采煤机的负载特性及变频调速实践

闫建宙

（山西乡宁焦煤集团有限责任公司， 山西 临汾 042100）

引言

煤岩是采煤机的工作对象，具有不均匀性并且随着煤层的不同，截煤阻抗发生了巨大的变化。为了改进采煤机的工况，提高采煤机的工作效率，对采煤机的负载与恒功率控制进行了研究。MG250/600-WD1型点牵引采煤机根据煤层的性质变化对采煤机的牵引速度进行适度的调节，使用了恒功率自动控制回路，以达到更深一步改变截割厚度的目的。通过变化滚筒进给量使采煤机的负载发生改变，减少煤质硬度变化对采煤机造成的过载与冲击[1]。

1 采煤机的负载特性

采煤机的作业地点在井下，工作环境较为复杂恶劣，且煤层的物理性能稳定性较差，硬度变化剧烈，所以为了保证采煤机工作的持续性与稳定性，采煤机的负载功率与力学性能研究尤为重要。据相关资料表明，采煤机的螺旋滚筒在作业时沿其他方向的运动量与沿其轴向的运动量相比，沿轴向的运动量更小，因此，为了使问题更加简单清楚，暂时忽略滚筒向上时摇臂的振动与滚筒在轴向上的位移，假设螺旋滚筒的轴线与采煤机的牵引方向相互垂直，并且不考虑采煤机传动齿轮中的齿轮弹性与位于采煤机下方的运输机弹性。通过上述简化，能够精确地分析采煤机的恒功率调速[2]。

2 控制系统模型分析

2.1 采煤机调速原理分析

在交流电牵引采煤机的恒功率控制系统中，先给控制器以参照电压，其次通过控制器进行计算并分析，发射对于变频器的控制电压的信号，同时变频器将控制电压转换为频率以供给牵引电动机，达到控制牵引电机顺利运转的目的[3]。负载传感器会在煤壁硬度发生改变时将截割电机发出的负载电流信号进行放大、数模转化、滤波等处理方式，并将其传送给控制器，最后将负载电流信号与给定的额定功率相比较，并通过控制器发出控制调节电压。交流电牵引采煤机的调速原理图如图1所示。

图1 交流电牵引采煤机的调速原理图

2.2 牵引部电动机数学模型分析

变频器向三相异步电动机供电时（见图2），为了使得低频时磁通不变，则可以将变频器所设置适当的电压提升。

图2 三相异步电动机等效模型图

式中：K1表示牵引电动机启动转矩倍数，为7；I1e表示额定定子线电流，为76 A；P表示牵引电动机极对数，取2；U1表示牵引电动机额定电压，取380 V；f为工频电频率，取50 Hz；ne表示额定转速为1472 r/min；Km表示启动转矩倍数，取1.8；Pe表示截割电动机额定功率，为250 kW；p为转动惯量，为13.6 N·m2。将以上参数代入公式（1）与公式（2），可得出模型内的参数为Kt=30；Am=11.3。

2.3 变频器数学模型分析

假设所使用的变频器为FVR015G7S-4EX，该变频器最大输入为10 V，输入频率50 Hz，且限幅值为10 V，输出频率 0～120 Hz，K2=50/10=5 Hz/V，其中，K2为输入频率，加减速时间为6 s，该变频器的等效模型如图3所示。

3 采煤机整机的等效模型分析

通过Matlab/Simulink工具，根据上述采煤机的动力学模型、变频器模型、电动机模型，对采煤机变频调速仿真图进行了设计，如图4所示。

图3 变频器的等效模型

图4 采煤机的变频调速仿真图

在模型图中，分别设置了采煤机进行上坡采煤的牵引力、速度、加速度以及截割功率等参数的仿真输出口，并且通过对模型图进行修改，即可仿真采煤机下坡以及水平状态采煤时的工况。其中，恒功率调速系统发挥了保障采煤机持续处于满负荷状态的作用，进而使得采煤机的工作效率有所提升，很好地解决了采煤机过久保持欠载状态的问题。

4 结语

电牵引采煤机作为煤矿开采作业面中的关键设备，其截割效率直接决定了煤矿作业面的生产效率，本文在研究电牵引采煤机截割恒功率调速控制系统的基础上，确定了该控制系统的结构优化路径，对合理设计电牵引采煤机恒功率调速控制系统、改善采煤机的工作性能和提高生产率具有重要意义和参考价值。

[1]徐志鹏，王忠宾.基于粒子滤波的采煤机截割负载特性分析[J].煤炭学报，2011，36（4）：696-700.

[2]毛君，苗立野，谢苗.采煤机截割部动力学特性及可靠性研究[J].机械强度，2015，37（5）：880-885.

[3]陈颖.采煤机负载特性及其对截割部可靠性影响研究[D].阜新：辽宁工程技术大学，2011.