煤礦井下電牽引采煤機的電氣自動化控制

代長乾

摘 要：電牽引采煤機一般采用雙電動機截割、雙電動機牽引的作業方式，采煤機的牽引速度是直接通過改變電動機轉速實現的，采煤機中電動機速度的改變多用變頻調速技術的方法，可用晶閘管可控整流一直流電動機系統調速等。本文主要研究了采煤機的電氣控制的變頻裝置、監控裝置及輸入信號、端頭控制器及采煤機的操作，如采煤機啟動和停車、先導回路試驗及輸送機閉鎖、搖臂升降、采煤機的牽引等。

關鍵詞：煤礦；電牽引；采煤機；電氣自動化；控制

電牽引采煤機一般采用雙電動機截割、雙電動機牽引的作業方式。截割電動機的單機功率在250kW左右，牽引電動機的單機功率在40kW左右。電牽引指采煤機的牽引速度是直接通過改變電動機轉速實現的。電牽引采煤機中電動機速度的改變多用變頻調速技術的方法，可用晶閘管可控整流一直流電動機系統調速等。

一、采煤機的結構

雙滾筒電牽引采煤機，由滾筒、搖臂、牽引部、泵站箱、高壓箱、主控箱、主機架等部分組成 [1]。

（一）滾筒、搖臂部

采煤機的兩個截割滾筒和搖臂分別安裝在機身兩端。如果采用1800mm為直徑的滾筒，采煤高度能達3.5m。滾筒的截割動力通過搖臂減速裝置傳遞。搖臂與主機架采用鉸接方式連接，取消了回轉軸承和齒輪嚙合環節。為提高采煤機的效能，增大搖臂功率，截割電動機分別裝在左右搖臂的尾部。搖臂的升降由液壓系統控制調高油缸的行程實現。

（二）牽引部

采煤機的兩個牽引部裝在機身的左右端頭，并與主機架連成一體。牽引電動機運用減速裝置帶動鏈輪轉動。鏈輪與刮板輸送機上的銷軌咽合，驅使采煤機在輸送機上運行。為避免采煤機在停機時出現打滑，在牽引傳動箱上安置由液壓系統控制的制動器。左右牽引部箱體的前端設有端頭控制器，在采煤機左右端頭控制采煤機。

（三）泵站箱

采煤機的泵站箱安裝在主控箱左側，由電動機和液壓系統組成，是為了采煤機滾筒調高提供液壓動力，同時也為制動器提供控制油路。液壓系統各部分動力的調節用電磁閥來控制。

（四）高壓箱

高壓箱安裝在主控箱右側，設有高壓開關、牽引變壓器、控制變壓器、電流互感器等電氣元件，用于采煤機電源的引入和分配。為了給高壓箱內的設備提供循環風流，設置40W左右的冷卻通風機一臺。

（五）主控箱

主控箱安裝在中部，設有變頻裝置、監測控制裝置及變壓器和控制開關等，是采煤機的控制中心，把采煤機的各種信號進行變換、分析、運算后對采煤機進行整機控制。主控箱前側設有功能指示器和顯示屏，用于顯示采煤機的工作狀態和運行參數。

（六）主機架

主機架為分段組合式結構。主機架有5個腔，分別放置左右牽引傳動箱、泵站、主控箱和高壓箱（與主機架用螺栓固定）。采煤機上的截割反力、牽引力、調高支承力和采煤機的限位，導向作用力由主機架承受。主機架具有結構簡單、拆裝方便、剛性強、各部件間設有動力傳遞等優點。

