采煤机防爆电控箱的设计研究

2020-07-07马卓宇

机械管理开发 2020年5期

马卓宇

（云冈矿机电科，山西大同 048000）

引言

矿用防爆交流电牵引（变频）采煤机电控箱（以下简称电控箱）控制采煤机实现采煤作业各种功能，有两大作用，一是控制采煤机的摇臂和滚筒转动采煤（通常称为截割部），二是控制采煤机沿煤壁工作面行走（通常称为牵引部）。因此做好采煤机防爆电控箱的设计对于保障采煤机的安全运行具有非常重要的现实意义。

1 电控箱的结构设计

1.1 机械结构

电控箱的外形与采煤机的结构布置密切相关。电控箱除控制电动机外，内部一般还设有通讯电路、显示回路和面板控制设定等功能。防爆型式多为矿用隔爆兼本质安全型。根据采煤机控制功率大小，电控箱的外形大小不同，有一体式，也有分体式，但大多数是一体式。

1.2 电气结构布置

电控箱由接线腔和隔爆主腔组成。接线腔是动力电缆进出线的地方，并包括弱电控制诸如传感器信号、通信信号和远控等接线。隔爆主腔则是采煤机控制的中心，内部分割成不同的控制区域，有截割控制区、牵引控制区和牵引变压器区等。电控箱的操作显示部分在面板上，面板按钮可控制采煤机的起动和停止、牵引速度的升降、输送机的运行闭锁等。显示器通常采用彩色液晶显示面板，通过串口电路与PLC通信，开机显示提供操作步骤的提示，运行中实时显示截割电机、牵引电机、破碎电机和泵电机的电流，采煤机的牵引给定速度等工作参数，以及各电机的温度等；故障时会给出故障信息；通过面板按钮可使显示界面翻页，查找历史信息和参数等内容[1]。

2 电牵引控制箱的保护设计

电牵引控制箱的保护主要分两大部分，一是截割部分的电控保护，另一是牵引部分的保护，这两块既有单独的保护，相互又有联系。

2.1 截割部分的电控保护

电控箱的总进线由一个隔离开关控制，真空接触器控制左、右截割电机和油泵电机的起停，也控制牵引回路。

2.1.1 过载、短路、缺相、漏电保护

与常规的真空电磁起动器相比，截割电机的过载保护完全不一样，具体可参见牵引部分恒功率控制和重载反牵控制。对油泵电机回路，当泵电机严重超载时，控制部分输出信号将使主回路断电；但短路、缺相、漏电等故障的保护是一样的[2]。

2.1.2 过热保护

在左、右截割电机绕组内理设Pt100热电阻，热电阻信号直接接入主控制计算机模拟量接口板。当任一合电机温度达135℃±5℃时，电机降低容量30%运行；温度达155℃±5℃时，计算机输出信号使截割电机停止运行。

2.1.3 机载瓦斯断电控制

当采煤工作面瓦斯浓度超标时，瓦斯传感器发出信号，断开采煤机控制回路的瓦斯断电触点，使采煤机停止运行。

2.2 牵引部分的保护

电牵引采煤机一般由牵引回路专用的变压器供电给变频器，再由变频器控制牵引电机的运转。其保护很具有特色，将牵引运行状态和截割的运行工况结合起来，利用变频器（或开关磁阻）的恒转矩恒功率特性，使截割电机自动退出过载状态，避免由于过载保护引起的保护跳闸，延长使用寿命。

2.2.1 恒功率控制

设置恒功率自动控制，代替常规真空电磁起动器中的过载反时限保护曲线，目的是要充分利用截割电机的功率。采用两个电流互感器分别检测两截割电机的电流，知道截割电机的负荷状况，电流互感器输出信号由电机综合保护模块进行处理，再通过现场总线传送给主机进行比较，得到欠载、超载信号。当两台截割电机都欠载（如小于0.9倍额定电流）时，发出加速信号，牵引速度增加（最大至给定速度）；当任一台截割电机超载（大于1.1倍额定电流）时，发出减速信号，直至截割电机退出超载区域，这样截割电机就不会由于长时间超载而损坏，采煤机也不需要停机。

