1、 安装类别：类。1.3 主要技术参数输入电源：3300V50Hz额定电流：400A防爆形式：ExdibI截割电机：2900kW/3300V破碎机电机：160kW/3300V泵电机：35kW/3300V牵引电机：110kW/380V1.4 电气系统组成采煤机电气系统总体框图如（附图1）所示。系统主要由高压控制箱（KXJG-400/3300C）、组合控制箱（ZJT-50/330C）截割电机、牵引电机、破碎电机、泵电机及各种操作控制装置组成。整个电气系统的操作控制由一套名为TDECS的控制系统实现，它是一种采用网络分布式结构的嵌入式计算机控制系统。1.4.1 高压控制箱高压箱布置于采煤机的右牵引箱内
2、，具有控制、操作、显示、电源配置及连线、分线等功能。如（附图2）所示。高压箱由电气腔和接线腔组成，电气腔除靠老塘侧开前盖外，还开有两个上盖，便于元器件的安装和布线，接线腔靠煤壁侧开盖。电气腔内装有3300V输入电源的隔离开关（不能带负荷通断），控制左右截割电机、破碎电机和泵电机用的四个高压真空接触器，检测各电机电流和牵引变压器电流的电流互感器，各电机的漏电闭锁器等。前盖装有隔离开关手把、各操作按钮以及观察窗，前盖的上部还装有一块小盖板，小盖板上装有一个采煤机电源先导回路的试验开关，不用开前盖，只要打开这块小盖板，就可检查控制回路的保险丝等。高压箱的3300V电源由老塘侧前盖左上角的弯喇叭口引入
3、。接线腔的左右两侧共装有12个喇叭口，左右截割电机、破碎机电机、泵电机的连线，以及组合控制箱牵引变压器的输入线均由此引出，其余的小喇叭口分别用于各控制线的出入。1.4.2 组合控制箱组合箱布置于采煤机的中间框架内，具有控制、操作、显示、电源配置及连线、分线等功能，如（附图3）所示。整个组合控制箱由变压器腔、计算机控制腔、变频器腔和接线腔组成，除接线腔靠煤壁侧开盖外，其余各腔均在老塘侧开盖。变压器腔内安装着由水冷墙隔开的3300/440V向变频器供电的牵引变压器。计算机腔内设有计算机系统、控制盒、本安电源和非本安电源以及大屏幕中文显示器等。变频器腔内安装着分别向左右牵引电机供电的两个变频器，变频
4、器输入电源侧的真空接触器，外围控制电路以及能耗制动用的制动单元和电阻器等。各腔之间的连线均在接线腔内完成，接线腔左右两侧共装有25个喇叭口，高压箱送入的3300V电源线、左右牵引电机的连线均由此出入，其余的小喇叭口分别用于连接端头控制站，传感器，分线盒，无线电遥控接收天线，以及和相邻高压电气箱相连。1.4.3 TDECS控制系统的简介TDECS控制系统是天地科技专为采煤机应用开发的一套采用分布式控制的嵌入式电子控制系统。TDECS系统结构如（附图4）所示，其底层通信网络以两条CAN总线为骨干，运行多协议的RS485为分支的高度灵活的结构。TDECS控制系统的基本设计思路是采用分布式结构，按功能
5、将控制系统划分为多个相对独立的部分，各部分之间以串行通信线路相连。这种设计方案将各部分传感器信息就近处理后集中传送，大大减少了弱信号的长距离传输，也减少了系统连接电缆的数量。各部分功能大都由专用处理器协助完成或者是独立完成，最后传送给主控制器是运算处理后的结果，这不仅减轻主控制器或其它节点的负担，还有效地减少中间过程数据在通信线路上的传输，减轻了对通信容量的要求。主要的分布式模块均采用专用DSP控制器为核心设计，具有较高性能。下面分别介绍一下TDECS系统各部分的功能。中央控制单元是TDECS系统重要部分，它是本设计中功能最强，结构也是最复杂的部分。中央控制器由三块紧密相连的电路板，处理器板、