二、煤礦采煤機的電氣控制

雙滾筒電牽引采煤機的整機功率一般在500kW～600kW及以上，采用1140V雙電纜供電，運用可編程控制器進行控制，供電系統簡單、工作可靠安全。

雙滾筒電牽引采煤機電氣工作如圖1所示，由主回路、變頻裝置、監控裝置、控制電源等組成[2]。

圖1? 雙滾筒電牽引采煤機電氣工作原理

（一）變頻裝置

變頻裝置由牽引變壓器T1輸出的400V、50Hz電壓供電，經變頻裝置后輸出3-60Hz的正弦電壓，用于牽引電動機的調速。

變頻裝置采用交—直—交的方式變換頻率，先把交流電變為平穩的直流電，然后再利用逆變原理把直流電變為交流電。其單相交流電變頻原理及波形如圖2所示。

圖2? 單相交流電變頻原理及波形

變頻電路由整流電路和逆變電路組成。如果改變電子開關的導通和關斷時間，即可得到不同頻率的方波電壓，實現變頻。

為在負載電阻RL上得到正弦波電壓，可在方波的正半周或負半周使電子開關多次通斷，形成圖中波形。該波形在各時間段內的平均值可近似形成正盛波其基波為正弦波，這種方式形成的正弦波即為脈寬調制波。如果按比例改變各小矩形的寬度，就能改變正弦電壓的大小，能夠實現變頻調速。

如果把上述變頻電路中的整流二極管換成晶閘管，使整流后的電壓Ud可調，變頻后的正弦波電壓值也可通過改變Ud實現。

變頻電路中的電子開關可選用大功率電力晶體管、可關斷晶閘管、電力場效應管等電子元件，電子開關的通斷采用計算機及其相應的程序控制。

三相交流電路的變頻，由三相整流橋、三相逆變橋、計算機控制電路及相關的外圍裝置組成。

按照電動機變頻調速原理，在電動機電源頻率改變時，為保證磁通不變，必須改變電源電壓的數值。在電動機減速時，變頻裝置輸出的電源頻率降低、電源電也要成比例降低。電壓和頻率成比例的變化可由計算機按指令和程序控制各開關元件。

（二）監控裝置及輸入信號

監控裝置由控制機即計算機和可編程控制器及外設備、輔助設備組成。

監控裝置包括中央處理器、各種存儲器、接口電路、驅動電路、信號轉換電路、數據總線及顯示屏、輸出觸點等，其主要作用是把采煤機的操作信號、運行信號進行處理、變換，通過計算機對輸入信號進行運算，把采煤機調整在最優工作狀態。

變頻裝置信號。變頻裝置的各種信號如電路保護信號、電子開關控制信號、左牽引右牽引及增速、減速信號等，把與計算機的各種處理信號進行相互傳遞，保證牽引系統工作在最佳狀態，及時對變頻裝置出現的故障發出警報。

（三）端頭控制器

兩個端頭控制器一般設在采煤機左右，左、右端頭控制器只能控制端搖臂的升降，它們能對采煤機進行主停、牽引停、左行、右行的控制。端頭控制器由微型計算機（單片機）構成，采用并行輸入和串行輸出的工作方式和主控系統進行信號傳遞。

三、采煤機的操作

（一）采煤機啟動和停車

首先閉合隔離開關QS1～QS5，按下啟動按鈕SB1，磁力啟動器有電吸合，左截割電動機、油泵電動機及控制電路有電，并通過監控系統內部觸點K1自保；按下啟動按鈕SB2，磁力啟動器2QM有電吸合，右截割電動機、牽引變壓器有電，并通過內部觸點K2和K1自保。3臺電動機分兩次啟動，能防止較大的啟動電流的沖擊。

采煤機啟動時，為了使液壓系統及時建立液壓動力，一般應先啟動油泵電動機，因此，把1QM作為主啟動器首先啟動。在1QM未啟動時，由于觸點K1未閉合，啟動器2QM不能自保。若1QM啟動，則2QM能順序延時自動啟動，故可由一個啟動按鈕順序完成啟動過程。

采煤機停車時，可按動主控箱上的停止按鈕或左右端頭控制器上的停止按鈕。在故障狀態下，監控系統可通過內部自保觸點K1、K2停車。

（二）先導回路試驗及輸送機閉鎖

在按下按鈕SB4時，可檢測先導回路1P、1E和2P、2E有無異常。當功能顯示器上相應的綠色指示燈亮時，表明先導回路正常，采煤機可以啟動；否則，采煤機送不上電。在按下采煤機上的輸送機閉鎖按鈕SB5時，刮板輸送機停車并被閉鎖。

