白 軻

(西山煤電集團 技術(shù)中心，山西 太原 030053)

0 引言

刮板輸送機作為煤礦井下重要的運輸設(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)的刮板輸送機中，各類新技術(shù)的應(yīng)用均能大幅度提高運輸效率。本文研究了刮板輸送機智能調(diào)速系統(tǒng)的三類關(guān)鍵技術(shù)——變頻驅(qū)動控制技術(shù)、電機功率平衡控制技術(shù)和采煤機負載協(xié)同調(diào)速控制技術(shù)，從技術(shù)原理、實現(xiàn)方案和應(yīng)用特點等方面研究了刮板輸送機調(diào)速系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，為實際工作中新技術(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，國內(nèi)外煤礦均采用刮板輸送機來進行煤炭運輸，此外刮板輸送機也常見于采區(qū)平巷、順槽和聯(lián)絡(luò)眼、上下山等運輸場景。不同應(yīng)用環(huán)境的刮板輸送機只在部件和形式上稍有不同，在結(jié)構(gòu)上均由機頭部、機尾部、中間部、附屬裝置和移溜裝置組成。刮板輸送機具有運輸能力不受貨物品質(zhì)的影響、結(jié)構(gòu)靈活、裝載方便、便于伸縮和移動等優(yōu)點。但是，其電能消耗大，特別是溜槽和鏈條等部位機械磨損嚴(yán)重，運輸距離較短。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，刮板輸送機驅(qū)動系統(tǒng)在變頻控制技術(shù)、電機功率平衡技術(shù)和負載協(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)用場合中，又對其提出了防爆性、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誤動作等故障。因此，變頻驅(qū)動控制技術(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，另一方面刮板輸送機移動次數(shù)有限，啟動次數(shù)多，電流變化幅度大，這些都導(dǎo)致刮板輸送機可能發(fā)生電氣爆炸，因此驅(qū)動裝置的外殼需要進行防爆處理，且電路應(yīng)設(shè)計為本質(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)動控制技術(shù)原理圖如圖1所示。由于刮板輸送機的驅(qū)動電機通常只需要工作在電動狀態(tài)，整流電路一般采用三相橋式不可控整流電路，它由6個整流二極管構(gòu)成，設(shè)計時滿足1 140 V電壓等級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。能耗制動電路的作用是緩沖制動時濾波電容上產(chǎn)生的泵升電壓，避免其對開關(guān)管產(chǎn)生危害，其工作原理是在電容上并聯(lián)一個可控制開斷的功率電阻，在產(chǎn)生泵升電壓時控制功率電阻并聯(lián)接入電路，消耗多余的能量，不需要的時候此電阻開路不接入電路，沒有功率損耗。逆變電路由6個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時主要考慮其額定電壓和額定電流。驅(qū)動電路的作用是將控制產(chǎn)生的控制信號進行功率放大，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)動控制技術(shù)原理圖

本文所設(shè)計的變頻驅(qū)動控制電路如圖2所示。其中檢測到的電流電壓信號經(jīng)過處理后送入DSP的ADC接口部分進行處理。轉(zhuǎn)速信號是由光電編碼器測得的，對應(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后，其電機旋轉(zhuǎn)方向可通過檢測兩個脈沖序列到達的先后來確定，電機轉(zhuǎn)速可由脈沖數(shù)和脈沖頻率來確定。PDPINT是DSP的功率保護中斷引腳。當(dāng)電機驅(qū)動或者電源逆變器出現(xiàn)故障時，比如過電壓、過電流等，該引腳就會使能中斷，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)動控制電路圖

3 電機功率平衡技術(shù)

由于采煤工作面的不斷發(fā)展，對刮板輸送機的運輸能力要求也越來越高，對于重型刮板輸送機而言，單電機驅(qū)動方式已經(jīng)不能滿足要求，許多型號的刮板輸送機采用機頭雙電機驅(qū)動。由于負載和鏈條結(jié)構(gòu)等變化，兩個電機的工作狀態(tài)常常存在偏差，當(dāng)一個電機過載另一個電機欠載時，可能發(fā)生斷鏈或停機故障，因此刮板輸送機智能調(diào)速系統(tǒng)需要采用電機功率平衡技術(shù)。

本文采用機頭機尾電機功率平衡的控制思路：即隨著負載的變化，通過調(diào)節(jié)機頭或機尾電機轉(zhuǎn)速來縮小機頭、機尾電機的輸出轉(zhuǎn)矩差，時刻保持電機負載在額定范圍之內(nèi)運行。采用三臺電機驅(qū)動的刮板輸送機的配置為：機尾單獨采用一個電機驅(qū)動，機頭采用兩個電機共同驅(qū)動，以上三個電機的額定功率均相等。在采煤工作過程中，刮板輸送機除電機運行外，還有其他用電部件，因此為避免電機過載，刮板輸送機三個電機的功率總和應(yīng)不超過總功率的八成。

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

圖3 基于電流識別的功率平衡控制框圖

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

圖4 電機功率平衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 負載協(xié)同調(diào)速技術(shù)

綜采“三機”(采煤機、液壓支架和刮板輸送機)是煤礦井下主要采煤機電設(shè)備，各設(shè)備對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)濟效益和效率。刮板輸送機和采煤機的關(guān)系最為密切，隨著開采過程中采煤機的速度、位置和方向的不斷調(diào)整，刮板輸送機也需要跟隨調(diào)整，如果二者之間沒有設(shè)計良好的協(xié)同調(diào)速關(guān)系，將會導(dǎo)致“大馬拉小車”、運輸能力不匹配、“壓溜”超載等現(xiàn)象，因此刮板輸送機負載協(xié)同調(diào)速技術(shù)具有重要意義。

刮板輸送機和采煤機協(xié)同調(diào)速控制技術(shù)包括連鎖運行、刮板輸送機智能延時停機和順序啟?？刂啤f(xié)同調(diào)速控制等。一方面由于采煤機和刮板輸送機的速度滯后性，另一方面由于開采過程中煤量的變化，因此采煤機對刮板輸送機的影響也是滯后的。在協(xié)同調(diào)速控制中，可將驅(qū)動電機的電樞電流作為煤量負載的表征，根據(jù)電機電流的歷史數(shù)據(jù)對未來的負載情況進行預(yù)測，能夠在一定程度上補償控制的延時性。通過粒子群多目標(biāo)優(yōu)化算法對載煤量、采煤機位置和運行方向進行分析，在一個割煤循環(huán)中實現(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，以刮板輸送機電機電流為輸入，能夠在一定范圍內(nèi)準(zhǔn)確預(yù)測煤量負載。在模糊PID算法控制下，將采集的采煤機牽引速度和刮板輸送機鏈速作為速度閉環(huán)的輸入，實現(xiàn)刮板輸送機和采煤機速度閉環(huán)控制。基于粒子群多目標(biāo)優(yōu)化算法的刮板輸送機負載協(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電設(shè)備的信息化和智能化，對刮板輸送機調(diào)速系統(tǒng)的要求也越來越高。本文研究了刮板輸送機智能調(diào)速系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，詳細分析了目前主流的變頻驅(qū)動控制技術(shù)、電機功率平衡控制技術(shù)和采煤機負載協(xié)同調(diào)速控制技術(shù)的技術(shù)原理和實現(xiàn)方案，對實際工作中刮板輸送機智能調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)化改進具有借鑒意義。