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1、基于變頻技術(shù)礦用吊斗鏟運(yùn)行控制的必要性
在露天采礦作業(yè)中，通常都會(huì)應(yīng)用到吊斗鏟，吊斗鏟也是目前應(yīng)用最大的挖掘機(jī)械。這種機(jī)械在實(shí)際的應(yīng)用中，具有工作效率高以及運(yùn)轉(zhuǎn)速率快的特點(diǎn)，能夠長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，并且開(kāi)挖的深度相對(duì)來(lái)說(shuō)較深，在礦產(chǎn)開(kāi)采中，可以使得礦產(chǎn)開(kāi)挖的深度達(dá)到80m的程度，而且可以使得斗容盡可能的接近120m3。另外，吊斗鏟的使用年限也較長(zhǎng)，其有著較強(qiáng)的抗磨損性能以及抗腐蝕性能，加上其在運(yùn)行的過(guò)程中，所消耗的成本費(fèi)用也較低，這就使得吊斗鏟在礦產(chǎn)開(kāi)采中得到了廣泛的應(yīng)用，并且受到了礦工人員的青睞。然而，這種吊斗鏟在應(yīng)用到礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)中時(shí)，由于不同的礦層有著不同的厚度，而且在硬度上也不盡相同。
所以，吊斗鏟在具體應(yīng)用的過(guò)程中，電機(jī)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也并不相同，如果針對(duì)不同的礦層采用相同的轉(zhuǎn)矩，不根據(jù)實(shí)際情況來(lái)對(duì)吊斗鏟的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，那么就會(huì)使得吊斗鏟的運(yùn)行效率降低，無(wú)法滿足實(shí)際經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求。所以，要根據(jù)實(shí)際的礦層情況，合理的選用相應(yīng)的吊斗鏟運(yùn)行控制方法，針對(duì)吊斗鏟在挖掘礦層過(guò)程中的實(shí)際情況來(lái)對(duì)吊斗鏟的拖動(dòng)情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，保障吊斗鏟運(yùn)行的合理性，選用合理的電機(jī)運(yùn)行方式，使得吊斗鏟的運(yùn)行可以滿足相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益，從而可以使得其能夠有效的降低對(duì)能源的消耗，最大限度的達(dá)到節(jié)能的效應(yīng)，使得運(yùn)行成本相應(yīng)的減少，最終保障礦產(chǎn)開(kāi)采的經(jīng)濟(jì)效益。
2、變頻器控制電路組成
系統(tǒng)中SIEMENS變頻器直接與電機(jī)設(shè)備相連，是驅(qū)動(dòng)部分的核心。其控制電路由以下幾部分組成：a.I/0電路。該電路使得變頻器有更好人機(jī)交互性，它具有多種形式的I/O(比如速度、運(yùn)行等)信號(hào)，還有各種內(nèi)部參數(shù)的輸出(如電壓、電流、頻率、保護(hù)動(dòng)作驅(qū)動(dòng)等)信號(hào)。b.逆變器和電動(dòng)機(jī)的保護(hù)電路。檢測(cè)主電路的電壓、電流等，當(dāng)發(fā)生過(guò)載或過(guò)電壓等異常時(shí)，為了防止逆變器和異步電動(dòng)機(jī)損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值。c.主電路的電壓、電流檢測(cè)電路。實(shí)現(xiàn)與主回路電位隔離檢測(cè)電壓、電流等。d.電動(dòng)機(jī)的速度檢測(cè)電路、將運(yùn)算電路的控制信號(hào)進(jìn)行放大的驅(qū)動(dòng)電路。它與控制電路隔離使主電路器件導(dǎo)通、關(guān)斷。
3、變頻技術(shù)的控制原理及其控制方式
變頻技術(shù)主要就是通過(guò)對(duì)電壓的調(diào)換來(lái)進(jìn)行電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。眾所周知，在變頻調(diào)速中，應(yīng)用最多的一種方法就是調(diào)換電壓的大小，通過(guò)改變電壓的大小來(lái)對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速速率進(jìn)行調(diào)整，在np，即極對(duì)數(shù)不變的情況下，n1，即同步轉(zhuǎn)速會(huì)因?yàn)轭l率發(fā)生變化而出現(xiàn)一定的變化。可以了解到，在轉(zhuǎn)速較差率，也就是s不變的情況下，轉(zhuǎn)速n以及頻率f兩者之間呈現(xiàn)的是正比的關(guān)系，在轉(zhuǎn)速越大的情況下，頻率也會(huì)越高。根據(jù)這一比例關(guān)系，就可以了解到，針對(duì)頻率進(jìn)行控制，可以使得電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速得到有效的控制，從而就能夠在一定程度上達(dá)到節(jié)能的效果。