6、模拟接口板和继电器输出与电源板构成。在整个系统中它的主要功能包括：（1）牵引调速系统的操作控制、牵引系统保护、牵引电机负荷平衡和恒转矩控制功能，要求同时支持以数字通信方式和模拟继电器方式实现对牵引变频器的控制；（2）与左右两端头操作显示站通信，接收并处理来自端头操作站的操作输入，将系统一些主要运行数据送端头显示；（3）与左右两端头信号检测站进行实时数据交换，将相关机器参数与状态信息送往两检测站，接收来自两端的各种传感信息；（4）支持摇臂调高、破碎机升降及其它液压操作电磁阀控制；（5）截割电机恒功率自动调节功能、重载反牵和三机联动控制；（6）提供煤机中间箱面板操作控制、基于开关量输入或总线输入方
7、式的无线电遥控操作接口；（7）将机器当前主要操作状态和故障信息，送语音预警器，接收来自语音预警器当前所监测的工作面瓦斯浓度信息，执行瓦斯超限保护；（8）提供8通道Pt100温度传感器接口，用以检测各电机和变压器绕组温度，并计算保护；（9）提供8通道模电流电压传感器接口，执行相关模拟量输入任务（目前只用其中3个通道，作为模拟方式牵引电流监视和牵引变压器400伏输出电压监视）；（10）提供2通道0-10V模拟电压输出接口（其中一通道同时支持4-20mA电流输出，支持以此信号实现牵引速度控制）；（11）中央控制器内有两个DSP处理器，其中辅助处理器主要处理传感和操作信息提供相应的通信接口，主处理器用
8、于执行控制程序；（12）支持端口隔离和故障限制，提供符合防爆要求的本安通信接口等。按照分布式控制的思想，本设计将TDECS系统中的主要外设通信功能集中到一个可独立运行的通信模块。该模块主要实现下列功能：（1）责系统与两台牵引变频器实时通信，支持以数字通信方式实现对牵引调速系统的完全控制；（2）实现系统中控制部分与人机界面部分的交互，将系统中状态信息送往专用显示单元，接收来自HMI对系统参数的修改请求，执行相关操作；（3）提供一个本质安全型可设定参数的键盘通信接口，允许用户通过此键盘设定或调整控制系统工作参数，切换HMI显示画面；（4）支持煤机与顺槽的双向数据载波调制通信，实现采煤机、运输机和液
9、压支架的三机联动接口功能等。在高压大功率采煤机中，高压动力回路部分一般都单独设置在一个被称为“高压箱”的隔爆腔体中。在TDECS中将高压动力监测与保护功能设计成一个单独的功模块，本系统称之为“动力监测与保护模块”。（1）五个33kV高压动力设备（左右截割电机、牵引变压器、破碎电机和调高泵电机）三相工作电流，共计15路电流信号，进行的实时监测；（2）根据可设定的额定值，对上述五动力设备分别实施反时限过载保护、短路保护和三相不平衡保护；（3）根据其它节点检测出的上述五设备的当前温度情况，分别实施过热降额或停机保护；（4）在系统上电之初，对15路电流传感器的状态进行自测试，提供电流传感器失效保护；（
10、5）对高压箱内部的温度和湿度进行连续监测，向系统提供过热和过湿报警等功能。在机器的两端各设一个信号检测处理节点，称为“端头信号检测站”。端头信号检测站由一块含有多种信号输入接口的DSP处理器板构成。端头信号检测站及相关传感器回路都被设计成本质安全型。两个信号检测站的功能如下：（1）负责监测处理安装在机器端部的截割和牵引减速传动系统温度传感信号；（2）处理摇臂倾角传感器输出信号，根据中央控制单元送来的机身倾斜数据及机器结构参数，实时计算并输出当前滚筒的截割高度和截割位置；（3）通过绝对型旋转编码器接口，实时计算并输出机器在工作面的位置信息；（4）检测并处理机器两端的保护和信号装置的输出等功能。为
