采煤机变频调速节能控制技术研究

2018-06-01闫建宙

机械管理开发 2018年5期

闫建宙

（山西乡宁焦煤集团有限责任公司，山西临汾 042100）

1 采煤机变频调速装置的基本介绍

采煤机变频调速控制装置是电牵引采煤机的重要构件。根据电牵引采煤机的工作要求，其需要通过不间断的方向转换来实现煤炭切割。而采煤机变频调速装置就是实现转向控制的核心，其与采煤机的作业效率直接相关。采煤机变频调速控制装置所采用的是变频调速技术。变频调速技术是一种集电流交换技术、电子电力技术、微计算机技术等技术于一身的综合性电气技术。其工作的主要原理就是根据电机转数与工作电源入频率的正比关系，转速等于60倍的输入频率*1-电机转差数载除以电机磁极对数[2]。对于电机的转速n而言，其公式为

式中：np为极对数；f为定子供电频率；s为转速差。

三相交流电动机转矩是决定变频调速的主要指标，并对供电的电压以及频率的比值进行分析和决定。换言之，要控制相关电机的转速，必须要对两个参数进行控制，一方面要对供电频率进行有效调节，另一方面要对供电的电压进行有效调节。那么具体来讲对变频调速装置就可按照相关主要参数的控制方式分为三种，分别是转矩控制（DTC），矢量控制（VC）以及恒压控制（U/f）

2 采煤机变频调速装置的选择依据

对于不同的控制装置要如何选择需要综合多项因素进行考量，包括成本、工作需求等。具体来讲在选择变频调速装置时需要遵循以下条件：第一，装置的启动力矩要满足大负载启动的需求，并保持工作稳态，且能够在重复工况下多次启动，确保每次的响应速率、复负载冲击能够达到标准；第二，需要具备低速转矩、静态机械特性硬度大的需求。这是因为采煤机在作业时可能遭遇不同的采集条件，并非一直水平作业，需要能够应对倾角的势能负载情况，包括重力和摩擦力；第三，具有即时制动的能力。也就是说能够在遭遇突发情况的条件下建立足够的输出力矩，通过机械制动和电控系统即时作出反应；第四，要求主从牵引电机能够同步、平稳，主要针对转速、转矩这两项参数的输出；第五，能够应对恶劣复杂工况下的采煤需求，及时散热和除振，保持结构紧凑，利于行走。

3 采煤机变频调速节能控制技术的对比分析

为了研究这两种控制方式的优劣以及适应性，本文通过试验设计的方式进行技术对比分析。

3.1 试验的基础

为了验证矢量控制和恒压控制的优劣，选择两种控制方式均无使用速度传感器（PG）的方式来进行调速控制，并且在开关状态控制和逆变器开关控制方式上有所差异。其中矢量控制方式时开关的状态是基于电动机励磁电流和转矩电流变量的。因此在运行过程中机械速度是计算变量的关键，需要对电动机轴的速度和位置反馈进行系统计算。逆变器的开关则是由PWM调制器进行给定的；而对于恒压控制方式来讲，其开关的状态是由电的电压以及频率的比值进行分析和决定的，所形成的比率曲线不同，对开关实现控制，这是在给定速度下完成的。逆变器的开关控制与矢量控制方式相同，都是由PWM调制器进行给定的。在此种条件下，完成对试验的设计和实施[3]。

3.2 试验的设计与实施

根据影响控制方式的核心参数，本文选择在牵引电缆5 m/305 m两种状态下进行性能比对，并且设置相应的测量点，对每个点位上变频调速装置的输出电流/电压，输出频率、转速、转子轴输出空滤、转矩等重要参数进行测量。为了方便对数据进行收集，减少人为失误带来的影响。选择使用软件Drivewizard与变频调速装置进行联动，根据控制方式的不同，要求在恒压控制条件下将电机设定为旋转型自学习，而在矢量控制条件下将电机设定为线间电阻自学习。在保障电机的工况满足设定条件的情况下进行数据收集，对电动机在空载、80%额定电流、额定电流三种电流负载条件下进行试验。

3.3 试验结果

根据给定的试验条件，运用软件对5 m/305 m条件下的数据进行收集，所采集的结果如表1、表2所示，表中1为恒压控制，2为矢量控制。其中内部转矩仅可采集矢量控制条件下的数据。

表1 5 m牵引电缆的部分试验数据

表2 305 m牵引电缆的部分试验数据

3.4 试验结果分析

根据表1表2的试验结果对数据进行分析。根据表1中试验数据收集情况来看，在5 m条件下，空载到稳态中两种控制方式的性能参数比较相近。在给定频率不同的条件下，二者都能够在额定电流下达到额定的负载转矩。从上述数据来看，转矩控制的精度和稳定情况对矢量控制的实现最为关键，阆中牵引电缆条件下，矢量控制的电动机转矩和内部额定转矩基本上对应，并随负载进行变动。其整体的调节能力基本上能够满足转向需求。对比相同给定频率下305 m牵引电缆恒压控制和矢量控制的参数，矢量控制分别能够在3 Hz、5 Hz等达到稳定输出，并顺利达到额定转矩，但是恒压控制却出现不稳定或者额定转矩不达标的情况。由此可见，在低频条件下，矢量控制要优于恒压控制方式。