我國從上世紀80年代后期開始研究交流變頻調(diào)速電牽引采煤機，90年代初期研究成功樣機。10多年來，在采煤機的系列設(shè)計、控制系統(tǒng)及功能完善上作了大量研究，開發(fā)出系列交流變頻電牽引采煤機，已在國內(nèi)煤礦逐步推廣使用。近年來，在交流變頻調(diào)速電牽引采煤機發(fā)展的同時，陸續(xù)展開了開關(guān)磁阻調(diào)速和電磁調(diào)速電牽引采煤機的研究，為我國電牽引采煤機的發(fā)展起到了很大地促進作用。
 　　1　電磁調(diào)速電牽引采煤機

　　近年來我國機載變頻調(diào)速交流電牽引采煤機取得了較大地進展。由于采煤機在工作特點和我國煤炭企業(yè)的具體情況，電牽引采煤機在生產(chǎn)總量和使用范圍上與國外煤炭企業(yè)相比，仍然有較大差距。電磁調(diào)速技術(shù)是一種成熟的技術(shù)，由于它具備結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠、起動性能好、起動轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點，在其它行業(yè)已有成功應(yīng)用。通過進一步研究電磁調(diào)速技術(shù)，用現(xiàn)代技術(shù)改變其調(diào)速性能，使其適合采煤機牽引的需要，又將電磁調(diào)速的優(yōu)點應(yīng)用到采煤機上，研制一種結(jié)構(gòu)簡單、容易維護、制造成本低、牽引功率大、起動轉(zhuǎn)矩大的電磁調(diào)速電牽引采煤機，對我國電牽引采煤機的推廣將有很大地促進作用。

 　　雖然電磁調(diào)速電動機(圖1)是一種具有結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、使用可靠、起動性能好、起動轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點的調(diào)速設(shè)備，但要將電磁調(diào)速電動機作為采煤機牽引動力，仍然需要進一步研究。  圖1　隔爆型電磁調(diào)速電動機略

　　近幾年運用新材料新方法制作的電磁調(diào)速電動機，效率可提高10％；最高輸出轉(zhuǎn)速可達異步電機轉(zhuǎn)速的95％左右。調(diào)速電動機的速度測量是靠一個測速發(fā)電機來進行的，低速時性能本來就較差，再經(jīng)過轉(zhuǎn)換到控制回路，使得電磁調(diào)速電動機低速性能輸出不穩(wěn)定。為解決這一問題，在采煤機使用的電磁調(diào)速電動機中，使用了軸編碼器來測量調(diào)速電動機的速度，將速度測量數(shù)字化，提高測量精度，同時有利于將速度信號直接送入計算機處理，低速性能得到根本改善。

 　　在電磁調(diào)速電動機的研究和實際工作中，提高調(diào)整精度是一個重點。研究表明，與其它調(diào)速裝置所不同的是，它的調(diào)整精度取決于人為設(shè)計的電流控制器的精度和控制方法的選取。我們使用了計算機控制和提高電流控制器的精度后，完全可以解決低電流輸出的精度和穩(wěn)定性問題。

 　　2　電磁調(diào)速電牽引采煤機計算機調(diào)速系統(tǒng)

　　為了使調(diào)節(jié)效果更理想，電磁調(diào)速電牽引采煤機的調(diào)速系統(tǒng)采用速度、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)(圖2)，并采用了計算機控制，使得系統(tǒng)更為完善。如果僅采用速度調(diào)節(jié)，由于電網(wǎng)電壓波動所引起的擾動作用，經(jīng)過一系列機電慣性的滯后才能反映到轉(zhuǎn)速上來，等到轉(zhuǎn)速反饋產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，為時已晚，增加電流內(nèi)環(huán)后，電壓擾動被包在電流環(huán)內(nèi)，可以及時地通過電流反饋得到調(diào)整，這樣，由電網(wǎng)電壓變化所引起的動態(tài)降速就比單環(huán)系統(tǒng)小得多。至于由負載引起的擾動，由于它處在電流環(huán)外，還是通過速度環(huán)來調(diào)節(jié)。 圖2　雙閉環(huán)調(diào)速示意圖略