11、了能在相对安全的地方监视采煤机的运行情况，系统设计一顺槽同步显示箱。该显示箱可安装在远离采煤机的顺槽磁力启动器旁边。箱内设有一通信模块，由该模块通过运输机闭锁信号线以频分复用（信号载波）的方式实现与采煤机内通信模块双向数据通信。同步显示箱的基本功能如下：（1）现顺槽与采煤机之间的双向数据传输；（2）允许在顺槽静止的开关架上同步显示采煤机的运行状态信息，显示方式应设成与煤机上主显示器形式相同；（3）提供能与运输机和支架控制系统通信的数据端口，形成工作面三机联动的数据网关；（4）支持将采煤机的工作状态数据实时送入矿井综合信息网，并允许地面调度室对采煤机的工作状态进行调节。顺槽同步显示箱内的通信模块
12、硬件与采煤机内通信模块是完全相同，不同的是内部软件功能。1.4.4 采煤机电气系统附件1电动机a截割电机：功率为900kW，额定电压为3300V，额定电流为180A，数量为两台。b牵引电机：功率为110kW，额定电压为380V，额定电流为205A，c破碎电机：功率为160kW，额定电压为3300V，额定电流为33A。d泵电机：功率为35kW，额定电压为3300V，额定电流为89A。2电磁阀共有9个电磁阀，型号为34GDBY-H6B-T，用于左、右摇臂调高、破碎机升降、顶护板支撑，左右挡煤板的正反转。1.4.5 其他部件由于时间和其它一些因素的影响，在本文设计中还没有实现记忆截割功能，仅作了一些
13、前期研究。提出了一个记忆截割模块的初步方案，将记忆截割模块设计成一个可选件，根据研发情况和用户的要求可随时增减该模块。控制系统中央显示器是外购平板电脑，配组态软件。专门用于系统状态和数据的显示输出。设左右端头操作和显示站，可实现机器两侧司机操作输入和23种工作数据的LED显示。另外由于机器中央显示器（HMI）为了防爆，被安装在隔爆壳体内，显示部分隔着厚厚的防爆玻璃，其触摸屏功能在机器上无法使用。本系统还设计有可用于人机接口显示画面切换和参数输入的本质安全型设定键盘。2、电气控制系统2.1 先导回路及运输机闭锁回路2.1.1 先导回路先导与运输机闭锁回路如（附图5）所示。从3300V主电缆引入的
14、采煤机磁力启动器先导信号线经高压接线腔进入高压箱电气腔，经先导二级管、高压隔离开关辅助接点和主停按钮ST后，由主启按钮SQ与组合电气箱中主控制器的自保兼综合控制保护继电器CC-KO24接点并联，再与无线电遥控急停继电器节点串联后，回到高压箱接线腔，连主电缆先导信号线。该回路设有旋转开关和发光二极管组成的先导回路通断测试线路，用于故障诊断时逐级检查各串联控制节点的通断情况。注意：先导测试开关平时必须置于零位！开机时，先将高压隔离开关合上，启辅助节点接通，再将主停按钮拔出到解锁位置，按下主启按钮SQ，先导回路接通，顺槽磁力启动器将3300V工作电源送采煤机，牵引变压器输出400V为控制系统提供工作
15、电源，组合箱控制腔内的TDECS系统的中央控制器得电后正常启动运行，它将使其KO24输出继电器得电，其常开节点闭合，形成采煤机上电自保，这时操作员方可松开主启按钮，完成启动操作。如果控制系统检测到任何断电停机命令和停机故障存在，它将断开KO24触点，从而使先导回路断开，执行停机操作。无线电遥控急停操作则由遥控接收盒内KY1继电器单独执行。2.1.2 运输机闭锁回路来自主电缆的运输机闭锁信号线从高压箱接线腔先直接通过一信号电缆引入到组合箱内，进入通讯模块载波线路接口板SMN-J1的线路接口，经隔离后从其信号接口端引出，串联无线电遥控运停节点，连到高压箱内串联运输机闭锁按钮。通讯模块与顺槽煤机同步