（三）搖臂升降

搖臂的升降可分別用主控箱和左右端頭控制器上相應按鈕進行操作。在按下按鈕時，搖臂開始做相應的升降運動；松開按鈕時，搖臂在此時的高度工作。

（四）采煤機的牽引

在采煤機送電后按下牽電按鈕SB11，監控系統使接觸器KM1吸合，變頻裝置有電。牽引操作時，可通過主控箱或左右端頭控制器上相應的按鈕進行。

左牽引操作時按下左行按鈕不放，采煤機開始左牽引并加速，當松開左行按鈕時，采煤機在此速度下左行。如果需要采煤機減速時，可按下右行按鈕，采煤機開始減速，松開右行按鈕時，減速停止。如果按住右行按鈕不放，左牽引速度會降為零。在采煤機需要改變牽引方向時，必須先按下牽停按鈕，然后再按方向按鈕，這時，采煤機才能改變牽引方向。

在變頻裝置需要斷電時，要先按下牽停按鈕SB12不放，再按下牽電按鈕SB11，此時接觸器KM1斷電釋放，變頻裝置失電[3]。

（五）除濕系統操作

在采煤機長時停機使其內部出現潮氣時，可采用手動方式除濕，即先按下牽停按鈕SB12不放，再按下除濕停止按鈕SB19，除濕裝置啟動。要先放開除濕停止按鈕，再放開牽停按鈕。除濕系統斷電時，按下除濕停止按鈕。

（六）采煤機的顯示

采煤機主控箱上的液晶顯示屏下端有3個操作按鍵，分別用于顯示屏上光標的移動和菜單命令的執行。三鍵配合，實現監控系統的人機對話。

一是屏幕顯示。采煤機送電后，液晶顯示屏的左右兩側各有一排從上到下的發光塊，左邊表示操作信號，右邊表示執行信號。如操作左搖臂上升時，按下左升按鈕，屏幕左邊相應的發光塊閃爍，表明左升操作成功，監控系統已接收到信號。此后右邊對應的發光塊也亮，表示控制信號已發出。在系統正常情況下，采煤機左搖臂上升。

在顯示屏中部，可設置顯示采煤機型號、當前時間、采煤機累計運行時間及制造廠家名稱。在顯示屏的下面是返回功能操作塊。

二是內容顯示。用光標移動按鍵把光標移到返回功能塊上，按下執行鍵，屏幕上出現選屏菜單。菜單內容有截割電動機、牽引電動機、油泵電動機、瓦斯檢測、牽引系統等運行參數、曲線顯示和故障內容顯示、保護參數、極限參數、運行參數等設置。

若查看截割電動機運行參數，先把光標移到截割電動機運行參數塊上，然后按下執行鍵，屏幕顯示左右截割電動機的電流數值、電動機繞組溫度等內容。

三是曲線顯示。在選屏菜單狀態下把光標移到曲線顯示塊上，按執行鍵，屏幕上出現曲線顯示菜單，再把光標移到要顯示的內容名稱上，按執行鍵即可顯示相應的曲線。如果查看左截割電動機運行曲線，先把光標移到左截割電動機曲線菜單上，按執行鍵，屏幕上出現左截割電動機的電流曲線、電壓運行曲線、溫度曲線等選項塊，再把光標移到相應的選項塊上，按執行鍵就能顯示相應的曲線。

四是參數設置。在選屏菜單狀態下把光標移到相應的參數設置塊上，按執行鍵，屏幕顯示參數設置菜單，再選相應的參數。

結束語

電牽引采煤機中電動機速度的改變多用變頻調速技術的方法，可用晶閘管可控整流一直流電動機系統調速。采煤機電氣工作由主回路、變頻裝置、監控裝置、控制電源等組成。變頻裝置采用交—直—交的方式變換頻率，先把交流電變為平穩的直流電，然后再利用逆變原理把直流電變為交流電。三相交流電路的變頻，由三相整流橋、三相逆變橋、計算機控制電路及相關的外圍裝置組成。變頻裝置的各種信號如電路保護信號、電子開關控制信號、左牽引右牽引及增速、減速信號等，把與計算機的各種處理信號進行相互傳遞，保證牽引系統工作在最佳狀態。

參考文獻：

[1]查丁杰，王永祥.采掘機械使用與維護[M].徐州：中國礦業大學出版社，2009.

[2]蘇月.煤礦機電設備技術管理[M].北京：化學工業出版社，2015.

[3]張梅桂.煤礦機電設備管理[M].北京：煤炭工業出版社，2017.