電磁調速電牽引采煤機的研究與應用
我國從上世紀80年代后期開始研究交流變頻調速電牽引采煤機，90年代初期研究成功樣機。10多年來，在采煤機的系列設計、控制系統及功能完善上作了大量研究，開發出系列交流變頻電牽引采煤機，已在國內煤礦逐步推廣使用。近年來，在交流變頻調速電牽引采煤機發展的同時，陸續展開了開關磁阻調速和電磁調速電牽引采煤機的研究，為我國電牽引采煤機的發展起到了很大地促進作用。
1 電磁調速電牽引采煤機
近年來我國機載變頻調速交流電牽引采煤機取得了較大地進展。由于采煤機在工作特點和我國煤炭企業的具體情況，電牽引采煤機在生產總量和使用范圍上與國外煤炭企業相比，仍然有較大差距。電磁調速技術是一種成熟的技術，由于它具備結構簡單、使用可靠、起動性能好、起動轉矩大等優點，在其它行業已有成功應用。通過進一步研究電磁調速技術，用現代技術改變其調速性能，使其適合采煤機牽引的需要，又將電磁調速的優點應用到采煤機上，研制一種結構簡單、容易維護、制造成本低、牽引功率大、起動轉矩大的電磁調速電牽引采煤機，對我國電牽引采煤機的推廣將有很大地促進作用。
雖然電磁調速電動機(圖1)是一種具有結構簡單、加工方便、使用可靠、起動性能好、起動轉矩大等優點的調速設備，但要將電磁調速電動機作為采煤機牽引動力，仍然需要進一步研究。 圖1 隔爆型電磁調速電動機略
近幾年運用新材料新方法制作的電磁調速電動機，效率可提高10％；最高輸出轉速可達異步電機轉速的95％左右。調速電動機的速度測量是靠一個測速發電機來進行的，低速時性能本來就較差，再經過轉換到控制回路，使得電磁調速電動機低速性能輸出不穩定。為解決這一問題，在采煤機使用的電磁調速電動機中，使用了軸編碼器來測量調速電動機的速度，將速度測量數字化，提高測量精度，同時有利于將速度信號直接送入計算機處理，低速性能得到根本改善。
在電磁調速電動機的研究和實際工作中，提高調整精度是一個重點。研究表明，與其它調速裝置所不同的是，它的調整精度取決于人為設計的電流控制器的精度和控制方法的選取。我們使用了計算機控制和提高電流控制器的精度后，完全可以解決低電流輸出的精度和穩定性問題。
2 電磁調速電牽引采煤機計算機調速系統
為了使調節效果更理想，電磁調速電牽引采煤機的調速系統采用速度、電流雙閉環調速系統(圖2)，并采用了計算機控制，使得系統更為完善。如果僅采用速度調節，由于電網電壓波動所引起的擾動作用，經過一系列機電慣性的滯后才能反映到轉速上來，等到轉速反饋產生調節作用，為時已晚，增加電流內環后，電壓擾動被包在電流環內，可以及時地通過電流反饋得到調整，這樣，由電網電壓變化所引起的動態降速就比單環系統小得多。至于由負載引起的擾動，由于它處在電流環外，還是通過速度環來調節。 圖2 雙閉環調速示意圖略
表面上看，電流負反饋有使特性變軟的趨勢，但是，由于電流環在速度環的里面，電流負反饋僅相當一個擾動，在設計中，可把速度調節器的放大倍數做得足夠大，而且在正常調速的情況下不飽和，那么，電流負反饋的擾動作用就受到抑制。電流負反饋可能產生的降速完全被速度調節器的積分作用消除了。在啟動中，突加給定，轉速負反饋還沒有反應過來，速度調節器處于飽和狀態，相當于速度環處于開環狀態，系統在電流環的調節下工作，在這一過程中，系統表現為一恒流調節系統。適當選擇參數，實現 “時間最優控制”的基本思想。
