明，与其它调速装置所不同的是，它的调整精度取决于人为设计的电流控制器的精度和控制方法的选取。我们使用了计算机控制和提高电流控制器的精度后，完全可以解决低电流输出的精度和稳定性问题。

2电磁调速电牵引采煤机计算机调速系统

为了使调节效果更理想，电磁调速电牵引采煤机的调速系统采用速度、电流双闭环调速系统(图2)，并采用了计算机控制，使得系统更为完善。如果仅采用速度调节，由于电网电压波动所引起的扰动作用，经过一系列机电惯性的滞后才能反映到转速上来，等到转速反馈产生调节作用，为时已晚，增加电流内环后，电压扰动被包在电流环内，可以及时地通过电流反馈得到调整，这样，由电网电压变化所引起的动态降速就比单环系统小得多。至于由负载引起的扰动，由于它处在电流环外，还是通过速度环来调节。 图2　双闭环调速示意图略

表面上看，电流负反馈有使特性变软的趋势，但是，由于电流环在速度环的里面，电流负反馈仅相当一个扰动，在设计中，可把速度调节器的放大倍数做得足够大，而且在正常调速的情况下不饱和，那么，电流负反馈的扰动作用就受到抑制。电流负反馈可能产生的降速完全被速度调节器的积分作用消除了。在启动中，突加给定，转速负反馈还没有反应过来，速度调节器处于饱和状态，相当于速度环处于开环状态，系统在电流环的调节下工作，在这一过程中，系统表现为一恒流调节系统。适当选择参数，实现 “时间最优控制”的基本思想。

采煤机电控系统采用西门子S7-200PLC可编程控制器作为中央处理机，该机型具有较高的可靠性，指令丰富，易于掌握，且内部有丰富的内置集成功能和强劲的通讯能力，对于采煤机控制极为适合。内部的PID调节器可满足速度和电流环的要求，外围辅以必要的传感器及执行器件，实现对采煤机的操作控制及动力制动控制。控制核心采用西门子S7-200PLC，并扩展两块4输入1输出模拟量模块EM235，并选用与S7200配套的ID-200汉显模块作为显示模块。外围配件包括：电流变送器、输出继电器及移相触发电路、可控硅整流电路等。在控制方式上采取了逻辑操作和运行速度的控制部分功能双方案，在逻辑操作中，包括正反向牵引、停机控制、摇臂升降控制、制动闸的投切控制以及流量保护控制等。这些功能均由PLC根据操作命令及反馈信号和各种动作之间的相互闭锁关系，由程序控制来实现。通过对其在实际运行过程中各性能参数的测定，可使额定运转时的转速变化率提高到0.5%以内，稳运精度提高到1%以内。

3电磁调速电牵引采煤机的制动运行

工作面倾角较小时，控制系统将通过速度反馈，调整励磁电流，将其减少，维持采煤机速度不变，这是电磁调速方式的一个优点，在工作面倾角不太大时，系统将自动减少牵引力，最大限度地适应工作面角度的变化。利用这一特性可不必使用制动。我们将不同的采煤机用于倾角在20°到30°的工作面上，采煤机仍能运行正常。在励磁电流的观察中可以发现，随着工作面角度的增大，向下运行时的励磁电流逐步减少。

工作面倾角比较大时，采煤机工作阻力减小，励磁电流已经足够小甚至趋近于零;而负载的速度仍然有变大或变大的趋势，这时，为保证负载正常运行，需要产生一个制动力，和负力方向相反，来抵消这个负力带来的影响。 图3　制动示意图　略

为了适应各个方面的情况，我们设计了手动和自动两个制动功能，在采煤机停在向下运行的过程中，需要启动时，可直接启动手动方式，采煤机启动后，在下滑力的作用下，采煤机开始向下运行，这时，按照需要给出励磁电流，使采煤机按一定的速度运行。如果采煤机在运行过程中，下滑力逐渐加大，电磁调速系统通过调节励磁电流、减少电磁转矩，仍不能有效地控制采煤机的运行速度时，采煤机进入自动制动程序。自动制动程序在运行过程中，一直检测电流和速度的变化，如果电流一直在减小，速度仍有上升的趋势，自动制动系统将进入预备执行阶段，先将原动机停电，继续检测转速的变化，如果速度仍维持不变或有上升趋势，系统则进入制动程序。

在制动运行的过程中，仍然采用速度、电流双闭环控制系统。从现场使用情况看，电磁调速电牵引采煤机在负载转矩和工作面倾角变化时，在计算机双闭环控制下，能在较大范围内调节电磁转矩，维持速度基本不变，采煤机正常运行。而采煤机本身除增加原动机一个制动闸外，不增加任何部件，结构简单，控制灵活，操作方便，速度调节正常，非常适合在煤矿复杂的条件下使用。 　　4　电磁调速采煤机的应用