從這一方面來(lái)分析，就能夠說(shuō)明，變頻器在發(fā)揮調(diào)速作用的情況下，交流電源的頻率也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的變化。針對(duì)電機(jī)進(jìn)行速度調(diào)節(jié)的時(shí)候，要盡可能的保持磁通量的固定。一般來(lái)說(shuō)，每極都會(huì)有一個(gè)固定不變的磁通量，該磁通量應(yīng)用數(shù)值符號(hào)來(lái)表示就是φm。當(dāng)磁通量較少的時(shí)候，鐵心的作用就無(wú)法真正的發(fā)揮出來(lái)，貼材料也就無(wú)法被充分的利用，這樣就造成了材料的浪費(fèi)。而當(dāng)磁通量過(guò)大的時(shí)候，會(huì)使得磁通趨向于飽和的狀態(tài)，這樣就會(huì)對(duì)勵(lì)磁電流有著較高的要求，會(huì)需要大量的電流才能夠位置磁通的流通，這樣就會(huì)使得電動(dòng)機(jī)的繞組因?yàn)殡娏髁魍枯^大，而出現(xiàn)過(guò)熱的情況，從而使得電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)損毀，造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。通常而言，直流電機(jī)匯總的勵(lì)磁繞組以及電樞繞組之間并不直接聯(lián)系，兩者都屬于獨(dú)立的狀態(tài)。
所以，要想使得電動(dòng)機(jī)不會(huì)被損毀，使得電流的流通量保持不變，只需要針對(duì)電樞反應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?，并且在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候做出一定的彌補(bǔ)即可。就以三相異步電機(jī)作為具體的實(shí)例進(jìn)行分析，轉(zhuǎn)子以及定子聯(lián)合作用，就會(huì)形成一定量的磁通，而著一些磁通在每一相中，通常都會(huì)產(chǎn)生一定的電動(dòng)勢(shì)。Eg所代表的就是因?yàn)闅庀洞磐ǖ母袘?yīng)的影響，而使得每相電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的相應(yīng)的有效數(shù)值。而f1則指代的是定子頻率，而N1指代的就是在定子中，每一個(gè)繞組在串聯(lián)中所構(gòu)成的繞組匝數(shù)，KN1代表的就是基波繞組所產(chǎn)生的系數(shù)。
根據(jù)公式(2)可知，針對(duì)Eg以及f1兩者的比例數(shù)值進(jìn)行合理的控制，將其作為固定值，就能夠使得磁通不會(huì)因?yàn)槠渌蛩氐挠绊懚霈F(xiàn)變化。然而，這樣的情況只是成立于理論中，而在實(shí)際中，要想使得磁通固定不變，還需要充分的考慮到基頻在上下兩個(gè)階段所具有的不同變化，從這兩個(gè)方面進(jìn)行分析就可以了解到：首先，基頻在下階段進(jìn)行變頻調(diào)速中，會(huì)將電動(dòng)勢(shì)保持在固定不變的狀態(tài)，根據(jù)公式(2)進(jìn)行計(jì)算，就可以得出，在保持φm固定不變的情況下，利用工頻對(duì)頻率f1進(jìn)行向下調(diào)節(jié)的過(guò)程中，就需要將Eg的數(shù)值進(jìn)行合理的降低處理。
然而值得注意的是，定子繞組電動(dòng)勢(shì)目前在控制上還無(wú)法達(dá)到精確的程度，因此，電動(dòng)勢(shì)的數(shù)值一般在取值上都會(huì)偏高，在沒(méi)有充分考慮到定子繞組漏磁阻抗壓降的情況下，就會(huì)使得定子的相電壓與電動(dòng)勢(shì)的有效值之間并不能夠形成等值。如果頻率相對(duì)來(lái)說(shuō)較低，那么電壓以及電動(dòng)勢(shì)的有效值都會(huì)相應(yīng)的降低，這樣就會(huì)使得定子的組抗壓降的作用較為明顯，這時(shí)候，對(duì)其就無(wú)法進(jìn)行忽視。而是要利用人工的方式來(lái)對(duì)電壓進(jìn)行有效的提升，從而達(dá)到降低定子壓力的效用。
