煤礦采煤自動化技術(shù)論文

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1煤礦自動化系統(tǒng)主要控制方式

1.1恒壓頻比(V/F)控制

恒壓頻比控制屬于開環(huán)調(diào)節(jié),通過保持異步電機(jī)電壓和頻率之比近似相同以調(diào)節(jié)煤礦電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)方法。V/F控制最大的優(yōu)點(diǎn),就是使用簡單,沒有復(fù)雜的算法流程、坐標(biāo)變換及電機(jī)模型辨識過程,用戶使用起來十分的容易。而且,由于屬于開環(huán)控制,即便在負(fù)載出現(xiàn)任意擾動的情況下,輸出值也保持固定,不會受到什么影響。所以在某些時(shí)候,尤其是穩(wěn)定度要求高的情況下,會采用該種控制方法。但由于其開環(huán)控制特性,控制精度低,無法像矢量控制那樣實(shí)現(xiàn)無偏差控制。這種控制方式主要運(yùn)用于對精度要求不高的煤礦設(shè)備,如風(fēng)機(jī)、水泵等。

1.2轉(zhuǎn)差率控制

根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算公式,轉(zhuǎn)差率控制是通過改變電機(jī)轉(zhuǎn)差率的大小來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行改變的控制方法。主要通過改變電機(jī)定子電壓和轉(zhuǎn)子電阻的方式進(jìn)行。小功率電機(jī)或者電機(jī)轉(zhuǎn)速較慢的情況下會采用轉(zhuǎn)差率控制方法。恒壓頻比控制和轉(zhuǎn)差率控制方式都是基于電機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模型和在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行規(guī)律下進(jìn)行控制的。這兩種控制方式無法對電機(jī)內(nèi)部磁場的大小和位置進(jìn)行控制,因而電機(jī)只能實(shí)現(xiàn)較為精確的轉(zhuǎn)速控制,而轉(zhuǎn)矩控制能力差。要想精確控制轉(zhuǎn)矩,就必須在動態(tài)過程中對電動機(jī)的磁場大小和位置進(jìn)行控制。

1.3矢量控制(VC)

矢量控制是目前煤礦自動化領(lǐng)域中比較先進(jìn)的控制方法。交流異步電機(jī)是一個十分復(fù)雜的系統(tǒng)。矢量控制的基本控制原理就是通過對異步電機(jī)定子電流在不同坐標(biāo)系下進(jìn)行矢量變換,最終將電流分解為可以分別控制的用于勵磁分量和用于產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩分量。矢量控制策略的基本思路就是將交流異步電機(jī)的耦合變量解耦,實(shí)現(xiàn)各個變量的獨(dú)立控制,使異步電機(jī)和直流電機(jī)一樣,獲得良好的控制性能。

1.4直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)

直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是基于矢量控制理論而建立的一種新型交流異步電機(jī)控制技術(shù),直接轉(zhuǎn)矩控制將不會像矢量控制那樣考慮變量解耦的問題,而是直接控制電磁轉(zhuǎn)矩。直接轉(zhuǎn)矩控制不需要將交流異步電機(jī)轉(zhuǎn)化為直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型,而只關(guān)注電磁轉(zhuǎn)矩的變化。因此,和矢量控制不同,直接轉(zhuǎn)矩控制無需進(jìn)行復(fù)雜的坐標(biāo)變換和電機(jī)數(shù)學(xué)模型。但是,直接轉(zhuǎn)矩控制也有其缺點(diǎn),例如低速情況下轉(zhuǎn)矩脈動大,啟動電流沖擊大等。目前,兆瓦級的大功率電牽采煤設(shè)備中直接轉(zhuǎn)矩控制方法運(yùn)用的較為廣泛。

2自動化系統(tǒng)在煤礦采煤中的應(yīng)用

2.1試驗(yàn)臺機(jī)械結(jié)構(gòu)及總體布置

變速器試驗(yàn)臺是一個綜合了機(jī)械、電氣、液壓原理的機(jī)電系統(tǒng)。其具體工作原理是驅(qū)動電機(jī)連續(xù)輸入額定轉(zhuǎn)速和扭矩,以模擬變速器在煤礦采煤工作中的輸入工況。由于驅(qū)動電機(jī)最高轉(zhuǎn)速的限制,往往無法達(dá)到發(fā)動機(jī)最高轉(zhuǎn)速的要求,因此,在驅(qū)動電機(jī)后加入一個升速齒輪箱,以滿足采煤系統(tǒng)的試驗(yàn)?zāi)芰σ?。為了更接近礦區(qū)采煤的真實(shí)工況,在變速器輸入端增加一個慣量盤,其旋轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)動慣量與在離合器飛輪和傳動軸旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動慣量相同。試驗(yàn)臺的末端是加載裝置及其匹配的冷卻系統(tǒng),它能給變速器施加阻力矩,以模擬設(shè)備采煤時(shí)的負(fù)載和道路阻尼。

