自动化技术在煤矿采煤中的应用

赵建平

摘 要：该文对自动化技术在煤矿采煤中的应用原理和结构进行了介绍，分析和对比了发动机和异步电机的工作特性，确立了以异步电机作为煤矿采煤驱动系统的方案，最后根据发动机的各项参数确定原则确定了异步电机的各项参数，最终构建了一个基于自动化控制理论的煤矿采煤系统。

关键词：自动化技术 煤矿 采煤 异步电机

中图分类号：TD407 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）02（c）-0077-01

1 煤矿自动化系统主要控制方式

1.1 恒压频比（V/F）控制

恒压频比控制属于开环调节，通过保持异步电机电压和频率之比近似相同以调节煤矿电机转速的调节方法。V/F控制最大的优点，就是使用简单，没有复杂的算法流程、坐标变换及电机模型辨识过程，用户使用起来十分的容易。而且，由于属于开环控制，即便在负载出现任意扰动的情况下，输出值也保持固定，不会受到什么影响。所以在某些时候，尤其是稳定度要求高的情况下，会采用該种控制方法。但由于其开环控制特性，控制精度低，无法像矢量控制那样实现无偏差控制。这种控制方式主要运用于对精度要求不高的煤矿设备，如风机、水泵等。

1.2 转差率控制

根据电机转速计算公式，转差率控制是通过改变电机转差率的大小来实现对电机转速进行改变的控制方法。主要通过改变电机定子电压和转子电阻的方式进行。小功率电机或者电机转速较慢的情况下会采用转差率控制方法。恒压频比控制和转差率控制方式都是基于电机系统的稳态模型和在稳态运行规律下进行控制的。这两种控制方式无法对电机内部磁场的大小和位置进行控制，因而电机只能实现较为精确的转速控制，而转矩控制能力差。要想精确控制转矩，就必须在动态过程中对电动机的磁场大小和位置进行控制。

1.3 矢量控制（VC）

矢量控制是目前煤矿自动化领域中比较先进的控制方法。交流异步电机是一个十分复杂的系统。矢量控制的基本控制原理就是通过对异步电机定子电流在不同坐标系下进行矢量变换，最终将电流分解为可以分别控制的用于励磁分量和用于产生电磁转矩分量。矢量控制策略的基本思路就是将交流异步电机的耦合变量解耦，实现各个变量的独立控制，使异步电机和直流电机一样，获得良好的控制性能。

1.4 直接转矩控制（DTC）

直接转矩控制技术是基于矢量控制理论而建立的一种新型交流异步电机控制技术，直接转矩控制将不会像矢量控制那样考虑变量解耦的问题，而是直接控制电磁转矩。直接转矩控制不需要将交流异步电机转化为直流电机的数学模型，而只关注电磁转矩的变化。因此，和矢量控制不同，直接转矩控制无需进行复杂的坐标变换和电机数学模型。但是，直接转矩控制也有其缺点，例如低速情况下转矩脉动大，启动电流冲击大等。目前，兆瓦级的大功率电牵采煤设备中直接转矩控制方法运用的较为广泛。

2 自动化系统在煤矿采煤中的应用

2.1 试验台机械结构及总体布置

变速器试验台是一个综合了机械、电气、液压原理的机电系统。其具体工作原理是驱动电机连续输入额定转速和扭矩，以模拟变速器在煤矿采煤工作中的输入工况。由于驱动电机最高转速的限制，往往无法达到发动机最高转速的要求，因此，在驱动电机后加入一个升速齿轮箱，以满足采煤系统的试验能力要求。为了更接近矿区采煤的真实工况，在变速器输入端增加一个惯量盘，其旋转时的转动惯量与在离合器飞轮和传动轴旋转时产生的转动惯量相同。试验台的末端是加载装置及其匹配的冷却系统，它能给变速器施加阻力矩，以模拟设备采煤时的负载和道路阻尼。

2.2 驱动设备的选择

驱动设备需要给试验变速器输入试验所要求的转速和扭矩，驱动设备可以采用内燃机，也可以采用电动机作为输入动力源。两种不同的动力源均有其各自不同的优缺点。采用内燃机作为采煤系统驱动端，使得试验更加接近变速器在采煤应用中的实际工况。但是内燃机也有较多缺点，比如噪声大，产生的废气污染环境，而且内燃机转速和扭矩不易控制，会导致试验结果产生较大的误差。采用电动机作为试验台动力源有噪音小、占地面积小、启停方便、无污染、易于控制等优点。正是因为采用电动机作为试验台动力源具有较多的优点，目前电动机已经广泛应用在各种煤矿传动系统试验设备上。

2.3 加载装置的选择

加载装置在整个采煤系统中为被测变速器施加负载转矩，目前主流的工业设备一般采用测功机作为加载装置。测功机一般用于测试发动机的功率，也可作为齿轮箱、减速机、变速箱试验设备的负载装置。测功机主要由功率吸收、负载调速、转矩调节和冷却部分组成。根据负载转矩输出方式的不同，一般可以将测功机分为水力测功机、电力测功机和电涡流测功机三种。自动化采煤系统一般采用开式布局，在保证试验需求的情况下，基于上表的三种测功机的性能对比，采用电涡流测功机较适合于基础的自动化采煤系统。该文采用一台长沙湘仪动力测试仪器有限公司生产的 CW-150系列电涡流测功机作为研究对象，其额定吸收功率为150kW，额定扭矩为 520N·m，额定转速为2 500rpm。

2.4 发动机速度特性分析

该文所建立的自动化采煤系统模型，选用交流异步电机作为试验台架的驱动系统，驱动试验变速器及负载机构的运转。这里所选用的驱动电机应能完全覆盖被测变速器所匹配采煤设备发动机的全部性能和运行工况，同时还应具备转速和转矩的调节能力。为了使试验结果更加准确，这里我们先要对发动机的速度特性进行简要分析，从而为异步电机参数的确定提供理论依据。

2.5 驱动电机主要参数的确定

在确定了采用交流异步电机作为驱动电机之后，就必须确定驱动电机的各种参数，从而完成异步电机驱动的变速器试验台动力学仿真。而部分电动机参数的确定必须参照发动机相关参数的确定原则，这样才能提高驱动电机模拟发动机驱动的精确度。对于任意的一台异步电机，它的参数例如定子电阻、转子电阻、定子漏感、转子漏感、定转子互感、电机极对数以及转子的转动惯量等是异步电机所固有的参数，需要通过电动机试验进行选定。而对于额定功率、额定转速和额定转矩等动力学参数，需要根据电动机所使用的特定场合进行选定。由于这里是用异步电机模拟汽车发动机作为驱动源，则其动力学参数参照发动机的参数确定则。

3 结语

现阶段，自动化控制技术在煤矿领域中的应用越来越广泛，其性能的优劣直接影响到煤矿采煤的效率。通过模拟设备在实际采煤中的各种工况，从而能有效的检测煤矿设备的各项性能。该文主要研究了煤矿采煤系统及其驱动电机矢量控制系统，通过分析自动化采煤系统的总布置方案，确定了布置结构及其各个组件的选型。对比了发动机和不同类型电机的特性，最终确立了异步电机作为自动化采煤驱动电机的可行性。

参考文献

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[2] 高腾飞.浅谈综合机械化在煤矿开采上的应用[J].大陆桥视野，2010（7X）：205.