采煤機變頻調速節能控制技術研究

閆建宙

（山西鄉寧焦煤集團有限責任公司， 山西 臨汾 042100）

1 采煤機變頻調速裝置的基本介紹

采煤機變頻調速控制裝置是電牽引采煤機的重要構件。根據電牽引采煤機的工作要求，其需要通過不間斷的方向轉換來實現煤炭切割。而采煤機變頻調速裝置就是實現轉向控制的核心，其與采煤機的作業效率直接相關。采煤機變頻調速控制裝置所采用的是變頻調速技術。變頻調速技術是一種集電流交換技術、電子電力技術、微計算機技術等技術于一身的綜合性電氣技術。其工作的主要原理就是根據電機轉數與工作電源入頻率的正比關系，轉速等于60倍的輸入頻率*1-電機轉差數載除以電機磁極對數[2]。對于電機的轉速n而言，其公式為

式中：np為極對數；f為定子供電頻率；s為轉速差。

三相交流電動機轉矩是決定變頻調速的主要指標，并對供電的電壓以及頻率的比值進行分析和決定。換言之，要控制相關電機的轉速，必須要對兩個參數進行控制，一方面要對供電頻率進行有效調節，另一方面要對供電的電壓進行有效調節。那么具體來講對變頻調速裝置就可按照相關主要參數的控制方式分為三種，分別是轉矩控制（DTC），矢量控制（VC）以及恒壓控制（U/f）

2 采煤機變頻調速裝置的選擇依據

對于不同的控制裝置要如何選擇需要綜合多項因素進行考量，包括成本、工作需求等。具體來講在選擇變頻調速裝置時需要遵循以下條件：第一，裝置的啟動力矩要滿足大負載啟動的需求，并保持工作穩態，且能夠在重復工況下多次啟動，確保每次的響應速率、復負載沖擊能夠達到標準；第二，需要具備低速轉矩、靜態機械特性硬度大的需求。這是因為采煤機在作業時可能遭遇不同的采集條件，并非一直水平作業，需要能夠應對傾角的勢能負載情況，包括重力和摩擦力；第三，具有即時制動的能力。也就是說能夠在遭遇突發情況的條件下建立足夠的輸出力矩，通過機械制動和電控系統即時作出反應；第四，要求主從牽引電機能夠同步、平穩，主要針對轉速、轉矩這兩項參數的輸出；第五，能夠應對惡劣復雜工況下的采煤需求，及時散熱和除振，保持結構緊湊，利于行走。

3 采煤機變頻調速節能控制技術的對比分析

為了研究這兩種控制方式的優劣以及適應性，本文通過試驗設計的方式進行技術對比分析。

3.1 試驗的基礎

為了驗證矢量控制和恒壓控制的優劣，選擇兩種控制方式均無使用速度傳感器（PG）的方式來進行調速控制，并且在開關狀態控制和逆變器開關控制方式上有所差異。其中矢量控制方式時開關的狀態是基于電動機勵磁電流和轉矩電流變量的。因此在運行過程中機械速度是計算變量的關鍵，需要對電動機軸的速度和位置反饋進行系統計算。逆變器的開關則是由PWM調制器進行給定的；而對于恒壓控制方式來講，其開關的狀態是由電的電壓以及頻率的比值進行分析和決定的，所形成的比率曲線不同，對開關實現控制，這是在給定速度下完成的。逆變器的開關控制與矢量控制方式相同，都是由PWM調制器進行給定的。在此種條件下，完成對試驗的設計和實施[3]。

3.2 試驗的設計與實施

根據影響控制方式的核心參數，本文選擇在牽引電纜5 m/305 m兩種狀態下進行性能比對，并且設置相應的測量點，對每個點位上變頻調速裝置的輸出電流/電壓，輸出頻率、轉速、轉子軸輸出空濾、轉矩等重要參數進行測量。為了方便對數據進行收集，減少人為失誤帶來的影響。選擇使用軟件Drivewizard與變頻調速裝置進行聯動，根據控制方式的不同，要求在恒壓控制條件下將電機設定為旋轉型自學習，而在矢量控制條件下將電機設定為線間電阻自學習。在保障電機的工況滿足設定條件的情況下進行數據收集，對電動機在空載、80%額定電流、額定電流三種電流負載條件下進行試驗。

3.3 試驗結果

根據給定的試驗條件，運用軟件對5 m/305 m條件下的數據進行收集，所采集的結果如表1、表2所示，表中1為恒壓控制，2為矢量控制。其中內部轉矩僅可采集矢量控制條件下的數據。

表1 5 m牽引電纜的部分試驗數據

表2 305 m牽引電纜的部分試驗數據

3.4 試驗結果分析

根據表1表2的試驗結果對數據進行分析。根據表1中試驗數據收集情況來看，在5 m條件下，空載到穩態中兩種控制方式的性能參數比較相近。在給定頻率不同的條件下，二者都能夠在額定電流下達到額定的負載轉矩。從上述數據來看，轉矩控制的精度和穩定情況對矢量控制的實現最為關鍵，閬中牽引電纜條件下，矢量控制的電動機轉矩和內部額定轉矩基本上對應，并隨負載進行變動。其整體的調節能力基本上能夠滿足轉向需求。對比相同給定頻率下305 m牽引電纜恒壓控制和矢量控制的參數，矢量控制分別能夠在3 Hz、5 Hz等達到穩定輸出，并順利達到額定轉矩，但是恒壓控制卻出現不穩定或者額定轉矩不達標的情況。由此可見，在低頻條件下，矢量控制要優于恒壓控制方式。

4 結語

采煤機變頻調速節能控制技術的應用對增加煤礦企業的經濟效益、節約企業工作中的經濟成本、不斷提高煤礦可開采能力都有著重要的突破。通過U/f恒定控制、矢量控制等，能夠減少采煤機故障，提高工作效率。通過實驗分析對比來看，在低頻工況下，矢量控制的變頻調速裝置要優于恒壓控制的變頻調速裝置。

[1] 魯曉輝，張全柱，鄧永紅.交流傳動互饋試驗系統在采煤機上的應用研究[J].華北科技學院學報，2016，13（3）：79-84.

[2] 宋曉陽.帶式輸送機變頻調速節能控制系統研究[J].工程技術，2016（13）：385.

[3] 楊峰，程雷.帶式輸送機變頻跟隨控制技術的研究與運用[J].工程技術，2016（9）：339.