采煤機防爆電控箱的設計研究

馬卓宇

（云岡礦機電科， 山西 大同 048000）

引言

礦用防爆交流電牽引（變頻）采煤機電控箱（以下簡稱電控箱）控制采煤機實現采煤作業各種功能，有兩大作用，一是控制采煤機的搖臂和滾筒轉動采煤（通常稱為截割部），二是控制采煤機沿煤壁工作面行走（通常稱為牽引部）。因此做好采煤機防爆電控箱的設計對于保障采煤機的安全運行具有非常重要的現實意義。

1 電控箱的結構設計

1.1 機械結構

電控箱的外形與采煤機的結構布置密切相關。電控箱除控制電動機外，內部一般還設有通訊電路、顯示回路和面板控制設定等功能。防爆型式多為礦用隔爆兼本質安全型。根據采煤機控制功率大小，電控箱的外形大小不同，有一體式，也有分體式，但大多數是一體式。

1.2 電氣結構布置

電控箱由接線腔和隔爆主腔組成。接線腔是動力電纜進出線的地方，并包括弱電控制諸如傳感器信號、通信信號和遠控等接線。隔爆主腔則是采煤機控制的中心，內部分割成不同的控制區域，有截割控制區、牽引控制區和牽引變壓器區等。電控箱的操作顯示部分在面板上，面板按鈕可控制采煤機的起動和停止、牽引速度的升降、輸送機的運行閉鎖等。顯示器通常采用彩色液晶顯示面板，通過串口電路與PLC通信，開機顯示提供操作步驟的提示，運行中實時顯示截割電機、牽引電機、破碎電機和泵電機的電流，采煤機的牽引給定速度等工作參數，以及各電機的溫度等；故障時會給出故障信息；通過面板按鈕可使顯示界面翻頁，查找歷史信息和參數等內容[1]。

2 電牽引控制箱的保護設計

電牽引控制箱的保護主要分兩大部分，一是截割部分的電控保護，另一是牽引部分的保護，這兩塊既有單獨的保護，相互又有聯系。

2.1 截割部分的電控保護

電控箱的總進線由一個隔離開關控制，真空接觸器控制左、右截割電機和油泵電機的起停，也控制牽引回路。

2.1.1 過載、短路、缺相、漏電保護

與常規的真空電磁起動器相比，截割電機的過載保護完全不一樣，具體可參見牽引部分恒功率控制和重載反牽控制。對油泵電機回路，當泵電機嚴重超載時，控制部分輸出信號將使主回路斷電；但短路、缺相、漏電等故障的保護是一樣的[2]。

2.1.2 過熱保護

在左、右截割電機繞組內理設Pt100熱電阻，熱電阻信號直接接入主控制計算機模擬量接口板。當任一合電機溫度達135℃±5℃時，電機降低容量30%運行；溫度達155℃±5℃時，計算機輸出信號使截割電機停止運行。

2.1.3 機載瓦斯斷電控制

當采煤工作面瓦斯濃度超標時，瓦斯傳感器發出信號，斷開采煤機控制回路的瓦斯斷電觸點，使采煤機停止運行。

2.2 牽引部分的保護

電牽引采煤機一般由牽引回路專用的變壓器供電給變頻器，再由變頻器控制牽引電機的運轉。其保護很具有特色，將牽引運行狀態和截割的運行工況結合起來，利用變頻器（或開關磁阻）的恒轉矩恒功率特性，使截割電機自動退出過載狀態，避免由于過載保護引起的保護跳閘，延長使用壽命。

2.2.1 恒功率控制

設置恒功率自動控制，代替常規真空電磁起動器中的過載反時限保護曲線，目的是要充分利用截割電機的功率。采用兩個電流互感器分別檢測兩截割電機的電流，知道截割電機的負荷狀況，電流互感器輸出信號由電機綜合保護模塊進行處理，再通過現場總線傳送給主機進行比較，得到欠載、超載信號。當兩臺截割電機都欠載（如小于0.9倍額定電流）時，發出加速信號，牽引速度增加（最大至給定速度）；當任一臺截割電機超載（大于1.1倍額定電流）時，發出減速信號，直至截割電機退出超載區域，這樣截割電機就不會由于長時間超載而損壞，采煤機也不需要停機。

