礦井大功率提升機驅(qū)動系統(tǒng)研究

馬孝春

(汾西礦業(yè)高陽煤礦，山西 孝義 032300)

近些年來煤炭行業(yè)機械化、電氣化得以快速發(fā)展，機電設(shè)備的整體性能顯著提升，提升機作為礦井生產(chǎn)運輸中的核心設(shè)備，也朝著自動化、大型化、高速化方向發(fā)展[1～2]。驅(qū)動系統(tǒng)作為提升機的動力系統(tǒng)，其性能直接影響提升機提升速度、載荷、啟動及停止等。驅(qū)動系統(tǒng)按照輸入電流類型可分交流、直流兩種，其中直流驅(qū)動電機由于包含轉(zhuǎn)向器，設(shè)備維護保養(yǎng)難度較高，在礦井中應(yīng)用并不廣泛[3]?，F(xiàn)階段礦井普遍采用交流驅(qū)動系統(tǒng)，主要分為異步電機調(diào)速系統(tǒng)、同步電機調(diào)速系統(tǒng)兩種類型。

1 礦井提升機驅(qū)動系統(tǒng)概述

1.1 驅(qū)動工作原理

變頻驅(qū)動系統(tǒng)主要部件為變頻器，將變頻器一端與供電電源、驅(qū)動電機連接，一端與控制系統(tǒng)連接，控制系統(tǒng)發(fā)出指令給變頻器，變頻器根據(jù)指令改變輸出電流頻率從而控制驅(qū)動電機運行。在提升機運行過程中，檢測系統(tǒng)會對控制系統(tǒng)發(fā)出的指令、變頻器影響情況以及提升機運行狀態(tài)進行監(jiān)測，從而確保提升機可以平穩(wěn)運行。

1.2 提升機工作特點

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，提升機在運送人員、物料時加速度應(yīng)分別控制在0.75m/s2、1.20m/s2，且遇到特殊情況需降低提升速度或者緊急停止時，驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)確保提升機提升速度平滑改變，確保提升機運行可靠。

提升機在運行過程驅(qū)動系統(tǒng)給提升機的動力與提升機提升的載荷重量一致，并根據(jù)提升機提升高度對提升速度進行調(diào)整。具體的速度變化過程包括加速、均衡以及減速三個階段。根據(jù)有關(guān)研究成果[3～5]，提升機提升速度按照“S”型曲線時能夠?qū)崿F(xiàn)速度的平穩(wěn)變化，降低速度改變對提升機沖擊。具體“S”型曲線動力、加速度以及速度給定曲線見圖1。

圖1 “S”型曲線提升力、加速度以及速度給定曲線

從圖1看出，在0～t3時間段為加速提升階段，具體分為三個階段：

1)0～t1初加速階段，在此階段提升機驅(qū)動系統(tǒng)輸出功率逐漸增加，提升速度及受到的提升機逐漸加大，在此時間階段提升機提升加速度由0增加到最大值；

2)t1～t2均勻加速階段，在此時間段提升機在恒定的提升力(F)按照加速度(a)加速運行；

3)t2～t3加速終止階段，在此時間段內(nèi)驅(qū)動系統(tǒng)輸出功率逐漸降低，受到的提升力(F)不斷減小，提升機運行加速度(a)從最大值逐漸降低到0；

提升機在t3～t4時間段內(nèi)勻速運行，在t4～t7時間為減速階段，加速度變化過程與加速提升階段反向。

2 提升機驅(qū)動系統(tǒng)變頻調(diào)速方式

選用交-直-交變頻調(diào)速方式作為提升機的驅(qū)動控制方式，具體工作原理為：提升機變頻調(diào)速是采用逆變器接收控制系統(tǒng)發(fā)出的控制指令，通過轉(zhuǎn)變逆變器輸出頻率控制提升機驅(qū)動電機運行速度，具體逆變器的交-直-交調(diào)速系統(tǒng)見圖2。

