采煤機變頻調速節能控制技術探析

王建偉

（山西鄉寧焦煤集團臺頭前灣煤業有限公司 山西臨汾 042100）

引言

社會經濟的高速發展，在煤炭開采領域中，電子技術、機電一體化技術以及自動控制技術等都得到了廣泛應用，在煤炭開采過程中，煤炭運輸設備的電機拖動系統進行節能改造升級已經成為了工作人員要進行重點研究的問題。

1 變頻器控制方式的選擇

在對變頻器的控制方式進行選擇的過程中，相關人員必須要選擇能夠與電動機運行特征相匹配的，要確保變頻器能夠為電動機提供按負載需求的電壓以及頻率，從而確保電機系統能夠高效節能運行。電機拖動系統的負載特性不同則控制方式也不同，因此，相關人員要根據不同的負載特性合理的選擇控制方式，從而達到變頻節能控制的目的[1]。

在實際的變頻調速實際應用工程領域中可以看出，現如今的在對電動機進行控制時，變頻器的主要控制方式有矢量控制（VC）、轉矩控制（DTC）以及恒壓控制（U/F）等控制方式。由于采煤機的作業空間相對來說較為狹小，并且在運行過程中可能會出現行走路面不平的問題，這就需要采煤機在實際的掘進以及采煤過程中，利用變頻調速控制系統對轉速調節指令進行跟蹤，幫助采煤機完成減速、轉彎等控制需求，簡單來說，就是對變頻調速節能控制系統的調速進度要求不高，但對于專局以及轉速控制的性能具有較高的要求，并且當控制系統處于使用狀態時，不能出現過壓、過流等狀況。

2 采煤機變頻調速裝置的基本介紹

在電牽引采煤機中，采煤機變頻調速控制裝置是必不可少的一種構件。由于實際的工作要求，電牽引采煤機必須要進行不間斷的方向轉換，從而有效的實現對煤炭的切割工作。采煤機想要有效的實現轉向控制，其核心裝置就是采煤機變頻調速裝置，該裝置與采煤機的作業效率有著直接的影響。

變頻調速的主要決定性指標就是三相交流電動機轉矩，同時三相交流電動機轉矩能夠對供電電壓以及頻率的比值進行決定分析。簡單來說，工作人員如果想要有效的控制電機轉速，那么必須要對供電頻率以及供電電壓進行有效的控制，要適當對這兩者進行調節。根據主要參數的控制方式可以將變頻調速裝置分為三種，分別是：矢量控制（VC）、轉矩控制（DTC）以及恒壓控制（U/F）[2]。

3 采煤機的變頻調速裝置的選擇依據

選擇合適的控制裝置必須要對不同的因素進行綜合性考慮，其中包括：工程成本、工作需求等因素。在對變頻調速裝置進行選擇的過程中，相關人員必須要遵循以下五個條件。

（1）裝置的啟動力矩必須要在滿足大負載啟動的需求的同時保證工作狀態平穩，并且要確保機器能夠在重復的工況下多次啟動，保證裝置在每一次的負載沖擊以及反應速率都能夠達到相關標準。

（2）裝置必須要能夠滿足靜態機械特性硬度大以及低速轉矩的需求。在采煤機作業過程中，遇到的采集條件不同，無法確保始終在水平狀態下進行作業，在作業過程中可能會出現勢能負載的情況，因此，裝置必須要有一定的應對能力，同時也包括對摩擦力以及重力的適應。

（3）裝置必須要能夠即時制動。采煤機在運作過程中，可能或遇到突發狀況，而這時就需要變頻調速裝置及時做出反應，建立起足夠的輸出力矩，同時要能夠通過電控系統以及機械制動做出及時的反應。

