掘进机截割变频调速技术研究

掘进机截割变频调速技术研究
崔治国
【期刊名称】《《机电工程技术》》
【年(卷),期】2019(048)008
【总页数】3页(P83-84,114)
【关键词】掘进机; 变频器; 变频电动机; 调速系统
【作者】崔治国
【作者单位】山西煤炭运销集团七一煤业有限公司山西高平 048400
【正文语种】中文
【中图分类】TD421
0 引言
在国内目前较为普遍使用的悬臂式掘进机的截割机构中一般情况下都使用电动机进行设备的直接驱动，电动机在运行过程中一般采用单速和双速两种运行方式，一般在煤岩层硬度较高时时使用低速进行驱动，其目的在于进一步提高电机的输出扭矩，同时可以很好地提高单刀的应力，提升设备截割头的破岩能力；相反的，当煤层硬度较低时就采用高速驱动的方式，这样就能大大提高截割动作进行的效率。

对于正在运行的设备而言，不能在多变的煤岩之间进行两种运行方式的自由切换，它需要设备停机操作后通过手动的方式进行切换，这会严重影响到设备整体的运行效率[1]。

针对上述问题，本文提出了一种新的变频调速设计，可以理解为通过优化启
动以及调速性能，实现高功率因数的操作，进而提高设备的电力节约效果。

也就是把交流变频的调节控制技术很好地运用在掘进机截割头部件的自动调节转速过程中，这样就能很好地提升截割过程的适应性，降低掘进机的损害，较少无功功率的消耗以及截齿消耗，同时还能提高掘进过程的稳定性以及效率，降低设备运行过程中产生的粉尘浓度以及噪音等污染，进一步改善掘进机的工作环境[2]。

1 变频器主体设计
1.1 结构组成
设备所使用的变频器一般为两象限变频器，在变频器内部的主回路中由整流桥、电抗器、充电回路、放电回路、滤波电容以及逆变单元和电抗器输出等等构成[3]，
有关主回路的拓扑结构图如图1所示。

图1 变频器拓扑结构图
1.2 主要工作原理
在变频器工作电路中，通过输入阻抗来限制电压突变以及电压变化引起的电流突变冲击。

在形成的平滑电压系统中包括了尖锋脉冲以及平滑的电路中可能产生的电压缺陷，这样就能很好地保护变频器的使用，同时还能改善功率因数，既可以实现电网干扰的阻止，又能降低由整流电路产生的电流对电网产生的干扰。

主电路中的输出阻抗目的是补偿线路分布所产生的电容干扰，在作用过程中还能抑制谐波电流的产生，同时提高高频阻抗的出现，进一步起到保护变频器的作用，从整体上减小设备运行噪声。

变频器的内部结构采用交流直流交替出现的电压变换方式，通过整流单元实现电压的转化，同时利用直流电路的支撑作用实现电压的平波处理。

在进行直流滤波电容的设计过程中设计过程中一般采用模块化的设计方式，单个的滤波模块都能实现直接与直流母线的并联，在滤波电容的材料选择方面使用的是薄膜电容，很容易进行安装，而且不存在电容的正负极问题[4]。

变频器的使用采用两象限式的变频器，它的优点是不存在任何的能量反馈问题，所以在选择整流单元的工作方式时尽可能采用三相全桥二极管的整流方式，工作电路主回路结构如图2所示。

在进行逆变回路的设计过程中通常选用IGBT的功率器件。

通过功率器件实现交变脉冲电压的输出。

同时由于功率器件的工作状态需要持续，同时需要在额定电压状态下持续导通，因此需要在电流导通状态下断开电路，动作时间不能太长，因此在功率器件的开关状态交替时会产生较高的电压电流尖刺[5]。

此时通过吸收电容能够实现尖刺的吸收，进而很好地保护功率器件的正常使用。

其中的逆变回路结构单元示意图如图3所示。

图2 整流单元主回路图
图3 逆变单元主回路图
2 变频电动机的开发
根据实际的工作需要选定变频电动机的级数为6，其额定转速选定955 r∕min，额定功率选定260 kW，电动机的调速范围选定（0～1 500 r∕min）。

根据上述需求选定260∕200 kW变频电动机，在工作过程中可以实现两种不同的工作状态，在额定的负载状况下能够实现转速的范围为1 487～1 500 r∕min 以及736～750
r∕min。

而且该变频电动机的工作性能以及产品质量已经符合国际的生产标准，其特点是扭矩大、效率高、防护等级高等，同时还具备较高的隔爆型防爆等级，电动机的安装尺寸具有灵活的安装方式以及接口，能够很好地满足该设备的整体结构需求[6]。