采煤機電控系統采用西門子S7-200PLC可編程控制器作為中央處理機，該機型具有較高的可靠性，指令豐富，易于掌握，且內部有豐富的內置集成功能和強勁的通訊能力，對于采煤機控制極為適合。內部的PID調節器可滿足速度和電流環的要求，外圍輔以必要的傳感器及執行器件，實現對采煤機的操作控制及動力制動控制?？刂坪诵牟捎梦鏖T子S7－200PLC，并擴展兩塊4輸入1輸出模擬量模塊EM235，并選用與S7200配套的ID－200漢顯模塊作為顯示模塊。外圍配件包括：電流變送器、輸出繼電器及移相觸發電路、可控硅整流電路等。在控制方式上采取了邏輯操作和運行速度的控制部分功能雙方案，在邏輯操作中，包括正反向牽引、停機控制、搖臂升降控制、制動閘的投切控制以及流量保護控制等。這些功能均由PLC根據操作命令及反饋信號和各種動作之間的相互閉鎖關系，由程序控制來實現。通過對其在實際運行過程中各性能參數的測定，可使額定運轉時的轉速變化率提高到0．5％以內，穩運精度提高到1％以內。
3 電磁調速電牽引采煤機的制動運行
工作面傾角較小時，控制系統將通過速度反饋，調整勵磁電流，將其減少，維持采煤機速度不變，這是電磁調速方式的一個優點，在工作面傾角不太大時，系統將自動減少牽引力，最大限度地適應工作面角度的變化。利用這一特性可不必使用制動。我們將不同的采煤機用于傾角在20°到30°的工作面上，采煤機仍能運行正常。在勵磁電流的觀察中可以發現，隨著工作面角度的增大，向下運行時的勵磁電流逐步減少。
工作面傾角比較大時，采煤機工作阻力減小，勵磁電流已經足夠小甚至趨近于零；而負載的速度仍然有變大或變大的趨勢，這時，為保證負載正常運行，需要產生一個制動力，和負力方向相反，來抵消這個負力帶來的影響。 圖3 制動示意圖 略
為了適應各個方面的情況，我們設計了手動和自動兩個制動功能，在采煤機停在向下運行的過程中，需要啟動時，可直接啟動手動方式，采煤機啟動后，在下滑力的作用下，采煤機開始向下運行，這時，按照需要給出勵磁電流，使采煤機按一定的速度運行。如果采煤機在運行過程中，下滑力逐漸加大，電磁調速系統通過調節勵磁電流、減少電磁轉矩，仍不能有效地控制采煤機的運行速度時，采煤機進入自動制動程序。自動制動程序在運行過程中，一直檢測電流和速度的變化，如果電流一直在減小，速度仍有上升的趨勢，自動制動系統將進入預備執行階段，先將原動機停電，繼續檢測轉速的變化，如果速度仍維持不變或有上升趨勢，系統則進入制動程序。
在制動運行的過程中，仍然采用速度、電流雙閉環控制系統。從現場使用情況看，電磁調速電牽引采煤機在負載轉矩和工作面傾角變化時，在計算機雙閉環控制下，能在較大范圍內調節電磁轉矩，維持速度基本不變，采煤機正常運行。而采煤機本身除增加原動機一個制動閘外，不增加任何部件，結構簡單，控制靈活，操作方便，速度調節正常，非常適合在煤礦復雜的條件下使用。 4 電磁調速采煤機的應用
近年來，我們利用電磁調速技術，研制了多種型號的采煤機，從薄煤層到中厚煤層，幾乎覆蓋了全部煤層。其中MGN132／316-DW型電牽引采煤機是一種薄煤層采煤機，它的采高范圍為1．1～1．9m，機面高度為853mm。由于采用電磁調速電牽引方式，使之機身較薄，過煤高度可達326mm，使用lm滾筒時，臥底量為160mm。該機型采煤機采用橫向積木式布置方式，多點驅動，具有結構緊湊，裝機功率富裕量大，維修方便的特點。在設計中采用了電機和滑差同軸布置，同時電控箱尺寸小，使得機身長度縮小。該機型采煤機底部過煤空間比同類機機身高度大出許多，在工作中發生采煤機“托住”故障的可能性很小。該采煤機還采用了手動、指令器、遙控3種控制方式，操作方式非常靈活，為現場使用提供了方便。
MXG-150／350D型電牽引采煤機，機身高度為1100mm，是一種無底托梁、橫向布置的新型電牽引采煤機。它采用了電磁調速電牽引作為牽引動力后，牽引力加大，結構更加簡單，機身短。為了提高整機的穩定性，特意加大了滑靴跨距，機身的主要部件之間用液壓螺母和高強度螺栓緊固成一個整體，沒有了底托架，過煤空間和臥底量都有所增加，整體適應性更為加強。 MXC-500／4.5D型電牽引采煤機，機身高度為1685mm，是一種大采高采煤機。該機型采用電磁調速牽引后，牽引力為530kN。雖然牽引力大，但它的控制系統和上述兩種采煤機相同，控制電流最大仍為5A，這也是這種牽引方式的優越性之一。