16、显示箱之间的数据传输是通过运输机闭锁线，以载波（频分复用）的方式实现。在采煤机和顺槽同步显示箱内载波通信接口板上，有用于运输机闭锁和通信信号隔离耦合电路。如果与顺槽通信功能出现故障，或怀疑载波通信影响运输机闭锁功能时，可将组合电气箱与顺槽同步显示箱内通信模块的线路接口板电源插头（标记为-SMN-J2）同时取下后，进行试验。必要时在采煤机侧和顺槽侧将载波通信电路同时旁路，进行试验。2.2 控制方式采煤机由先导控制将顺槽磁力起动器，3300V主电源送入高压箱，经隔离开关，由真空接触器执行各高压电机操作，另有一路则进入组合控制箱，在组合控制箱内，3300V电源由牵引变压器降压为400V电源，作为牵引
17、变频调速系统动力电源，也用于控制系统各部分控制电源。变频调速系统由两个变频器组成，分别控制左右牵引电机执行无级调速，计算机系统是整机电气系统的核心，分别对系统完成监测、控制、保护和自动调节的作用。2.3 高压控制箱系统主电路3300V电源经隔离开关Q分成五路，四路送入真空接触器KM1、KM2、KM3、KM4，操作左右截割电机、破碎电机和泵电机的运行，另一路经电流互感器直接由接线腔送出，作为采煤机另一配套设备组合电气箱的输入电源。真空接触器由按钮、继电器和保护触点等构成的电路控制，它可分别控制各个电机的运行，也可顺序控制这些电机的运行。系统控制变压器的电源取自组合电气箱的400V电源。真空接触器
18、控制的四个电机分别配有漏电闭锁保护，任意一个保护动作，相应接触器就不能投入工作。真空接触器采用220V操作电压，为增强安全性，系统采用中间继电器将接触器操作控制逻辑回路采用24V交流电操作，最后由一中间继电器节点控制接触器220V操作线圈。接触器线圈回路的交流220V电源，设有漏电保护电路，一旦保护动作，所有电机都将停止工作。在高压箱内有一个动力检测与保护模块，它是TDECS系统的功能模块之一，主要负责对五个3300V动力回路进行电流监测和保护，包括对高压箱内部温度和湿度进行监测。该模块由装在一个不锈钢盒子内的DSP处理器板和传感器接口板构成。传感器接口板含有LEM电流互感器信号取样与调理电路
19、，温度湿度传感器接口电路和多通道模数（A/D）转换电路。处理器板上有DSP控制器、CAN信接口、电机综保继电器和互感器自测试控制继电器等电路。DSP控制器负责对传感器信号进行实时数据处理，并执行电机过流反时限、短路和缺相保护算法，相应监测数据和保护运算结果通过CAN总线送到其它相连的模块，如需要对某一电机进行停机保护，则向CAN总线输出数据的同时控制内部相应的综合保护继电器，使对应真空接触线圈回路断开。在TDECS系统中对四台高压电机的过热停机保则是组合箱内中央控制器监测到电机过热后，通过CAN总线将过热停机命令传到动力监测与保护模块，断开相应的综合保护触点实现。该模块又两种工作模式，一种是容
20、错型工作模式（DSP处理器板上拨码开关SW1-1置为OFF位置时），在该模式下模块对动力回路的监测和保护功能的执行不受CAN总线和其它控制模块的状态影响，在其它部分出现故障时模块仍最大限度的执行监测和保护功能。另一种是增强安全型模式（DSP处理器板上拨码开关SW1-1置为ON位置时），在该模式下如果模块与CAN总线通信中断或组合箱内中央控制器故障不能正确交换数据，动力监测模块将执行保护操作停止所有高压电机。在高压箱内有一个动力监测与保护模块运行指示发光二极管，在模块正常运行时该指示灯会不断闪烁。当模块没有执行任何电机保护停机输出时，该灯每秒闪烁25次，有故障保护存在时，该灯每2秒闪烁一次。在确