（1）该电动机的定子绕组采用的是耐电晕等级为200的结构，同时使用FCR的薄膜导线，这样就能很好地避免逆变电源的尖峰脉冲所导致的破坏，而且定子绕组的整体结构使用特殊的处理工艺，能够很好地保证定子的干燥性能。

（2）该电动机的转子采用的是鼠笼式的机械性能良好的结构，其中的护环与导条
之间使用钎焊一次成型，这样能大大提高电动机在高转速以及冲击载荷下的稳定性以及可靠性。

（3）轴承在进行密封的过程中采用的是复合式的迷宫结构。

同时采用三轴承式的承重结构，以及4点接触式的球轴承避免了电动机的倾斜工作问题以及轴向受力问题。

3 变频调速控制联调试验
在变频调速系统设计完成后，需要根据设计的变频器以及变频电机等辅助设备，在试验台上通过各种仪器仪表实现系统的调试调试试验。

从整个试验系统分析，其构成主要有260 kW的变频电机、500 kW的变频器以及其它的加载系统。

（1）第一步是对电动机进行空载试验，通过48 Hz的变频电源进行供电，电压设定为1 140 V，其目的是测定电机空载功率。

（2）第二步是在不同转速条件下，进行加载试验和负载扭矩的输出电流和转速的测定。

（3）之后便需要进行变频器的工作性能测试，将变频器调节到V∕F控制模式，给定转速后，使得变频器的输出电流给到170 A，此时测量电动机的输入电压以及电流转速等。

（4）最后对变频器进行过载试验，在变频器处于V∕F控制模式以及给定转速条件下，进行加载直到过载状况，记录动作过程的最大保护电流。

此时进行检验的仪器主要有TPS2024型号的示波器以及660型号的测功系数仪器[7]。

4 截割牵引调速系统设计
当进行完截割部件的转速确定后，就需要进行牵引速度的进一步控制，其目的是实现截割过程的扭矩输出最大化或者实现功率最大化，这样就能充分发挥掘进机的截割能力尽可能的实现，这样还能使得整个设备的振动量合理。

其中，有关牵引转速的控制过程原理分析可以表述如下：截割机构的转速划分为五档控制，通过一系列
的实验对每一档位的转速对性的牵引速度进行实验和记录，实验的最终评价指标是截割的振动范围是否在合理的范围内。

在掘进机工作的过程中使用传感器对转速大小进行测定，判断各个档位的电流大小，通过一系列的数据计算获得每档对应的牵引速度，进而获取到截割机构的牵引速度，同时与不同档位下的标准速度值进行对比分析，获取到速度的偏差值，然后经过一系列的系统操作后使用电磁阀进行开口大小的控制，进而实现电磁阀流量的控制，从而实现截割牵引速度的控制，将截割振动量控制在标准范围内。

如图4所示为截割牵引调速过程的原理图。

图中I为实际截割转速，其余为试验转速分析出的五档截割转速标准值[8]。

图4 掘进机截割牵引调速原理图
5 结束语
对系统中使用的截割变频调速系统EBZ260变频掘进机进行工业试验后，可以得
出该设备具有较强的截割能力以及截割效率，同时设备工作过程中的振动以及截齿消耗较小，设备工作能耗也相对较小等优势。

然而在实际的运行过程中依然存在稳定性方面的问题，这些问题的改进需要进行后期的研究才能实现产品的改进。

参考文献：
【相关文献】
［1］王旭启，杜振华.基于模糊算法的掘进机截割机构变频控制策略研究［J］.现代电子技术，2017（11）：31-33.
［2］聂倩.煤矿变频调速控制系统中PLC技术的应用研究［J］.山东工业技术，2016（17）：20-22.
［3］王慧，张笑，赵迪.基于PLC的掘进机恒功率变频调速系统仿真分析［J］.电子测量与仪器学报，2013（10）：71-73.
［4］赵丽娟，范佳艺.基于遗传算法的掘进机截割头多目标优化设计［J］.机械强度，2018（06）：
50-52.
［5］蔡文安，杨兆建，王义亮.截割头运动参数对掘进机截割性能影响的试验研究［J］.矿业研究
与开发，2017（08）：66-68.
［6］刘亚南，刘阳.掘进机截割头结构的改进设计分析［J］.现代工业经济和信息化，2017（13）：49-51.
［7］白宇.基于截割力与截割功率计算对掘进机截齿工作的研究［J］.当代化工研究，2019（01）：80-82.
［8］魏斌.刍议硬岩掘进机的截割机理及截齿力学特性［J］.山东工业技术，2018（21）：60-62.。