近年来，我们利用电磁调速技术，研制了多种型号的采煤机，从薄煤层到中厚煤层，几乎覆盖了全部煤层。其中MGN132/316-DW型电牵引采煤机是一种薄煤层采煤机，它的采高范围为1.1～1.9m，机面高度为853mm。由于采用电磁调速电牵引方式，使之机身较薄，过煤高度可达326mm，使用lm滚筒时，卧底量为160mm。该机型采煤机采用横向积木式布置方式，多点驱动，具有结构紧凑，装机功率富裕量大，维修方便的特点。在设计中采用了电机和滑差同轴布置，同时电控箱尺寸小，使得机身长度缩小。该机型采煤机底部过煤空间比同类机机身高度大出许多，在工作中发生采煤机“托住”故障的可能性很小。该采煤机还采用了手动、指令器、遥控3种控制方式，操作方式非常灵活，为现场使用提供了方便。

 MXG-150/350D型电牵引采煤机，机身高度为1100mm，是一种无底托梁、横向布置的新型电牵引采煤机。它采用了电磁调速电牵引作为牵引动力后，牵引力加大，结构更加简单，机身短。为了提高整机的稳定性，特意加大了滑靴跨距，机身的主要部件之间用液压螺母和高强度螺栓紧固成一个整体，没有了底托架，过煤空间和卧底量都有所增加，整体适应性更为加强。 　　MXC-500/4.5D型电牵引采煤机，机身高度为1685mm，是一种大采高采煤机。该机型采用电磁调速牵引后，牵引力为530kN。虽然牵引力大，但它的控制系统和上述两种采煤机相同，控制电流最大仍为5A，这也是这种牵引方式的优越性之一。

在应用中，3种电磁调速电牵引采煤机，经过生产验证，充分显示了其显著的特点和优越性。MXG-150/350D在东庞矿、葛泉矿、显德汪矿十几个工作面使用。最大倾角达30°(葛泉矿1424工作面局部倾角)，使用的是MXP-350WD采煤机，重量为25t，工作面是俯采，负载转矩较大。我们利用电磁调速的优点，减少励磁电流，控制着电磁转矩，保持了采煤机运行速度;显德汪矿使用MGNl32/316-DW型电牵引采煤机，煤层厚度1.3～1.5m，年产原煤45万t(包括有两次搬家);邢台矿7809工作面倾角局部达到35°，使用的是MXP-500WD采煤机，重量为48t，走向没有角度，负载转矩小，在不使用制动程序时，有下滑现象，在使用了制动程序后，将原动机制动住，再向电磁调速电动机中输入励磁电流，形成制动力矩，采煤机调速运转正常。

5电磁调速电牵引采煤机的特点

(1) 控制性能好、起动转矩大。 使用计算机控制和双闭环调节后，采煤机的调速性能大为提高，控制性能良好，数字式的测量、控制、给进，使采煤机的稳定性比较好。由于电磁调速电动机是在原动机正常运行状况下调速的，起动力矩大，并且可调。

(2) 控制功率小、扭矩大。在电磁调速电动机的控制系统中，控制的是励磁电流，不控制功率电流，并且最大才5A，这就大大简化了控制系统，同时，由于控制的是励磁电流，对于各种电磁调速电动机，可以用同一种控制器，可对于不同的电磁调速电动机，整定不同的参数，其控制系统全部相同，这给制造和调试工作带来方便，对批量生产更为有利。尤其使用计算机控制系统，优点更突出。 　　由于电磁调速电动机体积小，可在同样的空间内安排大功率电磁调速电动机，同时，随着对电磁结构的进一步研究，还可以加大输出扭矩，这就更增强了电磁调速电动机的负载能力，拓宽了使用范围。

(3) 电压适应性好，体积小 。 在实际应用中，电动机和电磁调速器是安装在一起的，所占空间小。又由于控制部分简单，电控箱可以做得很小，而且由于电磁调速器的原动机的电压可以和负载的其它电机的电压相同，因此，可适应各种电压的采煤机，电牵引调速部分不需要大功率变压器，可使采煤机整机的体积大为缩小。这一优点，在薄煤层采煤机设计中显得尤为宝贵。因为薄煤层采煤机的过煤空间较小，如果机身设计的太长，对起伏不平的工作面条件适应性将受到影响，甚至可能发生“托住”的现象。

(4) 制动运行性能好 。 电磁调速电牵引采煤机在负载转矩和工作面倾角变化时，在计算机双闭环控制下，能在较大范围内调节电磁转矩，维持速度基本不变，采煤机正常运行。采煤机运行在大倾角工作面时，计算机对励磁电流和运行速度进行分析，判断是否进入制动程序。制动程序分为手动和自动。采煤机本身除增加原动机一个制动闸外，不增加任何部件，结构简单，控制灵活，操作方便，速度调节正常。

综上所述，电磁调速电牵引采煤机在调速方式上具有创新点，并且，为使电磁调速系统更好地应用于采煤机电牵引上，对电磁调速电动机和控制器进行了创新研究，并成功地应用到采煤机上，使得电磁调速电牵引采煤机具有牵引力大、可控性好、控制功率小、电压升级方便、采煤机牵引和电控部分所占体积小等特点，并且其结构简单、成本低、使用维护方便。而且，调速器本身的一些不利因素都能通过技术途径予以解决。全部技术拥有自主的知识产权。到目前为止，电磁调速电牵引采煤机已经有薄煤层和中厚煤层几个机型，在几个煤炭企业使用状况良好，并且经受了复杂工作面的考验。