林松（冀中能源機(jī)械裝備集團(tuán)邢臺(tái)機(jī)械廠，河北邢臺(tái) 054000）

變頻技術(shù)在采煤機(jī)中的應(yīng)用

林松
（冀中能源機(jī)械裝備集團(tuán)邢臺(tái)機(jī)械廠，河北邢臺(tái) 054000）

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，采煤裝備不斷更新，為順應(yīng)市場(chǎng)我們對(duì)電牽引采煤機(jī)的調(diào)速控制也進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)。針對(duì)不同地質(zhì)條件生產(chǎn)的需求，為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能高效生產(chǎn)，這就要對(duì)采煤機(jī)的性能提出了更高的要求，為此我們把變頻技術(shù)應(yīng)用到采煤機(jī)的調(diào)速上，使電牽引采煤機(jī)在性能上取得質(zhì)的飛躍。

變頻調(diào)速 滑差調(diào)速 PLC 變頻器

1　前言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，采煤裝備不斷更新，為順應(yīng)市場(chǎng)我們對(duì)電牽引采煤機(jī)的調(diào)速控制也進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)。針對(duì)不同地質(zhì)條件生產(chǎn)的需求，為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能高效生產(chǎn)，這就要對(duì)采煤機(jī)的性能提出了更高的要求，為此我們把變頻技術(shù)應(yīng)用到采煤機(jī)的調(diào)速上，使電牽引采煤機(jī)在性能上取得質(zhì)的飛躍。

2　變頻技術(shù)的發(fā)展

通過改變交流電頻率的方式實(shí)現(xiàn)交流電控制的技術(shù)叫變頻技術(shù)。變頻技術(shù)是為了實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速的需要而誕生的。20世紀(jì)60年代后期開始，電力電子器件的更新促使電力變頻技術(shù)的不斷發(fā)展。20世紀(jì)70年代開始脈寬調(diào)制變壓變頻調(diào)速研究引起了人們的高度重視。20世紀(jì)80年代，作為變頻技術(shù)核心的PWM模式優(yōu)化問題引起人們的濃厚興趣，并得出鞍形波PWM模式效果最佳。20世紀(jì)80年代后半期開始，美、日、德、英等發(fā)達(dá)國(guó)家的VVVF變頻器已投入市場(chǎng)并廣泛使用。

3　現(xiàn)用滑差電磁調(diào)速采煤機(jī)的缺點(diǎn)

3.1滑差電磁調(diào)速原理

滑差電磁調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)是由普通鼠籠式異步電機(jī)、電磁滑差離合器和電氣控制部分組成。異步電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)使用，當(dāng)它旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)離合器的電樞一起旋轉(zhuǎn)，電氣控制裝置是為滑差離合器中的勵(lì)磁線圈提供勵(lì)磁電流的裝置。

原動(dòng)機(jī)開始旋轉(zhuǎn)后，當(dāng)電磁滑差離合器的磁場(chǎng)強(qiáng)度增加時(shí)，輸出轉(zhuǎn)速隨之增加；當(dāng)電磁滑差離合器的磁場(chǎng)強(qiáng)度減小時(shí)，輸出轉(zhuǎn)速隨之減小。電磁滑差離合器的磁場(chǎng)是由勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的，勵(lì)磁線圈中直流電的大小控制著磁場(chǎng)的強(qiáng)弱。在滑差調(diào)速采煤機(jī)中，勵(lì)磁電流的大小由PLC控制，如圖1所示。

當(dāng)PLC接收到給定速度信號(hào)后，會(huì)產(chǎn)生0-10V的模擬量。PLC通過對(duì)模擬量大小的調(diào)節(jié)，來(lái)控制晶閘管模塊的導(dǎo)通。由于晶閘管模塊導(dǎo)通角的改變，使勵(lì)磁電流的大小也隨之改變，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度的控制。當(dāng)原動(dòng)機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)并且有勵(lì)磁電流通過后電機(jī)開始輸出轉(zhuǎn)速，采煤機(jī)開始運(yùn)行。采煤機(jī)運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)速度反饋信號(hào)給PLC，PLC將根據(jù)反饋速度與給定速度進(jìn)行比較后自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使采煤機(jī)穩(wěn)定在給定速度上。

圖1　滑差電磁調(diào)速控

圖2　變頻調(diào)速采煤機(jī)控制原理

3.2滑差電磁調(diào)速的缺點(diǎn)

這種調(diào)速方式可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，但存在著難以克服的缺點(diǎn)。其中主要有以下缺點(diǎn)：（1）在空載或者輕載時(shí)，由于反饋不足，會(huì)造成失控現(xiàn)象。（2）在調(diào)速時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的降低，離合器的輸出功率和效率也相應(yīng)地下降。（3）滑差電磁調(diào)速電機(jī)故障率高、維修量大。

在采煤機(jī)的售后服務(wù)工作中，使用滑差電磁調(diào)速采煤機(jī)遇到過兩種情況，這兩種情況雖然不會(huì)經(jīng)常發(fā)生，但是一旦出現(xiàn)會(huì)影響至少一個(gè)班的生產(chǎn)，這兩種情況是滑差電磁調(diào)速方式特有的，第一種是電磁離合器部分與電機(jī)殼體由于銹蝕而粘連，這時(shí)由于滑差電磁調(diào)速方式特性較軟無(wú)法將其沖擊開，只有將電機(jī)換掉；第二種情況是，由于某種原因電磁離合器與原動(dòng)機(jī)電樞咬在一起，使采煤機(jī)以最大速度誤動(dòng)作，易因沖擊造成機(jī)械損壞。而在變頻調(diào)速中所采用的三相異步電機(jī)是沒有電磁離合器的，因此能夠很好的避免這些問題的發(fā)生，所以采用變頻調(diào)速較好地解決了以上問題。

