基于Simulink 的采煤機牽引調速系統的應用研究

孫玉民

（中天合創能源有限責任公司， 內蒙古 鄂爾多斯 017200）

引言

采煤機的調速牽引系統不僅要控制采煤機綜采作業時的截割機構，而且還要控制整機的進給運動，因此，調速牽引系統工作時的穩定性和可靠性直接關系到采煤機綜采作業的效率。現有采煤機的調速牽引控制系統主要是采用了閉環PID 控制[1]的方式對工作時的速度進行調節，因煤礦井下綜采條件惡劣，采煤機受到的振動、沖擊強烈，牽引調速控制系統在工作時普遍存在著反應速度慢、調速穩定性差的缺陷，給采煤機的綜采調速作業帶來了極大的影響，嚴重影響了綜采效率和經濟性。因此，針對現有調速系統的缺陷，提出了一種新的智能調速控制系統。

1 智能調速控制系統原理

在傳統的采煤機調速控制系統中，為了避免采煤機驅動電機在頻繁調節中導致的電機過載損壞現象[2]，均采用了在系統電路中配備過載保護電路的方案，但過載保護電流僅是針對電機進行過載保護，并沒有考慮到實際工作中調速牽引機構中關鍵零部件的可靠性問題，因此，為了確保調速牽引機構工作時的穩定性，在建立智能調速控制系統時，需要該調速系統中引進一套以調速系統關鍵零部件可靠性為依據的閉環控制系統，確保采煤機的牽引調速能夠根據工作時的地質條件的不同而自動調整，其調速牽引控制原理如圖1 所示。

由圖1 可知，該調速牽引智能控制系統以采煤機工作時的截割深度B和井下綜采面煤巖的堅固性系數f為調整依據，然后利用ANN 曲面擬合技術形成一個符合零件可靠性基礎的最優調速模塊算法，該算法能夠在確保采煤機調速牽引系統各零部件最優的情況下形成最大的牽引速度推薦值Vq1，Vq1再通過一個Gain（采煤機牽引部減速機構傳動比）環節，將其調整為最佳的驅動電機工作轉速n1。同時將綜合計算出的截割牽引力合理的分配到各個驅動電機上，作為各個電機的負載轉矩TL，由于牽引電機工作時的實際轉速n和最佳驅動電機工作轉速n1之間存在著一定的差異，此時通過系統上設置的“ASR 轉速調節模塊”[3]對其調整，最終獲得最佳的理想轉矩Te1，該轉矩與牽引電機的三相電流及轉子工作時的角速度ω 一起確定電機的三相定子電流i*ABC，然后系統以此電流作為系統的IGBT[4]（絕緣柵雙極晶體管）的控制開關，通過控制該晶體管的工作狀態來實現對牽引電機的靈活調速，確保對采煤機牽引電機轉速的跟蹤的精確性和快速性。

圖1 智能調速牽引控制系統控制原理圖

2 采煤機牽引調速控制系統的仿真分析

利用Simulink 仿真分析軟件建立采煤機牽引調速控制系統的仿真分析模型，根據采煤機實際運行時的機械參數，設置系統控制電源為600 V，電流的頻率為50 Hz，采煤機牽引機構的驅動電機的額定功率為18.4 kW，工作時的額定電壓為1 140 V。為了模擬采煤機在實際截割作業過程中出現的截割深度和煤巖的堅固性系數發生變化而對調速控制系統的影響，在進行仿真分析時對截割深度B 和煤巖的堅固性系數f設置為頻率分別為2 Hz和4.4 Hz的正弦波動信號。采煤機牽引調速系統根據截割負載的變化自動生成的牽引電機的轉速變化曲線和功率變化曲線如圖2 所示。

由仿真分析結果可知，采煤機啟動后其牽引電機的轉速、機械功率均不斷增加并趨向于穩定，當采煤機牽引電機的轉速達到1 187 r/min 后開始進行截割作業時，其機械功率會迅速增加到9.04 kW，同時對控制系統開始輸入截割深度B和煤巖的堅固性系數f的正弦變化曲線，此時采煤機機械功率和電機轉速則開始呈現近似正弦波的變化曲線，當截割深度B=0.57 m，煤巖的堅固性系數f=2.67 時采煤機的牽引電機的轉速最大，約為1 136.8 r/min，此時所對應的采煤機的牽引速度約為4.76 m/min，采煤機的牽引電機對應的功率約為10.86 kW，遠小于電機的額定功率，說明電機在此工況下工作時具有較大的富裕度，能夠確保截割作業時不會出現超負荷運行，同時也說明4.76 m/min 是采煤機在智能牽引調速控制系統作用下所生產的在確保各關鍵零部件可靠性前提下的最大的牽引速度。

圖2 采煤機牽引調速控制系統的仿真分析結果

在截割作業過程中，采煤機的實際運行牽引速度和控制系統所推薦的最優的牽引速度之間的差值變化曲線如圖3 所示。

圖3 推薦牽引速度與實際運行速度的誤差變化曲線

由對比分析結果可知，當采煤機截割作業穩定后，采煤機牽引調速控制系統所生成的推進牽引速度變化曲線和采煤機實際運行時的速度變化曲線之間的最大誤差僅0.029 m/min，說明該控制系統具有速度調節精度高，跟蹤特性好的優點，能夠滿足對井下采煤機牽引速度連續跟蹤調整的需求。

3 結論

1）該調速控制的基礎是確保采煤機關鍵零部件工作可靠性，因此能夠顯著提升采煤機工作時各零部件的穩定性，極大地降低出現機械故障的概率；

2）采煤機牽引調速控制系統所生成的推進牽引速度變化曲線和采煤機實際運行時的速度變化曲線之間的最大誤差僅0.029 m/min，說明該控制系統具有速度調節精度高，跟蹤特性好的優點，能夠滿足對井下采煤機牽引速度連續跟蹤調整的需求。