21、认引起故障的条件不存在后，司机需要执行复位操作。在TDECS系统中，大部分机器保护动作后需要人工确认复位，才允许继续正常操作。复位方法：将组合箱面板上的“备用”和“牵停”按钮同时按约1秒钟，然后释放并将“备用”按钮拔出。高压控制箱电气原理图见（附图6）。2.4 组合控制箱控制原理组合控制箱电气原理图如（附图7）所示，控制功能可大致分为以下几部分（1）恒功率自动控制设置恒功率自动控制的目的是为了充分利用截割电机的功率，同时也不使电机超载而损坏。根据功率P=公式，功率P正比于电流I。在TDECS系统中，由高压箱内的动力监测与保护模块将两截割电机的当前负荷状态通过CAN主通道实时传送到主控制器，由主
22、控制器根据当前系统状态与配置，执行恒功率自动调节。调节原理，当任一截割电机工作电流大于110%Ie时，主控制器输出命令自动降低牵引速度，直到截割电机退出超载区，当截割电机负荷都小于90%Ie时，系统将逐步恢复牵引速度直到最大给定速度。其中P：截割电机实际功率Ie：截割电机额定电流（2）重载反牵控制重载反牵引功能的设置是为了使采煤机避免严重过载，达到保护电机的目的。当任一截割电机负荷大于130Ie时，通过计算机的反牵定时电路使采煤机以给定速度反牵引一段时间后，再继续向前牵引。如果反向牵引设定时间（默认值10S）到，截割电机负荷并没有下降到额定义内，则系统将停止牵引，进入故障锁定状态，需要确认故障
23、并人工复位后，方能重新启动。（3）电机温度保护在左、右截割电机绕组内埋设Pt100热电阻，热电阻直接接入主控制计算机模拟量接口板。当任一台电机温度达135时，主控制器将该电机的温度状况传送到高压箱，动力监测与保护模块自动将对应电机的过载保护计算基准值降低到额定值的70%。如果电机温度进一步升高到155，则主控制器输出信号，动力监测与保护模块将断开对应电机的真空接触器控制回路，执行过热停机保护。（4）电机过载保护在高压控制箱每个控制回路（左截割电机，右截割电机，破碎电机，泵电机）均装有三个电流互感器，由动力监测与保护模块根据设定的各电机的额定值与反时限特性，就地执行短路、过载和缺相保护，并将执行
24、结果通过CAN总线通知其它模块。（5）牵引电机热保护在左、右牵引电机绕组内埋设Pt100热电阻，Pt100直接接入主控制计算机模拟量接口板。当任一台电机温度达135时，系统会将对应电机的过流保护动作基准值降低到额定值的70%。如果电机温度进一步升高到155，则主控制器输出信号执行停止牵引保护（需要人工复位，方能重新启动）。（6）机载瓦斯断电控制采煤机上装有瓦斯传感器，它监测到的瓦斯浓度信号（频率信号），先送到组合电气箱内的语音预警装置处理，转换位数字信号，通过RS485总线传送到中央控制器。由中央控制器根据设置执行超限报警和断电保护。（7）遥控原理采用150MHz频段，在离采煤机一定范围内，左
25、、右发射机发出的操作信号，由组合箱内无线电接收机接收解码后，控制操作继电器输出相应的接点信号，这些接点信号与组合箱面板上的操作按钮并联，进入中央控制器，实现无线电控制摇臂升降、牵引速度方向等煤机操作。（8）端头控制站原理采用单片机将操作信号以RS485串行通信方式，将端头站的控制命令传至电气箱，由主控计算机来控制牵引方向、牵引加、减速、牵引停止、采煤机急停和左、右摇臂的升降等操作。（9）变频调速原理由交流异步电机的转速公式：n=（1-S）60f1/P其中：f1定子供电电源频率P极对数（一定）S转差率（一定）n转速所以在其他参数不变的情况下，电机的转速与电源的频率成正比，因此通过改变频率的方法即
