矿用刮板输送机调速系统关键技术研究

2021-08-20白轲

机械工程与自动化 2021年3期

白轲

(西山煤电集团技术中心，山西太原 030053)

0 引言

刮板输送机作为煤矿井下重要的运输设备，其技术发展在很大程度上决定了煤炭开采的效率，在新生产的刮板输送机中，各类新技术的应用均能大幅度提高运输效率。本文研究了刮板输送机智能调速系统的三类关键技术——变频驱动控制技术、电机功率平衡控制技术和采煤机负载协同调速控制技术，从技术原理、实现方案和应用特点等方面研究了刮板输送机调速系统的关键技术，为实际工作中新技术的应用提供相应的理论指导。

1 刮板输送机技术

在缓倾斜长臂式采煤工作面，特别是煤层倾角不大于25°时，国内外煤矿均采用刮板输送机来进行煤炭运输，此外刮板输送机也常见于采区平巷、顺槽和联络眼、上下山等运输场景。不同应用环境的刮板输送机只在部件和形式上稍有不同，在结构上均由机头部、机尾部、中间部、附属装置和移溜装置组成。刮板输送机具有运输能力不受货物品质的影响、结构灵活、装载方便、便于伸缩和移动等优点。但是，其电能消耗大，特别是溜槽和链条等部位机械磨损严重，运输距离较短。不管何种结构形式，在向长距离、大功率方向发展的情况下，刮板输送机驱动系统在变频控制技术、电机功率平衡技术和负载协同技术等方面均面临着不少挑战。

2 变频驱动控制技术

变频调速技术是一种基于电力电子技术的电能变换技术，在煤矿这种特殊的应用场合中，又对其提出了防爆性、散热性和谐波抑制等方面的特殊要求。刮板输送机的工作环境狭小，空气流通性差，极易发生瓦斯燃烧或爆炸；变频器产生的谐波可能导致供电电源电能质量下降或者引起保护误动作等故障。因此，变频驱动控制技术须满足防爆、散热性良好和谐波标准。

在采煤过程中，煤层和岩石所受的压力可能会发生剧烈的变化，爆破工作可能导致煤层和岩石砸压刮板输送机，另一方面刮板输送机移动次数有限，启动次数多，电流变化幅度大，这些都导致刮板输送机可能发生电气爆炸，因此驱动装置的外壳需要进行防爆处理，且电路应设计为本质安全型的。变频器装置的发热设备有隔离变压器、开关管、电抗器、电容器等，如果没有良好的散热条件，变频器的使用寿命会大幅度降低。目前常用的散热方案有水冷和散热管两种，由于煤矿井下空间狭小，因此适合采用对腔体要求低的水冷散热方案。变频器的整流管呈现非线性工作特性，这就导致电网中谐波含量大，可能导致电抗器烧坏、低压馈电开关跳闸故障、异常报警等，因此采用输出正弦滤波器、不共用底线、加装金属管接地等抑制谐波的方案。

变频驱动控制技术原理图如图1所示。由于刮板输送机的驱动电机通常只需要工作在电动状态，整流电路一般采用三相桥式不可控整流电路，它由6个整流二极管构成，设计时满足1 140 V电压等级要求和电流额定值即可。滤波电路的作用是将整流电路产生的直流电压滤除交流波动成分，采用小电感和大电容组成的LC滤波器是常用的滤波方案，在谐波电压频率不高的情况下也可以将电感省略，只配置一组大容量的电解电容即可。能耗制动电路的作用是缓冲制动时滤波电容上产生的泵升电压，避免其对开关管产生危害，其工作原理是在电容上并联一个可控制开断的功率电阻，在产生泵升电压时控制功率电阻并联接入电路，消耗多余的能量，不需要的时候此电阻开路不接入电路，没有功率损耗。逆变电路由6个IGBT模块组成，其作用是将直流电容上的直流电变换为频率可变的交流电，选择IGBT时主要考虑其额定电压和额定电流。驱动电路的作用是将控制产生的控制信号进行功率放大，使其具有足够的能力触发逆变电路的开通与关断。