2.2.2 重載反牽控制

若出現突然的重載荷，當任一截割電機負荷大于1.3倍額定電流時，通過計算機的反牽定時電路使采煤機以給定速度反牽引一段時間后，再繼續向前牽引。重載反牽引功能的設置是為了使采煤機避免嚴重過載，達到保護電機的目的。

2.2.3 牽引電機熱保護

在左、右牽引電機繞組內埋設Pt100熱電阻，其信號直接接入主控制計算機模擬量接口板當任一臺電機溫度達135℃±5℃時，電機降低容量30%運行；電機溫度達155℃±5℃時，計算機輸出信號將使牽引停止。

3 電控箱過程的試驗要求分析

電控箱檢驗也主要分截割部和牽引部兩大部分。

3.1 數制部檢驗

截割的電路基本上出隔離開關；真空接觸器電流互感圖電源組件和控制系統組件常組成，對其檢驗可參肌開關類產品進行對隔離開美進行形能力檢驗，對真空接觸器近行額定接道和分斷能力的驗，其試驗方法和項目可參照GB14048.1的要求。

電控箱很重要的一個檢驗項目是溫升試驗，也是電控箱發放防爆合格證的必檢項目。測量點主要包括各個開關的動靜觸頭、動力主回路電纜、動力線纜的連接點、控制變壓器和電控箱外殼等，試驗時應注意按照電控箱實際使用情況關閉各門蓋。試驗方法按照GB14048.1中規定的低壓大電流法進行，但由于電控箱的動力回路較多，每條回路的實際電流不一樣，因此在試驗中必須注意要同時有幾路大電流發生器輸出不同的電流，以滿足電控箱不同回路溫升試驗的要求，這樣測得的外殼溫度才是準確的[3]。

電控箱的保護項目很多，但由于試驗條件的限制，很多的保護項目不可能讓故障狀況實際發生，所以此類保護試驗可采用模擬法進行。例如電動機的熱保護試驗，就是根據埋置在電機端部繞組的溫度傳感器類型，模擬傳感器輸出信號，看電控箱的保護控制系統是否正常動作；又如漏電保護就是人為地將一可調電阻箱接在主回路和地之間，調低電阻值，使其達到漏電的動作值，此時主回路的開關應跳閘動作。

3.2 牽引部檢驗

牽引部檢驗可分為主牽引變壓器檢驗和牽引變頻器檢驗；對電磁調速采煤機，則是對電磁調速裝置進行檢驗。

牽引變壓器為干式變壓器，鐵芯固定在具有水冷卻的外殼底部，對變壓器的散熱很有好處，是變壓器最有效的散熱渠道。所以在試驗時必須開啟冷卻水，并保證進水溫度保持相對穩定。變壓器的試驗方法參照GB1094.1和JB/T501。

牽引變頻器或開關磁阻控制器必須和實際拖動的電動機形成完整的調速系統才能檢驗，有一拖二形式，也有一拖一形式。不論什么形式，試驗時應模擬實際使用的情況，特別是進行溫升試驗時，對各測量點數據測量的準確性很重要。加載方式可以多種多樣，可用直流加載方式，也可用交流機對拖方式等其他的加載方式。加載直流機雙軸輸出，同時給兩臺交流電機加載，保證加載的同時性，保證變頻器或開關磁阻控制器的輸出是同一狀況，測量的準確性較高。電量測量關鍵是測量儀器儀表的選用，應選擇頻率適應范圍廣的儀器儀表，否則測量數據不準，不足以體現調速系統的特性。

變頻電牽引和開關磁阻電牽引都有相應的行業標次，分別為MT/T1041.2和MT/T1041.3。多數檢驗項目都是在滿負荷的情況下測試的，所以加載改備是檢驗的必要手段，而且加載能力必須覆蓋4個象限，以滿足調速裝置四象限運行狀態的檢驗需要，當加載電機作為發電機運行時，調速系統處于牽引狀態；當加載電機處于電動狀態時，調速系統為制動狀態，這樣在不同頻率下的加載數據就可以組成一條完整的機械特性曲線，如圖1所示。運行頻率范圍為5～83.4 Hz，牽引功率為12×18.5 kW，制動功率為2×10 kW。

圖1 牽引-制動特征曲線示意圖

4 結語

針對采煤機防爆電控箱的設計情況、牽引控制箱的保護系統和防爆電控箱的檢驗情況，基于防爆性能設計的電控箱，成本較低。該設計對今后整體式電控箱箱體的設計具有一定的參考價值和借鑒意義。