圖2 逆變器的交-直-交調(diào)速示意圖

在提升機調(diào)速系統(tǒng)中控制電路由逆變電路、中間電路以及逆變電路三部分組成，電路間采用調(diào)節(jié)開關(guān)連接，不僅確保電路中電流在變頻時平滑轉(zhuǎn)變，而且還利用調(diào)節(jié)開關(guān)中儲能特性，降低電能消耗。

3 提升機驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

驅(qū)動控制系統(tǒng)模塊化設(shè)計，主要包括有電路模塊、控制軟件模塊以及保護模塊(檢測模塊)。

3.1 驅(qū)動系統(tǒng)電路模塊

1)主變電路設(shè)計

主變電路直接與礦井6kV/10kV供電電網(wǎng)連接，承受較大的電壓、電流，若主變電路直接與精密度要求高的控制電路連接，則會導(dǎo)致控制電路損壞。因此，在主變電路與控制電路間加裝高低電壓隔離器(霍爾器件)，對控制電路進行保護。主變電路采用交-直-交結(jié)構(gòu)，礦井供電電網(wǎng)高壓交流電輸送至PWM整流器后，輸出穩(wěn)定平滑的直流電，直流電一部由IGGT組成的逆變器轉(zhuǎn)變成控制驅(qū)動電機運行交流電，一部分由調(diào)節(jié)開關(guān)存儲。

2)控制電路設(shè)計

控制電路核心為DSP控制器，外部采用CPLD、AD7656元件進行功能擴展，具體可以實現(xiàn)的控制功能為：電路保護、信號采集與處理、電流電壓信息采集。通過高低電壓隔離器(霍爾器件)將主變電路與控制電路連接，實現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)控制信息的數(shù)字化傳輸，具體驅(qū)動系統(tǒng)電路模塊見圖3。

圖3 驅(qū)動系統(tǒng)電路模塊

3.2 驅(qū)動系統(tǒng)控制軟件模塊

控制軟件模塊主要用于設(shè)定硬件電路中各電子器件參數(shù)以及驅(qū)動運行。參數(shù)、信號傳輸在軟件主程序中實現(xiàn)，當(dāng)主程序接到控制指令后，先進行初始化化處理消除干擾信號，隨后根據(jù)接收到的指令對硬件電路中電子元件運行參數(shù)進行設(shè)置。控制軟件可以對接收到的控制指令進行內(nèi)部校核，從而確保主變電路、控制電路嚴(yán)格按照控制指令執(zhí)行。控制軟件模塊運行流程見圖4。

3.3 保護模塊(檢測模塊)

該模塊主要應(yīng)以保護驅(qū)動控制系統(tǒng)，當(dāng)檢測到驅(qū)動系統(tǒng)電路中有故障產(chǎn)生時，子程序?qū)⑹占降墓收闲盘杺鬏斨磷冾l控制器，控制器接收到故障信號后一方面封鎖PWM輸出，斷開主變電路中的接觸器；另外對故障信號進行分析，判定故障發(fā)生原因，并將原因分析結(jié)果傳輸至液壓顯現(xiàn)屏上發(fā)出警報。此時，控制軟件模塊中的終端服務(wù)程序調(diào)出運行，從而確保驅(qū)動系統(tǒng)電路安全。

4 總結(jié)

1)對大功率提升機驅(qū)動系統(tǒng)工作原理以及運行特點進行分析，并將交-直-交變頻調(diào)速方式選做提升驅(qū)動控制系統(tǒng)控制方式；

圖4 控制軟件模塊運行流程

2)對驅(qū)動控制系統(tǒng)硬件電路、控制軟件模塊以及保護模塊(檢測模塊)進行詳細(xì)設(shè)計，設(shè)計的大功率提升機驅(qū)動控制系統(tǒng)可以在一定程度上完善現(xiàn)階段提升機驅(qū)動系統(tǒng)，提升驅(qū)動系統(tǒng)的穩(wěn)定性。