其次，基頻在上階段進(jìn)行變頻調(diào)速中，頻率會(huì)隨著工頻的升高而不斷的升高，然而，無(wú)論頻率如何的變化，電壓一定是保持不變的。在這種情況下，磁通與頻率的變化是負(fù)相關(guān)的關(guān)系，隨著頻率的上升而不斷下降，這與直流電機(jī)中的弱磁升的情況相類似?；l上下的兩種調(diào)速情況連在一起，就得到了異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的控制特性，而在不同的轉(zhuǎn)速下電動(dòng)機(jī)都具有額定的電流，那么電動(dòng)機(jī)在溫升容許的條件下就可長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，其轉(zhuǎn)矩基也基本上隨磁通的變化而變化?；l以下屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”，基頻以上屬于“恒功率調(diào)速”。變頻器控制方式的選擇由負(fù)荷的力矩特性決定，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性根據(jù)下列關(guān)系式?jīng)Q定：P=TN/9550(3)式中：P———電動(dòng)機(jī)功率，單位KW;T———轉(zhuǎn)矩，單位Nm;N———轉(zhuǎn)速，單位r/min，在轉(zhuǎn)矩一定的情況下，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速就可實(shí)現(xiàn)對(duì)功率的控制，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。
4、電氣控制系統(tǒng)構(gòu)成
由于吊斗鏟本身線性尺寸大，運(yùn)載能力強(qiáng)，為了促使設(shè)備的各項(xiàng)性能充分發(fā)揮作用，以滿足安全高效生產(chǎn)需要，則電氣控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)尤為重要。系統(tǒng)運(yùn)用以PLC為控制中心，以PROFIBUS—DP現(xiàn)場(chǎng)總線通訊協(xié)議為數(shù)據(jù)通訊控制系統(tǒng)，結(jié)合變頻器驅(qū)動(dòng)裝置先進(jìn)的控制方式，再配合以德國(guó)霍伯納(HUBNER)絕對(duì)值編碼器及人機(jī)界面(HMI)等輔助設(shè)備，來(lái)完成整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控過(guò)程，使得吊斗車在運(yùn)行中具備了啟動(dòng)和停止平穩(wěn)、無(wú)沖擊、安全可靠的特點(diǎn)。
5、基于PLC變頻技術(shù)的吊斗鏟變頻節(jié)能控制
為了使得吊斗鏟能根據(jù)實(shí)際采掘需要不斷調(diào)整轉(zhuǎn)矩，就必須實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際轉(zhuǎn)矩的數(shù)字監(jiān)測(cè)，而轉(zhuǎn)矩在數(shù)值上是可以通過(guò)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的。其具體實(shí)現(xiàn)方案是在吊斗鏟的拖動(dòng)電機(jī)的主軸上放置轉(zhuǎn)矩傳感器并讓其與拖動(dòng)電機(jī)同軸運(yùn)行，設(shè)定轉(zhuǎn)矩值的參考值，將轉(zhuǎn)矩傳感器采集到的信息輸入到PLC中進(jìn)行判斷，構(gòu)成閉環(huán)控制，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行方式，不斷改變電源燈頻率，達(dá)到節(jié)能之目的。當(dāng)測(cè)得的實(shí)際轉(zhuǎn)矩值大于所設(shè)定的轉(zhuǎn)矩值參考值時(shí)，這說(shuō)明采掘物體硬度大，需要電機(jī)提高功率，即拖動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速無(wú)極上調(diào)，這時(shí)PLC發(fā)出指令，令變頻器提高低頻率運(yùn)行，進(jìn)而使從動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速無(wú)極上調(diào)，以此來(lái)使得測(cè)得的實(shí)際轉(zhuǎn)矩值下降到給定值;當(dāng)測(cè)得的實(shí)際轉(zhuǎn)矩值小于所設(shè)定的轉(zhuǎn)矩參考值時(shí)，這說(shuō)明采掘物體硬度小，需要電機(jī)降低功率運(yùn)行，即拖動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速無(wú)極下調(diào)，這時(shí)PLC發(fā)出指令，令變頻器降低頻率運(yùn)行，進(jìn)而使從動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速無(wú)極下調(diào)，以此來(lái)使得測(cè)得的實(shí)際轉(zhuǎn)矩值上升給定值?？刂圃砹鞒虉D如圖2所示。
6、結(jié)束語(yǔ)
利用PLC變頻技術(shù)對(duì)吊斗鏟實(shí)現(xiàn)變頻控制運(yùn)行，可以大大提高電能的利用效率，節(jié)約電能，達(dá)到節(jié)約生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益的目的，因此，我們?cè)趯?shí)際生產(chǎn)過(guò)程中要大力提倡。
