基于饱和继电反馈的采煤机电控系统参数辨识研究

基于饱和继电反馈的采煤机电控系统参数辨识研究

邢东

（太重煤机有限公司030032）

摘要：科技的进步，促进人们对煤矿需求的增多。采煤机是煤矿生产必备的机械设备，其运行效率直接影响到矿井的生产效益。随着电控技术的不断发展，采煤机中电气控制的应用越来越普遍，其可大幅度简化采煤机操作。但由于电控系统结构较为复杂，在井下工作面相对恶劣的工作环境下，电控系统容易发生各类故障，影响采煤作业的正常进行。本文就基于饱和继电反馈的采煤机电控系统参数辨识展开探讨。

关键词：采煤机；电控系统；继电反馈；参数辨识

引言

采煤机是保证煤矿正常生产的重要设备之一，其主要作用是截煤和落煤，组成部分包括电气环节、机械环节等。若采煤机工作过程中发生故障，会对煤矿企业造成巨大的经济损失。采煤机的牵引动力来源于牵引电动机，其主要的工作方式是励磁调速，工作于煤矿井下的复杂环境，必须具备较高的可靠性，才能保证调速系统安全稳定运行。

1采煤机电控系统故障分析方法

矿井井下工作环境相对比较恶劣，尤其是采煤工作面，潮湿、粉尘多、通风条件差、设备振动多等，加之采煤机工作强度大，使得采煤机电控系统故障发生率逐渐增加。如要对采煤机电控系统故障进行分析，则需要对其工作原理和相关技术参数有充分了解，再通过有效的检测设备和手段，查找出设备故障原因。电控系统故障发生之后，应对故障原因进行检查，故障原因排查应遵循由简及难、从明显到隐蔽的原则，从简单的明显的故障因素排查入手，逐步核查出故障位置及原因。采煤机电控系统液晶显示器可以进行故障显示，因此可以通过显示故障类型进行原因分析。同时，可以通过观察故障发生的表现状况，确定故障发生的大致位置。此外，可重点检查继电器接点、接线端子、熔断器等部件，缩小故障检测范围，根据电路图及具体技术特征进行判别。

2基于饱和继电反馈的采煤机电控系统参数辨识

（一）采煤机电控系统结构。电动机控制系统是采煤机电控系统的重要组成部分，通常采用转速和电流双闭环控制，且均采用PID控制，其中转速的误差信号经过外环PID控制器得到内环电流控制信号的参考值，该参考值再与采样的电流信号作差，经过内环PID控制器而最终得到整流器的驱动信号，基于双闭环控制的采煤机电控系统如图1所示。对于煤矿采煤机电控系统而言，当其在煤矿井下工作时，由于煤矿电网谐波以及其他设备的干扰，给速度控制环和电流控制环都带来了一定的影响，从而使得闭环控制系统的性能变差，严重情况下会带来煤矿井下的安全隐患，因而有必要对2个控制环节的PID参数进行辨识，达到控制性能的最佳。

图1基于双闭环的采煤机电控系统

（二）采煤机电控系统函数。由图1可知，采煤机电控系统为双闭环控制系统，为保证转速环的误差尽可能的小以及消除扰动电流的影响，转速外环和电流内环均采用比例积分（PI）控制，并且外环和内环是相互独立的，参数的调节不存在相互的影响。为建立采煤机电控系统的传递函数，可对采煤机电控系统的各个环节进行建模求解传递函数。（1）滑差离合器传递函数结合电动机的电枢方程，可求得对应的传递函数方程

（1）

式中Kd———滑差电动机时间常数；R———电枢电阻。

（2）电动机传递函数。结合电动机的机械特性以及对应的运动方程，可得到电动机的传递函数方程

式中K1———电动机励磁电流的变化率；K2———电动机电磁转矩的变化率；M——电动机的转矩。

（3）整流器传递函数。由于采煤机电控系统采用的是电磁调速系统，故需要考虑整流器的影响，结合整流器的运行特性以及滞后特性，其传递函数：

式中Kr———比例系数；τ———时间常数。

（二）采煤机电控系统参数辨识。由于控制系统中含有2个PI控制器，且速度环是主要的控制目标，可采用分步整定方法对速度外环和电流内环分别进行PI参数辨识，首先对电流内环的PI参数进行整定，整定完之后将内环投入，再对转速外环进行参数整定，整定完之后再将整个系统投入运行。当对电流内环进行整定时，对应的闭环传递函数

式中Gn（s）、Gi（s）———第1级和第2级的传递函数；

G1（s）、G2（s）———内环控制对象和外环控制对象。同理，当对转速外环进行整定时，对应的闭环传递函数

因此，根据式上边两式可求得采煤机电控系统电流内环以及转速外环的临界增益和对应的临界频率。

3采煤机电控系统运行可靠性分析

3.1电控箱结构布置可靠性分析

合理布置狭小电控箱空间内的电气元件，以便于其安装、布线和检修工作。（1）对于变压器等检修较少的电气件，应放置在电控箱靠近的位置；对于高低压快速熔断器等易损电气件，为便于对其进行检修，应布置在靠近电控箱盖板的位置（2）由于电控箱空间有限，对于变频器等体积较大的电气件，为了打开电控箱顶部盖板能直观观察电气件的使用情况、和线路松动情况，因此必须从顶部开孔放人;且必须留有充足的电气间隙和抓电距离在控制线端子排和动力线之间。（3）将隔离开关尽可能布置得离电控箱盖板近，以便能轻松地用隔离把手闭合隔离开关;隔爆腔位置极低，为了方便拆装，尽量用插头插座进行连接，少用接线端子连接。

3.2解决端头站和遥控器动作异常问题

端头站和遥控器动作异常是采煤机运行中经常发生的问题，如发生此类问题，则应对二者工作状态进行及时检查。检查端头站供电电压是否稳定，遥控器电池是否正常，端头站接线端子是否有老化松动、接触不良的情况，检查执行继电器、输入信号线、输出信号线等线路是否畅通。如外部检查结束后仍未发现故障原因，则需要对电控系统内部线路进行检查，检查内部各接点是否发生内连情况、线路两端是否有虚接松动的情况。

3.3电控系统抗振性能分析

在极薄煤层工作面复杂的条件下，采煤机由于机身轻因而长期处于大幅度振动的环境下，其电子元件易脱焊，针脚经常被振断等，因此要加强电气元件的抗振性。（1）整个电气系统的核心元件，主控制器一般采用导轨式卡接或螺栓压接两种固定方式，相对而言，导轨卡接固定方式的抗振性能比螺栓压接方式强，同时可在控制器下增加减振垫，以减少控制器的振动。（2）变频器电路板众多，其电子元件被振断的可能性最大，属于电控箱中较大的电器件。因此，将质量较重的电气件放在底层，如充电接触器和电容等，将电路板上易振断的电子元件用紧固胶固定，并放在上层，进行变频器的改造升级。（3）设计加固的印刷电路板，为提高其抗冲击力和抗振动力，采用压接装置固定，提高印制板的固有频率。（4）在采煤机正常工作时，电抗的支撑腿常常被振断，因此为了减少电抗的振动冲击，在电抗上方增设一个金属弹性材料的压板，增加变形量，而不是采用压接方式固定。

结语

本文提出了一种基于继电反馈的采煤机电控系统参数识别技术。该技术采用饱和继电反馈方法分别对电磁调速系统的电流环和转速环进行PI参数辨识，解决了煤矿井下采煤机电控系统的参数时变导致的效率低问题。

参考文献

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