变频调速技术在悬臂式掘进机上的应用分析

王 豪

（晋能控股煤业集团阳城晋圣润东煤业，山西 晋城 048000）

当悬臂式掘进机正常工作过程中，会经过回转油缸与升降油缸来使悬臂机构发生复合运动、左右摆动及上下摆动，进而来截割巷道的断面，而且，回转油缸与升降油缸的布置是对称的，通过司机的人工操作来对改变截割头的摆动速度，当煤岩的硬度有比较大的变化以及有断层遇见时，就会快速增加截割电机的电流，此时就会有损坏、停机及高温出现，严重磨损截齿，就会有非常强烈的抖动出现在掘进机的机身中，就会改变机身的位置与姿态，极易有欠挖、超挖等现象出现，对断面的形成质量与掘进效率会有很大的影响[1]。现在，高低速电机被普遍使用到截割电机中，负载所发生的改变会通过切换人工操作手柄的低挡与高挡来实现，此方式不能对不一样的煤岩硬度所发生的改变来进行适应。切换高低速的挡位会硬冲击联结部件，使设备使用周期减少[2]。

在本文中，悬臂式掘进机会对变频调速技术进行使用，截割变频器会对其供电电源的频率进行控制，对截割电机的转速进行调节，增加其频率的范围来无极调速，使其转矩、速度和煤岩性质是最佳的匹配，进而来对煤岩硬度所发生的改变进行适应[3]。

1 设计最主要硬件的选型

（1）设计截割电机。所使用的截割电机是变频电机，截割电机的功率、供电电源分别是220kW、1140V；将温度系数温控开关安装在定子绕组中，且该开关的主要作用就是过热保护绕组，检测绕组温度的是温度传感器，定子绝缘的等级是200级；而且，其供电电源的频率中，恒功率与恒转矩的范围分别是50~67Hz、0~50Hz。图1就是其机械特性曲线图。

图1 截割电机机械特性曲线

（2）设计截割变频器。在使用截割变频器时，会选取机载式二象限运行变频器来进行使用，该变频器的功率与供电电源分别是400kW、1140V。控制回路与主回路构成了截割变频器电气系统，放/充电模块、逆变模块、滤波模块、整流模块、输入电抗器、输入滤波器、输入滤波器构成了主回路，PLC、操作按扭、IGBT驱动板、控制回路DSP 板、电源板等构成了控制回路。将温度异常保护功能、短路保护功能、过载保护功能、瞬间过流保护功能等功能设置到截割变频器中，在对过载能力进行设置时，可以设置成1.2倍的负载不间断工作半小时就会报警，若是1.5 倍时，不间断工作1min 就会停机[4]。由于多个保护功能设置到变频器中，就可以对控制对象与变频器进行保护，就会使生产更加高效与安全。图2就是其电气系统图。

图2 截割变频器电气系统

2 掘进机变频调速电气系统的构成与原理

传感器、油泵电机、截割电机、操作箱、截割变频器及电控箱等构成了掘进机变频调速电气系统。截割电机的悬臂振动、温度、电流等有关参数会被振动传感器、温度传感器与速度传感器等所采集，还会显示与储存到上位机中。对所有回路电机实施瓦斯超限、欠压、过压、断相、过热、过载、短路等保护的是电控箱[5]；将所有电机的工作情况与电流信息、所有的故障信息、机器的整个状况的信息、电压等显示到电控箱的显示屏上；将机械联锁保护设置到电控箱中，该装置能够有效避免断路器带载而导致拉闸，所具有的功能就是对截割变频器、操作箱中的有关数据进行传输。截割变频器可以调节截割电机的速度，所具有的功能就是显示与采集截割电机的温度、电流等参数以及对电控箱中的有关数据进行传输等。本机的转载电机、截割电机、油泵电机会被操作箱所操纵，会对所有电机的过载、过热、漏电以及电流等有关故障信息进行显示。主控制器有关速度会被截割变频器所接收，并对指令进行反馈，截割变频器会对输出速度与其供电频率进行调节与控制[6]。

将专用的主控制器使用到掘进机变频调速电气系统中，该主控制其所具有的特点是方便维修、性能比较可靠、适应环境的能力强等，新颖的设计理念，所具有的功能是遥控操作与诊断故障等；所有的电气元件使用的都是进口的，这些进口元件具有较为齐全的保护功能、比较强大的显示功能。图3就是其电气系统图。

图3 掘进机变频调速电气系统

将CAN总线通信使用到掘进机变频调速电气系统中，该方式可以实时对数据进行传输，会将双绞屏蔽线使用到传输电缆中，而且CAN总线的优点是防错设计、比较快的速率、较远的传输距离等，将RS485总线使用到电控箱的主控制器和工业的显示器中，用RS485 总线来对数据进行传输，在通信接口上的双绞线中传输，且双绞线的数量是1条，所进行的传输是双向的，且是多点的，通过RS485 来将操作箱中的有关数据发送到主控制器中，掘进机的所有电机对应的参数、故障、状态等信息会显示到主控制器中[7]。

3 掘进机牵引调速控制的基本原理

对截割牵引调速的技术方案进行明确，继而来控制牵引速度；对控制牵引速度的有关算法进行制定，设计主要元部件。把其输出速度进行设置，所设置的挡位有5个，可以对其电流进行检测，I0-I5是其电流的5个挡位，对截割电机的电流进行判断，判断其所处的挡位是哪个，并对每个挡位的标准电流进行计算，其所对应的牵引速度分别是v0-v5；比较所测量的牵引速度v和5个挡位的标准牵引速度，对牵引速度偏差值ev进行计算；经过对电磁阀处的开口流量q进行调节，就对液压缸的伸缩速度进行控制，对悬臂所产生的牵引速度进行调节[8]。图4就是其原理图。

图4 掘进机截割牵引调速原理

4 应用效果

将EBZ220型掘进机使用到某煤矿，在煤矿实施工业性的试验，且该掘进机的截割是变频调速的，截割变频器的调频在0~80Hz范围中，能够满足井下所有的地质条件。由于要对其截割变频调速的使用性能进行验证[9]，所以，就对其截齿寿命周期与有功功率进行了分析统计，表1就是其有关数据，通过试验得知，整机能够可靠与平稳地运行，和工频截割进行比较，发生故障的频率明显下降了，使其截割效能增加，使截齿使用寿命增长[10]。

表1 控制系统有功功率和截齿使用寿命分析

5 结束语

经过将变频调速加入到悬臂式掘进机电气系统内，就增加了其调速范围。变频调速不但可以将转矩与截割速度无法对煤岩硬度进行适应这一问题解决好，还将其电流冲击降低，有效保护了传动部件，将主要零部件的寿命周期延长，使掘进机可以可靠工作，可以在煤炭行业的广泛使用。