电牵引采煤机牵引特性及调速系统浅析.pdf

电 牵引 采煤机牵引 特性及调速系统浅析 辽源职业技术学院 吉林1 3 6 2 0 1 刘温暖 【 摘 要】介绍了电牵引采煤机的特点、组成及牵 引特性；分析 了 直流电动机牵引系统、交流电动机牵引 系统及开关磁阻电动机牵引系统。 【 关键词l电牵引采煤机 牵引特性 调速系统 一 、前言 电牵引采煤机由电动机直接进行 自身的牵引，使 采煤机在刮板输送机上按照采煤机的工作要求自动调速 行走。省去了原来采用的液压牵引系统，传动效率高。 电牵引采煤机应用直流电动机调速、交流变频电动机调 速及开关磁阻电动机调速等新技术 ，由可编程序控制 器、单片机等对牵引系统进行控制及保护，使采煤机具 有良好的调速性能；完善的控制及保护功能。 ，电牵弓 l 采煤机电气控制系统的组成 电牵引采煤机型号多，功率不同，电气控制系统 结构各异。主要 由电气控制箱内的开关室、牵引控制 室、变压器室等组成。电牵引采煤机的机械动力由电动 机提供，功率较大的截割电动机带动采煤机滚筒的旋 转，牵引电动机驱动采煤机的行走 ，液压泵电动机为 采煤机液压系统提供动力，控制采煤机的相 关动作的执行。大中型采煤机一般有4 ～7 台 电动机。分别是截割电动机 功率最大，两 台三相交流电动机，不需调速；牵引电动 机；液压泵电动机；破碎电动机等 ，总装机 功率约5 0 0 - 2 O 0 0 k W，供电电源电压等级为 6 6 0 V、 1 1 4 0 V、 3 3 0 0 V。上述电动机的控 制、保护、调速等由相应的控制及调速设备 实现 。 三、电牵引采煤机的牵引特性 1 ． 恒功率及恒牵引力特性 采煤机在割煤时由牵引系统驱动在刮板输送机上 行，牵引力应克服行走阻力。行走阻力包括三个方面 采煤机与输送机之间的摩擦阻力， 下滑力及滚筒的截割 阻力。摩擦阻力随输送机的表面状况、铺设质量、弯曲 程度及煤炭堆积情况而变化；下滑力与输送机的倾角有 关；截割阻力随着煤层的硬度及厚度、滚筒的采高及截 深、采煤机牵引速度等因素发生变化。要使采煤机能最 大限度地发挥工作能力，又必须保证牵引力在一定的范 围内变化，不超过采煤机的牵引能力。最大牵引力的包 络线称为采煤机的牵引特性。 采煤机的牵引特性如图1 a 所示 ，图中D～ 为截割 速度， 为最大截割速度。 ～ 为调动速度。为了充 分发挥采煤机的工作能力，要求牵引系统在采煤机割煤 的过程中，牵引速度从零至 的范围内变化，允许最大 牵引力是恒定的，称为恒牵引力特性。在恒牵引力特性 区段，牵引功率与牵引速度成比例变化，在 点时牵引 功率达到最大值。采煤机在调动时，要求牵引速度较 高，此时没有截割阻力，所需牵引力较小，为了充分利 厂 Om1 0 u u 、 ＼ ’ 、 ． ． ．．．．．．．．．一 b 图1采煤机牵引特性 a 牵 引特性 b 四象限牵 引特性 2 0 0 9 第l n _ e t lOb ,It 第l 期 、 ww ．州x ． 税一 ．圣 “ 用 通 。 何 金 ． Ⅲ 冶 冶金／ 矿山通用机械 I 6 w i n l h , t a l h l u ／ ． ， f ， l n d u s o l 用牵引电动机的功率，在 ～V m 这一速度区段应具有恒 功率的特性。采煤机牵引系统的最大输出应具有图l a 所 示的特性。该牵引特性由截割速度和调动速度组成，采 煤机运行在牵引特性曲线的范围内。 2 ． 四象限牵引特性 采煤机工作时需两个方向运行 ，以某一方向速度 为正，则相反方向为负。通常采煤机在牵引力作用下前 进，而当采煤机沿倾斜工作面向下坡方向调动时，下滑 力的作用方向与运动方向相同，如果输送机倾斜角度 大，下滑力有可能大干摩擦阻力，采煤机就可能自行下 滑，如果没有有效的制动力，下滑速度将会越来越快， 甚至出现事故。