變頻調速技術在懸臂式掘進機上的應用分析

王 豪

（晉能控股煤業集團陽城晉圣潤東煤業，山西 晉城 048000）

當懸臂式掘進機正常工作過程中，會經過回轉油缸與升降油缸來使懸臂機構發生復合運動、左右擺動及上下擺動，進而來截割巷道的斷面，而且，回轉油缸與升降油缸的布置是對稱的，通過司機的人工操作來對改變截割頭的擺動速度，當煤巖的硬度有比較大的變化以及有斷層遇見時，就會快速增加截割電機的電流，此時就會有損壞、停機及高溫出現，嚴重磨損截齒，就會有非常強烈的抖動出現在掘進機的機身中，就會改變機身的位置與姿態，極易有欠挖、超挖等現象出現，對斷面的形成質量與掘進效率會有很大的影響[1]。現在，高低速電機被普遍使用到截割電機中，負載所發生的改變會通過切換人工操作手柄的低擋與高擋來實現，此方式不能對不一樣的煤巖硬度所發生的改變來進行適應。切換高低速的擋位會硬沖擊聯結部件，使設備使用周期減少[2]。

在本文中，懸臂式掘進機會對變頻調速技術進行使用，截割變頻器會對其供電電源的頻率進行控制，對截割電機的轉速進行調節，增加其頻率的范圍來無極調速，使其轉矩、速度和煤巖性質是最佳的匹配，進而來對煤巖硬度所發生的改變進行適應[3]。

1 設計最主要硬件的選型

（1）設計截割電機。所使用的截割電機是變頻電機，截割電機的功率、供電電源分別是220kW、1140V；將溫度系數溫控開關安裝在定子繞組中，且該開關的主要作用就是過熱保護繞組，檢測繞組溫度的是溫度傳感器，定子絕緣的等級是200級；而且，其供電電源的頻率中，恒功率與恒轉矩的范圍分別是50~67Hz、0~50Hz。圖1就是其機械特性曲線圖。

圖1 截割電機機械特性曲線

（2）設計截割變頻器。在使用截割變頻器時，會選取機載式二象限運行變頻器來進行使用，該變頻器的功率與供電電源分別是400kW、1140V。控制回路與主回路構成了截割變頻器電氣系統，放/充電模塊、逆變模塊、濾波模塊、整流模塊、輸入電抗器、輸入濾波器、輸入濾波器構成了主回路，PLC、操作按扭、IGBT驅動板、控制回路DSP 板、電源板等構成了控制回路。將溫度異常保護功能、短路保護功能、過載保護功能、瞬間過流保護功能等功能設置到截割變頻器中，在對過載能力進行設置時，可以設置成1.2倍的負載不間斷工作半小時就會報警，若是1.5 倍時，不間斷工作1min 就會停機[4]。由于多個保護功能設置到變頻器中，就可以對控制對象與變頻器進行保護，就會使生產更加高效與安全。圖2就是其電氣系統圖。

圖2 截割變頻器電氣系統

2 掘進機變頻調速電氣系統的構成與原理

傳感器、油泵電機、截割電機、操作箱、截割變頻器及電控箱等構成了掘進機變頻調速電氣系統。截割電機的懸臂振動、溫度、電流等有關參數會被振動傳感器、溫度傳感器與速度傳感器等所采集，還會顯示與儲存到上位機中。對所有回路電機實施瓦斯超限、欠壓、過壓、斷相、過熱、過載、短路等保護的是電控箱[5]；將所有電機的工作情況與電流信息、所有的故障信息、機器的整個狀況的信息、電壓等顯示到電控箱的顯示屏上；將機械聯鎖保護設置到電控箱中，該裝置能夠有效避免斷路器帶載而導致拉閘，所具有的功能就是對截割變頻器、操作箱中的有關數據進行傳輸。截割變頻器可以調節截割電機的速度，所具有的功能就是顯示與采集截割電機的溫度、電流等參數以及對電控箱中的有關數據進行傳輸等。本機的轉載電機、截割電機、油泵電機會被操作箱所操縱，會對所有電機的過載、過熱、漏電以及電流等有關故障信息進行顯示。主控制器有關速度會被截割變頻器所接收，并對指令進行反饋，截割變頻器會對輸出速度與其供電頻率進行調節與控制[6]。

將專用的主控制器使用到掘進機變頻調速電氣系統中，該主控制其所具有的特點是方便維修、性能比較可靠、適應環境的能力強等，新穎的設計理念，所具有的功能是遙控操作與診斷故障等；所有的電氣元件使用的都是進口的，這些進口元件具有較為齊全的保護功能、比較強大的顯示功能。圖3就是其電氣系統圖。

圖3 掘進機變頻調速電氣系統

將CAN總線通信使用到掘進機變頻調速電氣系統中，該方式可以實時對數據進行傳輸，會將雙絞屏蔽線使用到傳輸電纜中，而且CAN總線的優點是防錯設計、比較快的速率、較遠的傳輸距離等，將RS485總線使用到電控箱的主控制器和工業的顯示器中，用RS485 總線來對數據進行傳輸，在通信接口上的雙絞線中傳輸，且雙絞線的數量是1條，所進行的傳輸是雙向的，且是多點的，通過RS485 來將操作箱中的有關數據發送到主控制器中，掘進機的所有電機對應的參數、故障、狀態等信息會顯示到主控制器中[7]。

3 掘進機牽引調速控制的基本原理

對截割牽引調速的技術方案進行明確，繼而來控制牽引速度；對控制牽引速度的有關算法進行制定，設計主要元部件。把其輸出速度進行設置，所設置的擋位有5個，可以對其電流進行檢測，I0-I5是其電流的5個擋位，對截割電機的電流進行判斷，判斷其所處的擋位是哪個，并對每個擋位的標準電流進行計算，其所對應的牽引速度分別是v0-v5；比較所測量的牽引速度v和5個擋位的標準牽引速度，對牽引速度偏差值ev進行計算；經過對電磁閥處的開口流量q進行調節，就對液壓缸的伸縮速度進行控制，對懸臂所產生的牽引速度進行調節[8]。圖4就是其原理圖。

圖4 掘進機截割牽引調速原理

4 應用效果

將EBZ220型掘進機使用到某煤礦，在煤礦實施工業性的試驗，且該掘進機的截割是變頻調速的，截割變頻器的調頻在0~80Hz范圍中，能夠滿足井下所有的地質條件。由于要對其截割變頻調速的使用性能進行驗證[9]，所以，就對其截齒壽命周期與有功功率進行了分析統計，表1就是其有關數據，通過試驗得知，整機能夠可靠與平穩地運行，和工頻截割進行比較，發生故障的頻率明顯下降了，使其截割效能增加，使截齒使用壽命增長[10]。

表1 控制系統有功功率和截齒使用壽命分析

5 結束語

經過將變頻調速加入到懸臂式掘進機電氣系統內，就增加了其調速范圍。變頻調速不但可以將轉矩與截割速度無法對煤巖硬度進行適應這一問題解決好，還將其電流沖擊降低，有效保護了傳動部件，將主要零部件的壽命周期延長，使掘進機可以可靠工作，可以在煤炭行業的廣泛使用。