　　表面上看，電流負反饋有使特性變軟的趨勢，但是，由于電流環(huán)在速度環(huán)的里面，電流負反饋僅相當(dāng)一個擾動，在設(shè)計中，可把速度調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)做得足夠大，而且在正常調(diào)速的情況下不飽和，那么，電流負反饋的擾動作用就受到抑制。電流負反饋可能產(chǎn)生的降速完全被速度調(diào)節(jié)器的積分作用消除了。在啟動中，突加給定，轉(zhuǎn)速負反饋還沒有反應(yīng)過來，速度調(diào)節(jié)器處于飽和狀態(tài)，相當(dāng)于速度環(huán)處于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)在電流環(huán)的調(diào)節(jié)下工作，在這一過程中，系統(tǒng)表現(xiàn)為一恒流調(diào)節(jié)系統(tǒng)。適當(dāng)選擇參數(shù)，實現(xiàn) “時間最優(yōu)控制”的基本思想。

 采煤機電控系統(tǒng)采用西門子S7-200PLC可編程控制器作為中央處理機，該機型具有較高的可靠性，指令豐富，易于掌握，且內(nèi)部有豐富的內(nèi)置集成功能和強勁的通訊能力，對于采煤機控制極為適合。內(nèi)部的PID調(diào)節(jié)器可滿足速度和電流環(huán)的要求，外圍輔以必要的傳感器及執(zhí)行器件，實現(xiàn)對采煤機的操作控制及動力制動控制。控制核心采用西門子S7－200PLC，并擴展兩塊4輸入1輸出模擬量模塊EM235，并選用與S7200配套的ID－200漢顯模塊作為顯示模塊。外圍配件包括：電流變送器、輸出繼電器及移相觸發(fā)電路、可控硅整流電路等。在控制方式上采取了邏輯操作和運行速度的控制部分功能雙方案，在邏輯操作中，包括正反向牽引、停機控制、搖臂升降控制、制動閘的投切控制以及流量保護控制等。這些功能均由PLC根據(jù)操作命令及反饋信號和各種動作之間的相互閉鎖關(guān)系，由程序控制來實現(xiàn)。通過對其在實際運行過程中各性能參數(shù)的測定，可使額定運轉(zhuǎn)時的轉(zhuǎn)速變化率提高到0．5％以內(nèi)，穩(wěn)運精度提高到1％以內(nèi)。

 　　3　電磁調(diào)速電牽引采煤機的制動運行

　　工作面傾角較小時，控制系統(tǒng)將通過速度反饋，調(diào)整勵磁電流，將其減少，維持采煤機速度不變，這是電磁調(diào)速方式的一個優(yōu)點，在工作面傾角不太大時，系統(tǒng)將自動減少牽引力，最大限度地適應(yīng)工作面角度的變化。利用這一特性可不必使用制動。我們將不同的采煤機用于傾角在20°到30°的工作面上，采煤機仍能運行正常。在勵磁電流的觀察中可以發(fā)現(xiàn)，隨著工作面角度的增大，向下運行時的勵磁電流逐步減少。

 　　工作面傾角比較大時，采煤機工作阻力減小，勵磁電流已經(jīng)足夠小甚至趨近于零；而負載的速度仍然有變大或變大的趨勢，這時，為保證負載正常運行，需要產(chǎn)生一個制動力，和負力方向相反，來抵消這個負力帶來的影響。 圖3　制動示意圖　略 　　