这就要求牵引系统提供与采煤机运行方 向相反的制动力，将电牵引力变为制动力，使采煤机按 司机所要求的速度安全下放。要求采煤机的牵引系统能 两个方向牵引，还要做到既能提供与采煤机运动方向一 致的牵引力，又能提供与采煤机运动方向相反的制动 力。这就是通常所说的四象限牵引特性。如图1 b 所示。 图中第一、四象限 0 ，采煤机正向运行 ；第二、三象 限 0 ，采煤机反向运行。第一、三象限牵引力F与运 动方向 相同，牵引系统提供牵引力；第二、四象限牵 引力鹃 运动方向 目 反，牵引系统提供制动力。 3 ． 截割电动机功率调节特性 采煤机截割 电动机的负载大小与煤层硬度、煤层 夹矸厚度、夹矸硬度、采高、截深及牵引速度等因素有 关。诸因素中除牵引速度外，其他因素都是由自然条件 决定的。这种对截割电动机负载的影响可通过调节牵引 速度来补偿。 采煤机在割煤的过程中，牵引速度越快，生产效 率越高 ，截割电动机的负载也加重。如果牵引速度过 高，就有可能使截割电动机过载。生产中既要充分发挥 采煤机的生产能力，又要保证截割电动机的安全，使截 割电动机保持满载而不过载，这就需要根据截割电动机 的负载情况随时调节牵引速度，截割电动机负载过重时 降低速度，截割电动机负载过轻时提高速度。采煤机牵 引系统具有 自 动调节牵引速度，使采煤机工作在额定状 态下的性能，把这种性能称为恒功率调节性能。采煤机 的牵引系统应具备割煤速度段的恒牵引力调速特性、调 动速度段恒功率调速特性及四象限牵引特性。 四，电牵引采煤机调速系统 要达到上述牵引特性，必须选择先进的牵引电动 6 4 咖。 机调速系统。电牵引采煤机主要有直流电动机、交流电 动机、开关磁阻电动机牵引调速系统。 1 ． 直流电动机牵引系统 E l e c t r a 1 0 0 0 系列电牵引采煤机采用直流电动机牵 引系统，如图2 所示。牵引电动机为直流他励方式，为 了功率平衡 ，2 台直流牵引电动机的电枢绕组串联后， 接于电枢控制模块的输出端；励磁绕组串联后接于励磁 控制模块的输出端。由微处理器为核心的自 动控制系统 实现采煤机的控制及保护；牵引状态显示、牵引特性的 四象限运行及恒功率调节。美国产J OY 久益6 L S 采 煤机也属于直流电动机调速。采煤机牵引电动机采用的 是直流串励电动机。应用是“ 交一 直” 调压技术，进 行牵引速度的调整。直流电动机结构复杂，维护检修工 作量大，是电牵引早期使用的技术。 图2 E le c t r a l O 0 0直流电动机牵引系统 2 。 交流电动机牵引系统 美国产J O Y 久益7 L S 采煤机牵引电动机采用的 是交流电动机牵引系统。牵引电动机为交流感应异步电 动机，由变频器提供频率可变的交流电源，实现采煤机 的调速。其关键技术是变频器。 变频器可分为 “ 交 一交”及 “ 交直 一交”两 种形式。 “ 交一交”变频器可将工频交流直接变换成 频率、电压均可控制的交流，又称直接式变频器。而 “ 交一直一交”变频器则是先把工频交流电通过整流器 变为直流电，然后再把直流电变换成频率、电压均可控 制的交流电，它又称为间接式变频器。 “ 交直一交”变频器的基本构成如图3 所示 ，由 主电路和控制电路组成。主电路包括整流器，中间直流 环节及逆变器。控制电路由运算电路、检测电路、控制 信号的输入、输出电路及驱动电路等构成。 1 整流器电网侧的变流器，又称整流器，把 图3变频器的基本构成 三相交流电整流变成直流电。 2 逆变器负载侧的变流器，又称逆变器。最 常见的结构形式是利用6 个半导体主开关器件组成的三 相桥式逆变电路。若能有规律地控制逆变器中主开关器 件的通断，可以得到任意频率的三相交流电输出。 