图1 变频驱动控制技术原理图

本文所设计的变频驱动控制电路如图2所示。其中检测到的电流电压信号经过处理后送入DSP的ADC接口部分进行处理。转速信号是由光电编码器测得的，对应DSP的EV模块中的正交编码脉冲QEP接口。光电编码器传来信号后，其电机旋转方向可通过检测两个脉冲序列到达的先后来确定，电机转速可由脉冲数和脉冲频率来确定。PDPINT是DSP的功率保护中断引脚。当电机驱动或者电源逆变器出现故障时，比如过电压、过电流等，该引脚就会使能中断，将PWM输出引脚置为高阻态，该引脚为下降沿的有效中断。

图2 变频驱动控制电路图

3 电机功率平衡技术

由于采煤工作面的不断发展，对刮板输送机的运输能力要求也越来越高，对于重型刮板输送机而言，单电机驱动方式已经不能满足要求，许多型号的刮板输送机采用机头双电机驱动。由于负载和链条结构等变化，两个电机的工作状态常常存在偏差，当一个电机过载另一个电机欠载时，可能发生断链或停机故障，因此刮板输送机智能调速系统需要采用电机功率平衡技术。

本文采用机头机尾电机功率平衡的控制思路：即随着负载的变化，通过调节机头或机尾电机转速来缩小机头、机尾电机的输出转矩差，时刻保持电机负载在额定范围之内运行。采用三台电机驱动的刮板输送机的配置为：机尾单独采用一个电机驱动，机头采用两个电机共同驱动，以上三个电机的额定功率均相等。在采煤工作过程中，刮板输送机除电机运行外，还有其他用电部件，因此为避免电机过载，刮板输送机三个电机的功率总和应不超过总功率的八成。

基于电流识别的功率平衡控制框图如图3所示，将机头电动机电流i1与机尾电动机电流i2进行做差比较，若Δi大于0或小于0，则进入相应的PID调节程序，PID的调节信号控制机头或机尾电动机电枢电流；若Δi恰好等于0意味着机头电机电流和机尾电机电流相等，这种情况下无需进行PID调节，程序停止，等待下一次比较。

图3 基于电流识别的功率平衡控制框图

以机头采用一拖二变频器、机尾采用一拖一变频器的刮板输送机为例，电机功率平衡系统结构如图4所示。电动机类型为隔爆型三相异步电动机，通过CAN总线与变频器连接，将电机定子电流信号传输给变频器，变频器同样通过CAN总线将数据传输给控制器，控制器在接收到机头、机尾各电机电流信号后，经过特定算法计算，给定变频器转速值，令变频器输出相应的驱动电流，实现闭环控制，在控制器的统一控制下，实现各异步电机转速和转矩的均衡。

图4 电机功率平衡系统结构

4 负载协同调速技术

综采“三机”(采煤机、液压支架和刮板输送机)是煤矿井下主要采煤机电设备，各设备对于综采工作面工作的连续性都具有重要意义，三者之间的协调工作更是直接决定了煤矿开采的经济效益和效率。刮板输送机和采煤机的关系最为密切，随着开采过程中采煤机的速度、位置和方向的不断调整，刮板输送机也需要跟随调整，如果二者之间没有设计良好的协同调速关系，将会导致“大马拉小车”、运输能力不匹配、“压溜”超载等现象，因此刮板输送机负载协同调速技术具有重要意义。

刮板输送机和采煤机协同调速控制技术包括连锁运行、刮板输送机智能延时停机和顺序启停控制、协同调速控制等。一方面由于采煤机和刮板输送机的速度滞后性，另一方面由于开采过程中煤量的变化，因此采煤机对刮板输送机的影响也是滞后的。在协同调速控制中，可将驱动电机的电枢电流作为煤量负载的表征，根据电机电流的历史数据对未来的负载情况进行预测，能够在一定程度上补偿控制的延时性。通过粒子群多目标优化算法对载煤量、采煤机位置和运行方向进行分析，在一个割煤循环中实现协同速度规划，将规划的速度值作为目标跟踪值。通过BP神经网络算法，以刮板输送机电机电流为输入，能够在一定范围内准确预测煤量负载。在模糊PID算法控制下，将采集的采煤机牵引速度和刮板输送机链速作为速度闭环的输入，实现刮板输送机和采煤机速度闭环控制。基于粒子群多目标优化算法的刮板输送机负载协同调速控制方案如图5所示。