2.2驅(qū)動設(shè)備的選擇

驅(qū)動設(shè)備需要給試驗(yàn)變速器輸入試驗(yàn)所要求的轉(zhuǎn)速和扭矩,驅(qū)動設(shè)備可以采用內(nèi)燃機(jī),也可以采用電動機(jī)作為輸入動力源。兩種不同的動力源均有其各自不同的優(yōu)缺點(diǎn)。采用內(nèi)燃機(jī)作為采煤系統(tǒng)驅(qū)動端,使得試驗(yàn)更加接近變速器在采煤應(yīng)用中的實(shí)際工況。但是內(nèi)燃機(jī)也有較多缺點(diǎn),比如噪聲大,產(chǎn)生的廢氣污染環(huán)境,而且內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩不易控制,會導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大的誤差。采用電動機(jī)作為試驗(yàn)臺動力源有噪音小、占地面積小、啟停方便、無污染、易于控制等優(yōu)點(diǎn)。正是因?yàn)椴捎秒妱訖C(jī)作為試驗(yàn)臺動力源具有較多的優(yōu)點(diǎn),目前電動機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在各種煤礦傳動系統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)備上。

2.3加載裝置的選擇

加載裝置在整個采煤系統(tǒng)中為被測變速器施加負(fù)載轉(zhuǎn)矩,目前主流的工業(yè)設(shè)備一般采用測功機(jī)作為加載裝置。測功機(jī)一般用于測試發(fā)動機(jī)的功率,也可作為齒輪箱、減速機(jī)、變速箱試驗(yàn)設(shè)備的負(fù)載裝置。測功機(jī)主要由功率吸收、負(fù)載調(diào)速、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)和冷卻部分組成。根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩輸出方式的不同,一般可以將測功機(jī)分為水力測功機(jī)、電力測功機(jī)和電渦流測功機(jī)三種。自動化采煤系統(tǒng)一般采用開式布局,在保證試驗(yàn)需求的情況下,基于上表的三種測功機(jī)的性能對比,采用電渦流測功機(jī)較適合于基礎(chǔ)的自動化采煤系統(tǒng)。該文采用一臺長沙湘儀動力測試儀器有限公司生產(chǎn)的CW-150系列電渦流測功機(jī)作為研究對象,其額定吸收功率為150kW,額定扭矩為520N•m,額定轉(zhuǎn)速為2500rpm。

2.4發(fā)動機(jī)速度特性分析

該文所建立的自動化采煤系統(tǒng)模型,選用交流異步電機(jī)作為試驗(yàn)臺架的驅(qū)動系統(tǒng),驅(qū)動試驗(yàn)變速器及負(fù)載機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)。這里所選用的驅(qū)動電機(jī)應(yīng)能完全覆蓋被測變速器所匹配采煤設(shè)備發(fā)動機(jī)的全部性能和運(yùn)行工況,同時(shí)還應(yīng)具備轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)能力。為了使試驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確,這里我們先要對發(fā)動機(jī)的速度特性進(jìn)行簡要分析,從而為異步電機(jī)參數(shù)的確定提供理論依據(jù)。

2.5驅(qū)動電機(jī)主要參數(shù)的確定

在確定了采用交流異步電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)之后,就必須確定驅(qū)動電機(jī)的各種參數(shù),從而完成異步電機(jī)驅(qū)動的變速器試驗(yàn)臺動力學(xué)仿真。而部分電動機(jī)參數(shù)的確定必須參照發(fā)動機(jī)相關(guān)參數(shù)的確定原則,這樣才能提高驅(qū)動電機(jī)模擬發(fā)動機(jī)驅(qū)動的精確度。對于任意的一臺異步電機(jī),它的參數(shù)例如定子電阻、轉(zhuǎn)子電阻、定子漏感、轉(zhuǎn)子漏感、定轉(zhuǎn)子互感、電機(jī)極對數(shù)以及轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量等是異步電機(jī)所固有的參數(shù),需要通過電動機(jī)試驗(yàn)進(jìn)行選定。而對于額定功率、額定轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)矩等動力學(xué)參數(shù),需要根據(jù)電動機(jī)所使用的特定場合進(jìn)行選定。由于這里是用異步電機(jī)模擬汽車發(fā)動機(jī)作為驅(qū)動源,則其動力學(xué)參數(shù)參照發(fā)動機(jī)的參數(shù)確定則。

3結(jié)語

現(xiàn)階段,自動化控制技術(shù)在煤礦領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛,其性能的優(yōu)劣直接影響到煤礦采煤的效率。通過模擬設(shè)備在實(shí)際采煤中的各種工況,從而能有效的檢測煤礦設(shè)備的各項(xiàng)性能。該文主要研究了煤礦采煤系統(tǒng)及其驅(qū)動電機(jī)矢量控制系統(tǒng),通過分析自動化采煤系統(tǒng)的總布置方案,確定了布置結(jié)構(gòu)及其各個組件的選型。對比了發(fā)動機(jī)和不同類型電機(jī)的特性,最終確立了異步電機(jī)作為自動化采煤驅(qū)動電機(jī)的可行性。

作者:趙建平 單位:太原煤氣化集團(tuán)公司生產(chǎn)技術(shù)管理部