26、实现改变电机转速的目的。（10）变频调速装置变频器为交直交、电压型变频器。来自牵引变压器的400V、50Hz三相交流电源，经真空接触器MC、快熔送入变频器输入端R、S、T，由变频器输入侧的桥式整流电路整流，经平波电抗器、直流接触器向滤波电容充电；为限制起始充电电流，这部分电路工作顺序为：首先接触器不吸合，整流电路经与接触器触点并联的限流电阻，向滤波电容充电，以限制起始充电电流，当充电电流小到一定值、直流回路建立足够电压时，接触器吸合，将限流电阻短接，此后电路建立起稳定的直流电压。然后再经过输出侧IGBT组成的逆变电路，将直流电逆变成变频变压的交流电（即VVVF电源），此电源接到牵引电机，即可调
27、速。当采煤机偶尔在缓倾斜煤层空载下坡时产生下滑力，或使牵引速度指令快速下降，牵引电机的速度将会超过同步转速而运行于发电状态，此时发电能量将通过变频器输出侧IGBT的反并联二极管回馈到中间直流回路，然后由变频器制动单元通过制动电阻消耗掉，从向产生电制动力矩，有效控制运行速度。变频器输出侧有十二个IGBT，组成三相桥式逆变电路。IGBT工作于开关状态，其导通与关断由驱动信号来控制。驱动信号由主控板形成，经驱动板放大后加到IGBT的门极，控制IGBT的导通和关断。主控板也即微机板，它是变频器的心脏，各种信息的处理、控制以及指令的发送，都是由它来完成。IGBT的驱动信号也是由它产生。驱动板主要用于放大
28、由主控板产生的驱动信号。变频器显示含有控制盘上数码管及发光二极管二部分。数码管正常时显示输出频率，也可选择显示输出电流等运行参数，故障时显示故障信息。为了牵引电机的制动性能，在变频器腔内安装了制动单元，在运行过程中如果牵引电机的速度超过同步转速，即电动机运行在发电状态，产生的电动势通过逆变电路进入变频器直流回路，当变频器控制回路检测到直流回路电压过高，制动单元开始工作，将直流电通过电阻变换为热能。变频器外围电路是指为完成变频器远控操作等功能而设置的控制及保护电路。主要由交流接触器、控制变压器、控制盒、通讯电路，显示器以及操作按钮组成。3、电气系统的安装及操作3.1 电气系统安装3.1.1 高压
29、控制箱（1）高压箱是采煤机的配套设备，安装在采煤机的右牵引箱内。（2）用螺栓和采煤机整机连接固定在一起。（3）按采煤机电气系统图连接输入、输出电缆。使各部分的低压控制线与3300V接线柱和电缆头之间，保持尽可能大的电气间隙。（4）检查高压箱的电缆引入装置，所有防爆面是否安装准确，螺钉是否紧固。（5）确认电缆无接地现象。（6）确认输入电源与说明书要求相符合。3.1.2 组合控制箱（1）组合箱是采煤机的配套设备，安装在采煤机的中间框架内。（2）用螺栓和采煤机中间框架连接固定在一起。（4）按要求连接组合箱的冷却水管。（5）检查组合箱的电缆引入装置，所有防爆面是否安装准确，螺钉是否紧固。（6）确认电缆无接地现象。（注：牵引电机电缆要脱开变频器检查。）（7）确认输入电源与说明书要求相符合。3.2 电气系统操作3.2.1 高压控制箱的使用、操作和显示（1）准备工作a将隔离开关Q打到“合”的位置上。b将主电源“断电（急停）”闭锁按钮拉出，使其处于解锁（闭合）状态。c将运输机闭锁“运闭”按钮拉出，使运输机解锁（触点闭合）。（2）接通主电源按下主电源“送电”按钮，这时观察窗的三个氖灯会点亮，这说明主电源3300V已送上。（3）分