2.2.2 重载反牵控制

若出现突然的重载荷，当任一截割电机负荷大于1.3倍额定电流时，通过计算机的反牵定时电路使采煤机以给定速度反牵引一段时间后，再继续向前牵引。重载反牵引功能的设置是为了使采煤机避免严重过载，达到保护电机的目的。

2.2.3 牵引电机热保护

在左、右牵引电机绕组内埋设Pt100热电阻，其信号直接接入主控制计算机模拟量接口板当任一台电机温度达135℃±5℃时，电机降低容量30%运行；电机温度达155℃±5℃时，计算机输出信号将使牵引停止。

3 电控箱过程的试验要求分析

电控箱检验也主要分截割部和牵引部两大部分。

3.1 数制部检验

截割的电路基本上出隔离开关；真空接触器电流互感图电源组件和控制系统组件常组成，对其检验可参肌开关类产品进行对隔离开美进行形能力检验，对真空接触器近行额定接道和分断能力的验，其试验方法和项目可参照GB14048.1的要求。

电控箱很重要的一个检验项目是温升试验，也是电控箱发放防爆合格证的必检项目。测量点主要包括各个开关的动静触头、动力主回路电缆、动力线缆的连接点、控制变压器和电控箱外壳等，试验时应注意按照电控箱实际使用情况关闭各门盖。试验方法按照GB14048.1中规定的低压大电流法进行，但由于电控箱的动力回路较多，每条回路的实际电流不一样，因此在试验中必须注意要同时有几路大电流发生器输出不同的电流，以满足电控箱不同回路温升试验的要求，这样测得的外壳温度才是准确的[3]。

电控箱的保护项目很多，但由于试验条件的限制，很多的保护项目不可能让故障状况实际发生，所以此类保护试验可采用模拟法进行。例如电动机的热保护试验，就是根据埋置在电机端部绕组的温度传感器类型，模拟传感器输出信号，看电控箱的保护控制系统是否正常动作；又如漏电保护就是人为地将一可调电阻箱接在主回路和地之间，调低电阻值，使其达到漏电的动作值，此时主回路的开关应跳闸动作。

3.2 牵引部检验

牵引部检验可分为主牵引变压器检验和牵引变频器检验；对电磁调速采煤机，则是对电磁调速装置进行检验。

牵引变压器为干式变压器，铁芯固定在具有水冷却的外壳底部，对变压器的散热很有好处，是变压器最有效的散热渠道。所以在试验时必须开启冷却水，并保证进水温度保持相对稳定。变压器的试验方法参照GB1094.1和JB/T501。

牵引变频器或开关磁阻控制器必须和实际拖动的电动机形成完整的调速系统才能检验，有一拖二形式，也有一拖一形式。不论什么形式，试验时应模拟实际使用的情况，特别是进行温升试验时，对各测量点数据测量的准确性很重要。加载方式可以多种多样，可用直流加载方式，也可用交流机对拖方式等其他的加载方式。加载直流机双轴输出，同时给两台交流电机加载，保证加载的同时性，保证变频器或开关磁阻控制器的输出是同一状况，测量的准确性较高。电量测量关键是测量仪器仪表的选用，应选择频率适应范围广的仪器仪表，否则测量数据不准，不足以体现调速系统的特性。

变频电牵引和开关磁阻电牵引都有相应的行业标次，分别为MT/T1041.2和MT/T1041.3。多数检验项目都是在满负荷的情况下测试的，所以加载改备是检验的必要手段，而且加载能力必须覆盖4个象限，以满足调速装置四象限运行状态的检验需要，当加载电机作为发电机运行时，调速系统处于牵引状态；当加载电机处于电动状态时，调速系统为制动状态，这样在不同频率下的加载数据就可以组成一条完整的机械特性曲线，如图1所示。运行频率范围为5～83.4 Hz，牵引功率为12×18.5 kW，制动功率为2×10 kW。