3 中间直流环节由于逆变器的负载为异步电 动机，属于感性负载，无论电动机处于电动或发电制动 状态，其功率因数总小于l 。因此 ，在中间直流环节和 电动机之间总会有无功功率的交换。这种无功能量要靠 中间直流环节的储能元件电容或电感缓冲，又称中间直 流储能环节。 4 控制电路控制电路一般由运算电路 、检测 电路、控制信号的输入、输出电路及驱动电路等构成。 其主要任务是完成对逆变器的开关控制；对整流器的电 压控制及完成各种保护功能等。控制方法采用模拟控制 或数字控制。高性能的变频器采用微型计算机进行全数 字控制，采用尽可能简单的硬件电路，靠软件支持完成 各种控制功能。 3 ． 开关磁阻电动机牵引系统 开关磁阻电动机牵引系统 S wi c h e d R e l u c t a n c e D r i v e ，简称S R D 控制器，以其独特的调速性能运用 于矿山机械的电力拖动中， 如采煤机调速系统。 S R D 系统框图如图4 所示。该系统由开关磁阻电动机本体及 控制系统两部分组成。整个调速控制系统主要由开关磁 阻电动机、功率变换器、转子位置、电流检测器和控制 器五部分组成。 1 开关磁阻电动机开关磁阻电动机 S R M 是一种新型的电动机。该电动机起动转矩大，起动电流 小，低速性能好，调速范围宽，易于实现各种特殊要求 的转矩速度特性；电动机结构简单、坚固、成本低； 可方便进行软起动及四象限运行，还有再生制动能力； 缺点是噪声大，低速运行时转矩脉动大。随着这一新技 术的不断完善，问题会得到解决。 2 功率变换器 功率变换器向开关磁阻电动机 提供运行所需的电能，是连接电源和电动机绕组的功率 开关部件。功率变换器的作用有二，一是起开关作用， 给各相绕组提供周期性的脉冲电流，以产生一个移动的 磁场为开关磁阻电动机提供能量；二是为绕组的储能提 供回馈电能的续流通道。 3 转子位置检测器转子位置检测器是定、转 子的相对位置信息的提供者，控制器从而确定对相应的 绕组进行通、断电。一般采用光电式位置传感器。 4电流检测器开关磁阻电动机在低速运行 时，常采用电流斩波控制，高速运行时常采用单脉冲控 制，均需要电流检测，从而为C P U 提供电流反馈信息。 一 般选用霍尔元件、磁敏电阻等进行电流的检测。 5 控制器 是调速系统的核心 ，综合处理转速 给定、速度反馈信号及位置传感器和电流传感器的反馈 信息，对功率变换器发出控制信号，实现功率变换器对 开关磁阻电动机的驱动。常采用以高性能微控制器为核 心的数字化控制系统，由具有较强的信息处理功能的 C P U和数字逻辑电路及接口电路等部分组成，配合系统 软件实现各种控制，使得开关磁阻电动机在成本、效 率、调速性能等与当前广泛应用的变频调速感应电动机 系统相比，具有明显的优势及竞争力。 以上三种电牵引采煤机调速 系统是 目前国内外采 煤机应用的主流技术。使用较多的是交流电动机牵引系 统 ，有发展前途的是开关磁阻电动机牵引系统。 参考文献 【 1 】 杨路东． 电牵引采煤机控制器系统的优化设计【 J 】 ． 煤矿 机电 ，2 0 0 8 2 ． 、 J l 匦亟 ． _ { 1 位置检测器h l 医 五 ； ； 一 I J 一 t 垌 丽衰 图4 S R D 系统框图 【 2 】 梁涛，宋建成，曲兵妮，等． 基于 S R D驱动的刮板输送机调速系统 研究【 J 1 ． 煤矿机电，2 0 0 8 2 ． 【 3 】 郭海，穆连生，等． 高产高效矿井 综连采电气技术【 M】 匕 京煤炭 工业出版社，2 0 0 5 ． GI r l 第1 期 G l V 、 l t ． 1 、 I g M ．M 6 52009 IICI 第 1期、v、v、v ．1、 ． 税 用 遁 矿 州 金 冶