（4）裝置的主從牽引電機必須要達到同步、平穩狀態。而這一要求主要是針對電機的轉矩以及轉速兩項參數的輸出工作。

（5）必須要適應在惡劣情況下的采煤需求。采煤工作的工作環境不穩定，當處于惡劣的工程環境下時，裝置必須要能夠進行及時的散熱以及除振工作，同時也要保持裝置的結構具有緊湊性，更利于采煤機的行走[3]。

4 采煤機變頻調速節能控制技術的對比分析

4.1 試驗設計實施

為了驗證矢量控制與恒壓控制這兩種控制方式的優點與缺點。以兩種控制方式都不使用速度傳感器的方式來開展調速控制工作，并且開關狀態控制以及逆變器開關控制方式方面也存在著一定的差異。

以影響控制方式的核心參數為基礎，工作人員將會在牽引電纜分別為5M/305M的狀態下對控制方式進行性能對比，同時設置相應的測量點，并對每一個點的重要參數數據進行測量，例如：輸出電流/電壓、轉速、轉矩等。為了確保在試驗過程中所獲得的數據具有一定的準確性，并為方便進行數據收集工作，盡可能的避免人為失誤而產生的影響，在進行數據收集時，工作人員采取了Drivewizard以及變頻調速裝置進行聯動的方式。在確保電機的工況能夠滿足工作人員設計的條件時，開始進行數據收集，分別對電動機在80%額定電流、額定電流以及空載三種電流的負載條件下進行了試驗。最終得出的數據如下：

當5M牽引電纜處于給定頻率為3Hz時，電機電流為80%額定電流條件下，恒壓控制下，電動機的變頻器輸出電流為59A，輸出電壓為32V，輸出頻率為2Hz，轉速為79，輸出功率為0.25，轉矩為152；當處于矢量控制下時，電動機的變頻器輸出電流為59A，輸出電壓為34V，輸出頻率為2.65Hz，轉速為93，輸出功率為0.62，轉矩為188。

電機電流為空載電流條件下，恒壓控制下，電動機的變頻器輸出電流為25A，輸出電壓為24V，輸出頻率為2Hz，轉速為90，輸出功率為0，轉矩為0；當處于矢量控制下時，電動機的變頻器輸出電流為27A，輸出電壓為25V，輸出頻率為2.07Hz，轉速為91，輸出功率為0，轉矩為0。

電機電流為額定電流條件下，恒壓控制下，電動機的變頻器輸出電流為75A，輸出電壓為33.4V，輸出頻率為2Hz，轉速為76，輸出功率為0.82，轉矩為220；當處于矢量控制下時，電動機的變頻器輸出電流為75A，輸出電壓為36V，輸出頻率為1.79Hz，轉速為94，輸出功率為1.80，轉矩為252。

就以當5M牽引電纜處于給定頻率為3Hz時為例，從實驗數據中可以看出，在空載狀態下，兩種控制方式的相關參數值相近，當處于給定的電流頻率不同的條件下時，都能夠達到額定的負載轉矩，矢量控制方式能夠在給定的頻率下進行穩定輸出，并且能夠達到額定的轉矩，然而恒壓控制方式卻容易出現不穩定的現象。因此可以得出，矢量控制方式與恒壓控制方式當處于低頻條件下時，矢量控制方式更具有優勢。

4.2 試驗結論

在對變頻器的各種控制方式進行綜合的比較之后，對其優缺點進行綜合，最終認為，矢量控制變頻器具有低頻轉矩以及快速動態響應，同時啟動轉矩較大，在連續采煤機的運行過程中更適合采用該控制方式[4]。

結語

由于采煤機的工作環境較為復雜，并且作業空間狹小，導致采煤機的調速系統經常會出現頻繁啟動、制動以及加減速的運行狀態，而這就對采煤機的電動機提出了更高的要求，電動機的啟動轉矩必須要打，同時負荷波動的適應能力要更強。在采煤機的調速系統中使用適量變頻器，能夠提高采煤機調速工作的可靠性、反應度以及調速范圍，其帶來的優勢在工程實踐過程中具有重要意義。