自動化技術在煤礦采煤中的應用

趙建平

摘 要：該文對自動化技術在煤礦采煤中的應用原理和結構進行了介紹，分析和對比了發動機和異步電機的工作特性，確立了以異步電機作為煤礦采煤驅動系統的方案，最后根據發動機的各項參數確定原則確定了異步電機的各項參數，最終構建了一個基于自動化控制理論的煤礦采煤系統。

關鍵詞：自動化技術 煤礦 采煤 異步電機

中圖分類號：TD407 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）02（c）-0077-01

1 煤礦自動化系統主要控制方式

1.1 恒壓頻比（V/F）控制

恒壓頻比控制屬于開環調節，通過保持異步電機電壓和頻率之比近似相同以調節煤礦電機轉速的調節方法。V/F控制最大的優點，就是使用簡單，沒有復雜的算法流程、坐標變換及電機模型辨識過程，用戶使用起來十分的容易。而且，由于屬于開環控制，即便在負載出現任意擾動的情況下，輸出值也保持固定，不會受到什么影響。所以在某些時候，尤其是穩定度要求高的情況下，會采用該種控制方法。但由于其開環控制特性，控制精度低，無法像矢量控制那樣實現無偏差控制。這種控制方式主要運用于對精度要求不高的煤礦設備，如風機、水泵等。

1.2 轉差率控制

根據電機轉速計算公式，轉差率控制是通過改變電機轉差率的大小來實現對電機轉速進行改變的控制方法。主要通過改變電機定子電壓和轉子電阻的方式進行。小功率電機或者電機轉速較慢的情況下會采用轉差率控制方法。恒壓頻比控制和轉差率控制方式都是基于電機系統的穩態模型和在穩態運行規律下進行控制的。這兩種控制方式無法對電機內部磁場的大小和位置進行控制，因而電機只能實現較為精確的轉速控制，而轉矩控制能力差。要想精確控制轉矩，就必須在動態過程中對電動機的磁場大小和位置進行控制。

1.3 矢量控制（VC）

矢量控制是目前煤礦自動化領域中比較先進的控制方法。交流異步電機是一個十分復雜的系統。矢量控制的基本控制原理就是通過對異步電機定子電流在不同坐標系下進行矢量變換，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生電磁轉矩分量。矢量控制策略的基本思路就是將交流異步電機的耦合變量解耦，實現各個變量的獨立控制，使異步電機和直流電機一樣，獲得良好的控制性能。

1.4 直接轉矩控制（DTC）

直接轉矩控制技術是基于矢量控制理論而建立的一種新型交流異步電機控制技術，直接轉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矩。直接轉矩控制不需要將交流異步電機轉化為直流電機的數學模型，而只關注電磁轉矩的變化。因此，和矢量控制不同，直接轉矩控制無需進行復雜的坐標變換和電機數學模型。但是，直接轉矩控制也有其缺點，例如低速情況下轉矩脈動大，啟動電流沖擊大等。目前，兆瓦級的大功率電牽采煤設備中直接轉矩控制方法運用的較為廣泛。

2 自動化系統在煤礦采煤中的應用

2.1 試驗臺機械結構及總體布置

變速器試驗臺是一個綜合了機械、電氣、液壓原理的機電系統。其具體工作原理是驅動電機連續輸入額定轉速和扭矩，以模擬變速器在煤礦采煤工作中的輸入工況。由于驅動電機最高轉速的限制，往往無法達到發動機最高轉速的要求，因此，在驅動電機后加入一個升速齒輪箱，以滿足采煤系統的試驗能力要求。為了更接近礦區采煤的真實工況，在變速器輸入端增加一個慣量盤，其旋轉時的轉動慣量與在離合器飛輪和傳動軸旋轉時產生的轉動慣量相同。試驗臺的末端是加載裝置及其匹配的冷卻系統，它能給變速器施加阻力矩，以模擬設備采煤時的負載和道路阻尼。

2.2 驅動設備的選擇

驅動設備需要給試驗變速器輸入試驗所要求的轉速和扭矩，驅動設備可以采用內燃機，也可以采用電動機作為輸入動力源。兩種不同的動力源均有其各自不同的優缺點。采用內燃機作為采煤系統驅動端，使得試驗更加接近變速器在采煤應用中的實際工況。但是內燃機也有較多缺點，比如噪聲大，產生的廢氣污染環境，而且內燃機轉速和扭矩不易控制，會導致試驗結果產生較大的誤差。采用電動機作為試驗臺動力源有噪音小、占地面積小、啟停方便、無污染、易于控制等優點。正是因為采用電動機作為試驗臺動力源具有較多的優點，目前電動機已經廣泛應用在各種煤礦傳動系統試驗設備上。

2.3 加載裝置的選擇

加載裝置在整個采煤系統中為被測變速器施加負載轉矩，目前主流的工業設備一般采用測功機作為加載裝置。測功機一般用于測試發動機的功率，也可作為齒輪箱、減速機、變速箱試驗設備的負載裝置。測功機主要由功率吸收、負載調速、轉矩調節和冷卻部分組成。根據負載轉矩輸出方式的不同，一般可以將測功機分為水力測功機、電力測功機和電渦流測功機三種。自動化采煤系統一般采用開式布局，在保證試驗需求的情況下，基于上表的三種測功機的性能對比，采用電渦流測功機較適合于基礎的自動化采煤系統。該文采用一臺長沙湘儀動力測試儀器有限公司生產的 CW-150系列電渦流測功機作為研究對象，其額定吸收功率為150kW，額定扭矩為 520N·m，額定轉速為2 500rpm。

2.4 發動機速度特性分析

該文所建立的自動化采煤系統模型，選用交流異步電機作為試驗臺架的驅動系統，驅動試驗變速器及負載機構的運轉。這里所選用的驅動電機應能完全覆蓋被測變速器所匹配采煤設備發動機的全部性能和運行工況，同時還應具備轉速和轉矩的調節能力。為了使試驗結果更加準確，這里我們先要對發動機的速度特性進行簡要分析，從而為異步電機參數的確定提供理論依據。

2.5 驅動電機主要參數的確定

在確定了采用交流異步電機作為驅動電機之后，就必須確定驅動電機的各種參數，從而完成異步電機驅動的變速器試驗臺動力學仿真。而部分電動機參數的確定必須參照發動機相關參數的確定原則，這樣才能提高驅動電機模擬發動機驅動的精確度。對于任意的一臺異步電機，它的參數例如定子電阻、轉子電阻、定子漏感、轉子漏感、定轉子互感、電機極對數以及轉子的轉動慣量等是異步電機所固有的參數，需要通過電動機試驗進行選定。而對于額定功率、額定轉速和額定轉矩等動力學參數，需要根據電動機所使用的特定場合進行選定。由于這里是用異步電機模擬汽車發動機作為驅動源，則其動力學參數參照發動機的參數確定則。

3 結語

現階段，自動化控制技術在煤礦領域中的應用越來越廣泛，其性能的優劣直接影響到煤礦采煤的效率。通過模擬設備在實際采煤中的各種工況，從而能有效的檢測煤礦設備的各項性能。該文主要研究了煤礦采煤系統及其驅動電機矢量控制系統，通過分析自動化采煤系統的總布置方案，確定了布置結構及其各個組件的選型。對比了發動機和不同類型電機的特性，最終確立了異步電機作為自動化采煤驅動電機的可行性。

參考文獻

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