采煤機的負載特性及變頻調速實踐

閆建宙

（山西鄉寧焦煤集團有限責任公司， 山西 臨汾 042100）

引言

煤巖是采煤機的工作對象，具有不均勻性并且隨著煤層的不同，截煤阻抗發生了巨大的變化。為了改進采煤機的工況，提高采煤機的工作效率，對采煤機的負載與恒功率控制進行了研究。MG250/600-WD1型點牽引采煤機根據煤層的性質變化對采煤機的牽引速度進行適度的調節，使用了恒功率自動控制回路，以達到更深一步改變截割厚度的目的。通過變化滾筒進給量使采煤機的負載發生改變，減少煤質硬度變化對采煤機造成的過載與沖擊[1]。

1 采煤機的負載特性

采煤機的作業地點在井下，工作環境較為復雜惡劣，且煤層的物理性能穩定性較差，硬度變化劇烈，所以為了保證采煤機工作的持續性與穩定性，采煤機的負載功率與力學性能研究尤為重要。據相關資料表明，采煤機的螺旋滾筒在作業時沿其他方向的運動量與沿其軸向的運動量相比，沿軸向的運動量更小，因此，為了使問題更加簡單清楚，暫時忽略滾筒向上時搖臂的振動與滾筒在軸向上的位移，假設螺旋滾筒的軸線與采煤機的牽引方向相互垂直，并且不考慮采煤機傳動齒輪中的齒輪彈性與位于采煤機下方的運輸機彈性。通過上述簡化，能夠精確地分析采煤機的恒功率調速[2]。

2 控制系統模型分析

2.1 采煤機調速原理分析

在交流電牽引采煤機的恒功率控制系統中，先給控制器以參照電壓，其次通過控制器進行計算并分析，發射對于變頻器的控制電壓的信號，同時變頻器將控制電壓轉換為頻率以供給牽引電動機，達到控制牽引電機順利運轉的目的[3]。負載傳感器會在煤壁硬度發生改變時將截割電機發出的負載電流信號進行放大、數模轉化、濾波等處理方式，并將其傳送給控制器，最后將負載電流信號與給定的額定功率相比較，并通過控制器發出控制調節電壓。交流電牽引采煤機的調速原理圖如圖1所示。

圖1 交流電牽引采煤機的調速原理圖

2.2 牽引部電動機數學模型分析

變頻器向三相異步電動機供電時（見圖2），為了使得低頻時磁通不變，則可以將變頻器所設置適當的電壓提升。

圖2 三相異步電動機等效模型圖

式中：K1表示牽引電動機啟動轉矩倍數，為7；I1e表示額定定子線電流，為76 A；P表示牽引電動機極對數，取2；U1表示牽引電動機額定電壓，取380 V；f為工頻電頻率，取50 Hz；ne表示額定轉速為1472 r/min；Km表示啟動轉矩倍數，取1.8；Pe表示截割電動機額定功率，為250 kW；p為轉動慣量，為13.6 N·m2。將以上參數代入公式（1）與公式（2），可得出模型內的參數為Kt=30；Am=11.3。

2.3 變頻器數學模型分析

假設所使用的變頻器為FVR015G7S-4EX，該變頻器最大輸入為10 V，輸入頻率50 Hz，且限幅值為10 V，輸出頻率 0～120 Hz，K2=50/10=5 Hz/V，其中，K2為輸入頻率，加減速時間為6 s，該變頻器的等效模型如圖3所示。

3 采煤機整機的等效模型分析

通過Matlab/Simulink工具，根據上述采煤機的動力學模型、變頻器模型、電動機模型，對采煤機變頻調速仿真圖進行了設計，如圖4所示。

圖3 變頻器的等效模型

圖4 采煤機的變頻調速仿真圖

在模型圖中，分別設置了采煤機進行上坡采煤的牽引力、速度、加速度以及截割功率等參數的仿真輸出口，并且通過對模型圖進行修改，即可仿真采煤機下坡以及水平狀態采煤時的工況。其中，恒功率調速系統發揮了保障采煤機持續處于滿負荷狀態的作用，進而使得采煤機的工作效率有所提升，很好地解決了采煤機過久保持欠載狀態的問題。

4 結語

電牽引采煤機作為煤礦開采作業面中的關鍵設備，其截割效率直接決定了煤礦作業面的生產效率，本文在研究電牽引采煤機截割恒功率調速控制系統的基礎上，確定了該控制系統的結構優化路徑，對合理設計電牽引采煤機恒功率調速控制系統、改善采煤機的工作性能和提高生產率具有重要意義和參考價值。

[1]徐志鵬，王忠賓.基于粒子濾波的采煤機截割負載特性分析[J].煤炭學報，2011，36（4）：696-700.

[2]毛君，苗立野，謝苗.采煤機截割部動力學特性及可靠性研究[J].機械強度，2015，37（5）：880-885.

[3]陳穎.采煤機負載特性及其對截割部可靠性影響研究[D].阜新：遼寧工程技術大學，2011.