在應用中，3種電磁調速電牽引采煤機，經過生產驗證，充分顯示了其顯著的特點和優越性。MXG-150／350D在東龐礦、葛泉礦、顯德汪礦十幾個工作面使用。最大傾角達30°(葛泉礦1424工作面局部傾角)，使用的是MXP-350WD采煤機，重量為25t，工作面是俯采，負載轉矩較大。我們利用電磁調速的優點，減少勵磁電流，控制著電磁轉矩，保持了采煤機運行速度；顯德汪礦使用MGNl32／316-DW型電牽引采煤機，煤層厚度1.3～1.5m，年產原煤45萬t（包括有兩次搬家）；邢臺礦7809工作面傾角局部達到35°，使用的是MXP-500WD采煤機，重量為48t，走向沒有角度，負載轉矩小，在不使用制動程序時，有下滑現象，在使用了制動程序后，將原動機制動住，再向電磁調速電動機中輸入勵磁電流，形成制動力矩，采煤機調速運轉正常。
5 電磁調速電牽引采煤機的特點
(1) 控制性能好、起動轉矩大。 使用計算機控制和雙閉環調節后，采煤機的調速性能大為提高，控制性能良好，數字式的測量、控制、給進，使采煤機的穩定性比較好。由于電磁調速電動機是在原動機正常運行狀況下調速的，起動力矩大，并且可調。
（2） 控制功率小、扭矩大。在電磁調速電動機的控制系統中，控制的是勵磁電流，不控制功率電流，并且最大才5A，這就大大簡化了控制系統，同時，由于控制的是勵磁電流，對于各種電磁調速電動機，可以用同一種控制器，可對于不同的電磁調速電動機，整定不同的參數，其控制系統全部相同，這給制造和調試工作帶來方便，對批量生產更為有利。尤其使用計算機控制系統，優點更突出。 由于電磁調速電動機體積小，可在同樣的空間內安排大功率電磁調速電動機，同時，隨著對電磁結構的進一步研究，還可以加大輸出扭矩，這就更增強了電磁調速電動機的負載能力，拓寬了使用范圍。
（3） 電壓適應性好，體積小 。 在實際應用中，電動機和電磁調速器是安裝在一起的，所占空間小。又由于控制部分簡單，電控箱可以做得很小，而且由于電磁調速器的原動機的電壓可以和負載的其它電機的電壓相同，因此，可適應各種電壓的采煤機，電牽引調速部分不需要大功率變壓器，可使采煤機整機的體積大為縮小。這一優點，在薄煤層采煤機設計中顯得尤為寶貴。因為薄煤層采煤機的過煤空間較小，如果機身設計的太長，對起伏不平的工作面條件適應性將受到影響，甚至可能發生“托住”的現象。
（4） 制動運行性能好 。 電磁調速電牽引采煤機在負載轉矩和工作面傾角變化時，在計算機雙閉環控制下，能在較大范圍內調節電磁轉矩，維持速度基本不變，采煤機正常運行。采煤機運行在大傾角工作面時，計算機對勵磁電流和運行速度進行分析，判斷是否進入制動程序。制動程序分為手動和自動。采煤機本身除增加原動機一個制動閘外，不增加任何部件，結構簡單，控制靈活，操作方便，速度調節正常。
綜上所述，電磁調速電牽引采煤機在調速方式上具有創新點，并且，為使電磁調速系統更好地應用于采煤機電牽引上，對電磁調速電動機和控制器進行了創新研究，并成功地應用到采煤機上，使得電磁調速電牽引采煤機具有牽引力大、可控性好、控制功率小、電壓升級方便、采煤機牽引和電控部分所占體積小等特點，并且其結構簡單、成本低、使用維護方便。而且，調速器本身的一些不利因素都能通過技術途徑予以解決。全部技術擁有自主的知識產權。到目前為止，電磁調速電牽引采煤機已經有薄煤層和中厚煤層幾個機型，在幾個煤炭企業使用狀況良好，并且經受了復雜工作面的考驗。