4　變頻調(diào)速采煤機(jī)

4.1變頻調(diào)速原理

我們知道，交流電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速表達(dá)式為：

n=60 f（1－s）/p （1）

式中：

n——異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速；

f——異步電機(jī)的頻率；

s——電機(jī)轉(zhuǎn)差率；

p——電機(jī)極對(duì)數(shù)。

由式（1）可知，轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率f在0-50Hz的范圍內(nèi)變化時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。

4.2變頻調(diào)速采煤機(jī)控制原理

在變頻調(diào)速采煤機(jī)中，變頻調(diào)速控制部分是由PLC、變頻器、電量互感器、三相異步電機(jī)等組成?？刂圃韴D如圖2所示。

在變頻器的選型上，采用的是ABB公司生產(chǎn)的ASC800型變頻器。ASC800變頻器的核心是直接轉(zhuǎn)矩控制——DTC技術(shù)，基于DTC原理的控制技術(shù)可以提供優(yōu)異的性能和顯著的優(yōu)點(diǎn)。它不僅具有精確的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)速度控制及轉(zhuǎn)矩控制、高啟動(dòng)力矩和更長(zhǎng)的電機(jī)電纜連接，而且內(nèi)置的傳動(dòng)可選件使安裝工作更迅速更簡(jiǎn)單。

為了使變頻采煤機(jī)適應(yīng)大負(fù)載的情況，在變頻采煤機(jī)設(shè)計(jì)中，使用了ASC800變頻器的主/從功能。ASC800變頻器的主/從功能是為了多傳動(dòng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，其中系統(tǒng)是由兩臺(tái)ASC800變頻器驅(qū)動(dòng)的，同時(shí)電機(jī)軸是通過齒輪、齒條等相互耦合在一起的。ASC800的主/從功能可以使負(fù)載均勻的分布在兩臺(tái)變頻器之間，使得采煤機(jī)帶負(fù)載能力得到提高。

在系統(tǒng)中，主變頻器的控制信號(hào)是由PLC提供的。PLC只控制主變頻器，而從變頻器是由主變頻器通過光纖串行通訊鏈路來(lái)控制。并且主變頻器和從變頻器是通過齒輪、齒條等進(jìn)行的剛性連接。因此，為了使主變頻器和從變頻器之間均勻的分布負(fù)載，主變頻器采用速度控制，而從變頻器采用轉(zhuǎn)矩控制。

當(dāng)PLC接收到給定速度信號(hào)后，PLC會(huì)控制主變頻器使電機(jī)加速到相應(yīng)速度，從變頻器會(huì)跟隨主變頻器的轉(zhuǎn)矩給定，并且主/從變頻器能夠根據(jù)負(fù)載自行調(diào)節(jié)速度大小，使采煤機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。PLC還可以接收到一些運(yùn)行狀態(tài)的反饋信號(hào)，如截割電機(jī)反饋的溫度信號(hào)、電流信號(hào)和變頻器反饋的牽引電機(jī)電流信號(hào)等，根據(jù)這些反饋信號(hào)PLC識(shí)別采煤機(jī)運(yùn)行狀況從而由程序自動(dòng)轉(zhuǎn)到適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行狀態(tài)，比如當(dāng)任一截割電機(jī)溫度達(dá)到135℃時(shí)，則控制截割電機(jī)降低容量30%運(yùn)行；溫度達(dá)到155℃時(shí)，PLC輸出信號(hào)使采煤機(jī)控制回路切斷，整機(jī)停電。

4.3能耗低維護(hù)方便

變頻采煤機(jī)不僅具有良好的調(diào)速性能，而且還有非常好的節(jié)能效果?；铍姶耪{(diào)速采煤機(jī)在調(diào)速過程中，原動(dòng)機(jī)始終保持著高速旋轉(zhuǎn)，消耗電能大，在低速運(yùn)行時(shí)輸出功率和效率低。而變頻采煤機(jī)因采用普通的三相異步電機(jī)，從根本上消除了滑差電磁調(diào)速電機(jī)原有的弊端。ASC800變頻器還可以連接顯示屏，提供了非常良好的人機(jī)界面。當(dāng)采煤機(jī)運(yùn)行時(shí)ASC800變頻器不僅能提供運(yùn)行時(shí)的電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等運(yùn)行狀態(tài)信息，而且變頻器出現(xiàn)故障時(shí)可以提供故障代碼顯示，方便查找故障，縮短維修時(shí)間。

5　結(jié)語(yǔ)

綜上所述，變頻調(diào)速采煤機(jī)不僅可以實(shí)現(xiàn)普通異步電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速，而且它的調(diào)速范圍大，靜態(tài)穩(wěn)定性好，還具有顯著的節(jié)能效果，并且它還對(duì)電機(jī)具有多種保護(hù)功能，降低了電機(jī)的故障發(fā)生。隨著采煤技術(shù)的不斷提高，為了適應(yīng)不同地質(zhì)條件，變頻調(diào)速采煤機(jī)比滑差電磁調(diào)速采煤機(jī)有著更好的性能優(yōu)勢(shì)，變頻調(diào)速采煤機(jī)必將取代滑差電磁調(diào)速采煤機(jī)，更好的為煤炭生產(chǎn)服務(wù)。