為了適應(yīng)各個方面的情況，我們設(shè)計了手動和自動兩個制動功能，在采煤機停在向下運行的過程中，需要啟動時，可直接啟動手動方式，采煤機啟動后，在下滑力的作用下，采煤機開始向下運行，這時，按照需要給出勵磁電流，使采煤機按一定的速度運行。如果采煤機在運行過程中，下滑力逐漸加大，電磁調(diào)速系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)勵磁電流、減少電磁轉(zhuǎn)矩，仍不能有效地控制采煤機的運行速度時，采煤機進入自動制動程序。自動制動程序在運行過程中，一直檢測電流和速度的變化，如果電流一直在減小，速度仍有上升的趨勢，自動制動系統(tǒng)將進入預(yù)備執(zhí)行階段，先將原動機停電，繼續(xù)檢測轉(zhuǎn)速的變化，如果速度仍維持不變或有上升趨勢，系統(tǒng)則進入制動程序。

  　　在制動運行的過程中，仍然采用速度、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。從現(xiàn)場使用情況看，電磁調(diào)速電牽引采煤機在負載轉(zhuǎn)矩和工作面傾角變化時，在計算機雙閉環(huán)控制下，能在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩，維持速度基本不變，采煤機正常運行。而采煤機本身除增加原動機一個制動閘外，不增加任何部件，結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活，操作方便，速度調(diào)節(jié)正常，非常適合在煤礦復(fù)雜的條件下使用。 　　4　電磁調(diào)速采煤機的應(yīng)用

　　近年來，我們利用電磁調(diào)速技術(shù)，研制了多種型號的采煤機，從薄煤層到中厚煤層，幾乎覆蓋了全部煤層。其中MGN132／316-DW型電牽引采煤機是一種薄煤層采煤機，它的采高范圍為1．1～1．9m，機面高度為853mm。由于采用電磁調(diào)速電牽引方式，使之機身較薄，過煤高度可達326mm，使用lm滾筒時，臥底量為160mm。該機型采煤機采用橫向積木式布置方式，多點驅(qū)動，具有結(jié)構(gòu)緊湊，裝機功率富裕量大，維修方便的特點。在設(shè)計中采用了電機和滑差同軸布置，同時電控箱尺寸小，使得機身長度縮小。該機型采煤機底部過煤空間比同類機機身高度大出許多，在工作中發(fā)生采煤機“托住”故障的可能性很小。該采煤機還采用了手動、指令器、遙控3種控制方式，操作方式非常靈活，為現(xiàn)場使用提供了方便。

 MXG-150／350D型電牽引采煤機，機身高度為1100mm，是一種無底托梁、橫向布置的新型電牽引采煤機。它采用了電磁調(diào)速電牽引作為牽引動力后，牽引力加大，結(jié)構(gòu)更加簡單，機身短。為了提高整機的穩(wěn)定性，特意加大了滑靴跨距，機身的主要部件之間用液壓螺母和高強度螺栓緊固成一個整體，沒有了底托架，過煤空間和臥底量都有所增加，整體適應(yīng)性更為加強。 　　MXC-500／4.5D型電牽引采煤機，機身高度為1685mm，是一種大采高采煤機。該機型采用電磁調(diào)速牽引后，牽引力為530kN。雖然牽引力大，但它的控制系統(tǒng)和上述兩種采煤機相同，控制電流最大仍為5A，這也是這種牽引方式的優(yōu)越性之一。

 　　在應(yīng)用中，3種電磁調(diào)速電牽引采煤機，經(jīng)過生產(chǎn)驗證，充分顯示了其顯著的特點和優(yōu)越性。MXG-150／350D在東龐礦、葛泉礦、顯德汪礦十幾個工作面使用。最大傾角達30°(葛泉礦1424工作面局部傾角)，使用的是MXP-350WD采煤機，重量為25t，工作面是俯采，負載轉(zhuǎn)矩較大。我們利用電磁調(diào)速的優(yōu)點，減少勵磁電流，控制著電磁轉(zhuǎn)矩，保持了采煤機運行速度；顯德汪礦使用MGNl32／316-DW型電牽引采煤機，煤層厚度1.3～1.5m，年產(chǎn)原煤45萬t（包括有兩次搬家）；邢臺礦7809工作面傾角局部達到35°，使用的是MXP-500WD采煤機，重量為48t，走向沒有角度，負載轉(zhuǎn)矩小，在不使用制動程序時，有下滑現(xiàn)象，在使用了制動程序后，將原動機制動住，再向電磁調(diào)速電動機中輸入勵磁電流，形成制動力矩，采煤機調(diào)速運轉(zhuǎn)正常。

 　　5　電磁調(diào)速電牽引采煤機的特點 　

　(1) 控制性能好、起動轉(zhuǎn)矩大。 使用計算機控制和雙閉環(huán)調(diào)節(jié)后，采煤機的調(diào)速性能大為提高，控制性能良好，數(shù)字式的測量、控制、給進，使采煤機的穩(wěn)定性比較好。由于電磁調(diào)速電動機是在原動機正常運行狀況下調(diào)速的，起動力矩大，并且可調(diào)。

（2） 控制功率小、扭矩大。在電磁調(diào)速電動機的控制系統(tǒng)中，控制的是勵磁電流，不控制功率電流，并且最大才5A，這就大大簡化了控制系統(tǒng)，同時，由于控制的是勵磁電流，對于各種電磁調(diào)速電動機，可以用同一種控制器，可對于不同的電磁調(diào)速電動機，整定不同的參數(shù)，其控制系統(tǒng)全部相同，這給制造和調(diào)試工作帶來方便，對批量生產(chǎn)更為有利。尤其使用計算機控制系統(tǒng)，優(yōu)點更突出。 　　由于電磁調(diào)速電動機體積小，可在同樣的空間內(nèi)安排大功率電磁調(diào)速電動機，同時，隨著對電磁結(jié)構(gòu)的進一步研究，還可以加大輸出扭矩，這就更增強了電磁調(diào)速電動機的負載能力，拓寬了使用范圍。 　　

（3） 電壓適應(yīng)性好，體積小 。 在實際應(yīng)用中，電動機和電磁調(diào)速器是安裝在一起的，所占空間小。又由于控制部分簡單，電控箱可以做得很小，而且由于電磁調(diào)速器的原動機的電壓可以和負載的其它電機的電壓相同，因此，可適應(yīng)各種電壓的采煤機，電牽引調(diào)速部分不需要大功率變壓器，可使采煤機整機的體積大為縮小。這一優(yōu)點，在薄煤層采煤機設(shè)計中顯得尤為寶貴。因為薄煤層采煤機的過煤空間較小，如果機身設(shè)計的太長，對起伏不平的工作面條件適應(yīng)性將受到影響，甚至可能發(fā)生“托住”的現(xiàn)象。 　　

（4） 制動運行性能好 。 電磁調(diào)速電牽引采煤機在負載轉(zhuǎn)矩和工作面傾角變化時，在計算機雙閉環(huán)控制下，能在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩，維持速度基本不變，采煤機正常運行。采煤機運行在大傾角工作面時，計算機對勵磁電流和運行速度進行分析，判斷是否進入制動程序。制動程序分為手動和自動。采煤機本身除增加原動機一個制動閘外，不增加任何部件，結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活，操作方便，速度調(diào)節(jié)正常。 　　

綜上所述，電磁調(diào)速電牽引采煤機在調(diào)速方式上具有創(chuàng)新點，并且，為使電磁調(diào)速系統(tǒng)更好地應(yīng)用于采煤機電牽引上，對電磁調(diào)速電動機和控制器進行了創(chuàng)新研究，并成功地應(yīng)用到采煤機上，使得電磁調(diào)速電牽引采煤機具有牽引力大、可控性好、控制功率小、電壓升級方便、采煤機牽引和電控部分所占體積小等特點，并且其結(jié)構(gòu)簡單、成本低、使用維護方便。而且，調(diào)速器本身的一些不利因素都能通過技術(shù)途徑予以解決。全部技術(shù)擁有自主的知識產(chǎn)權(quán)。到目前為止，電磁調(diào)速電牽引采煤機已經(jīng)有薄煤層和中厚煤層幾個機型，在幾個煤炭企業(yè)使用狀況良好，并且經(jīng)受了復(fù)雜工作面的考驗。