直流傳動系統(tǒng)在地下礦山提升機調(diào)速中的應(yīng)用

［摘 要］傳統(tǒng)的交流傳動系統(tǒng)技術(shù)成熟，但在某些特定場合（如地下礦山）中存在維護成本高、效率低等缺點。文章提出直流傳動系統(tǒng)在地下礦山提升機調(diào)速中的應(yīng)用，介紹了西門子80 系列直流傳統(tǒng)系統(tǒng)的配置，探討了該傳動系統(tǒng)在地下礦山提升調(diào)速中的應(yīng)用。實驗結(jié)果表明，直流傳動系統(tǒng)下提升機能夠根據(jù)實際負載情況快速且平穩(wěn)地調(diào)節(jié)運行速度，證實了直流傳動系統(tǒng)在地下礦山提升機的調(diào)速及控制中應(yīng)用效果良好。

［關(guān)鍵詞］直流傳動系統(tǒng)；地下礦山；提升機；系統(tǒng)應(yīng)用

［中圖分類號］TD633 ［文獻標(biāo)志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）04–0092–03

直流傳動系統(tǒng)作為一種先進的傳動方式，憑借其結(jié)構(gòu)簡單、效率高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，在許多工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，在地下礦山提升機中應(yīng)用直流傳動系統(tǒng)仍面臨著一系列的挑戰(zhàn)。因此，需要根據(jù)礦山的具體情況，對直流傳動系統(tǒng)的控制策略和算法進行定制和優(yōu)化，以提高提升機的運行效率和安全性。本次研究旨在深入探討直流傳動系統(tǒng)在地下礦山提升機中的應(yīng)用，并針對其關(guān)鍵技術(shù)進行深入研究。研究結(jié)果將為礦山的生產(chǎn)效率和安全性提供技術(shù)支持，并推動直流傳動系統(tǒng)的進一步發(fā)展。

1 直流傳動系統(tǒng)配置

直流傳動系統(tǒng)主要包括直流電源、直流電機、連接電纜、控制模塊及保護裝置等關(guān)鍵部分，其中，直流電機為該系統(tǒng)的動力源。相較于交流電傳動系統(tǒng)，直流傳動系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)速性能優(yōu)秀、維護簡便等優(yōu)勢，尤其是以SINAMICS DC MASTER 控制模塊構(gòu)成的西門子80 系列直流傳動系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)自動化領(lǐng)域。因此，文章以西門子80系列直流傳動系統(tǒng)為研究對象，深入研究其在地下礦山提升機中的應(yīng)用。

西門子80 系列直流傳動系統(tǒng)的核心在于SINAMICS DC MASTER 控制模塊，其負責(zé)接收、處理各類輸入信號，并輸出相應(yīng)的控制指令?？刂颇K以其精巧的結(jié)構(gòu)和節(jié)省空間的設(shè)計方案，使各獨立組件之間均易于接近，為維護工作提供了極大的便利。與此同時，在使用啟動裝置進行直流傳動系統(tǒng)的調(diào)試作業(yè)時，可以通過高級操作面板AOP30 來實時顯示所需的調(diào)整、設(shè)定及測量值，該面板為直流傳動系統(tǒng)提供了更高性價比的設(shè)計方案。SINAMICS DCMASTER 控制模塊的技術(shù)指標(biāo)見表1。

SINAMICS DC MASTER 控制模塊的應(yīng)用有助于提升地下礦山提升機的直流傳動系統(tǒng)的自動化，且如果直流傳動系統(tǒng)需要更新或升級，其電機、功率單元等均能夠保留，只需要對控制模塊的閉環(huán)控制部分進行更換即可，且升級后的新系統(tǒng)可以使用簡單的參數(shù)設(shè)定適應(yīng)現(xiàn)有組件的配置。

2 直流傳動系統(tǒng)在地下礦山提升機調(diào)速中的應(yīng)用

2.1 基于直流傳動系統(tǒng)確定提升機控制矢量

基于西門子80 系列直流傳動系統(tǒng)的優(yōu)勢，將該系統(tǒng)應(yīng)用于地下礦山提升機的運行速度調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)提升機的高效調(diào)速。直流傳動系統(tǒng)作為一種先進的調(diào)速方式，主要通過合理調(diào)整電壓和電流的幅值、相位，完成對提升機電機轉(zhuǎn)矩與速度的控制，所以在直流傳動系統(tǒng)應(yīng)用于地下礦山提升機調(diào)速中，需要確定提升機的電壓、電流等矢量作為控制變量。

為了深入了解提升機中直流傳動系統(tǒng)的運行機制，需要建立一個直流電機的數(shù)學(xué)模型，通過該模型來描述電機的輸入和輸出關(guān)系。

式中，E0為直流傳動系統(tǒng)直流電機的反電動勢，U0為直流電機的輸入電壓，I0為直流電機的電流，R0為直流電機的內(nèi)阻。

直流傳動系統(tǒng)中直流電機的三相定子繞組在空間均對稱分布，即電壓矢量和電流矢量在空間互差120°電角度。根據(jù)式（1）所示數(shù)學(xué)模型，可獲取直流電機的電壓和電流矢量。

U0=[UAUBUCUaUbUc]T（2）

I0=[IAIBICIaIbIc]T（3）

式中，UA、UB、UC分別為地下礦山提升機中直流傳動系統(tǒng)的直流電機的定子相電壓三維矢量，Ua、Ub、Uc分別為地下礦山提升機中直流傳動系統(tǒng)的直流電機的轉(zhuǎn)子相電壓三維矢量，IA、IB、IC分別為地下礦山提升機中直流傳動系統(tǒng)的直流電機的定子相電流三維矢量，Ia、Ib、Ic分別為地下礦山提升機中直流傳動系統(tǒng)的直流電機的轉(zhuǎn)子相電流三維矢量，T為轉(zhuǎn)置。

2.2 矢量控制提升機調(diào)速

根據(jù)直流傳動系統(tǒng)獲取地下礦山提升機調(diào)速中的電壓與電流控制矢量后，采用矢量控制的方式進行提升機調(diào)速。在直流傳動系統(tǒng)的直流電機中，磁通由定子和轉(zhuǎn)子電流或者電壓共同組成，其中轉(zhuǎn)子矢量和電磁轉(zhuǎn)矩存在直接關(guān)系，而定子矢量則由電機狀態(tài)決定。因此，在采用直流傳動系統(tǒng)的矢量控制方式進行地下礦山提升機調(diào)速時，可根據(jù)所獲取的電流矢量數(shù)據(jù)，求出電磁轉(zhuǎn)矩。

Z1=NH[（IAIa+IBIb+ICIc）sinα+（IAIa+IBIb+ICIc）+sin（α+120）+（IAIa+IBIb+ICIc）sin（α-120）]（4）

式中，Z1為地下礦山提升機中直流傳動系統(tǒng)的直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩；N為直流電機的極對數(shù)；H為直流電機的定、轉(zhuǎn)子的互感；α為直流電機的定、轉(zhuǎn)子空間角位移，（°）。

根據(jù)式（4）所示直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩，可進一步得到直流電機的運動方程。

Z1-Z2=（J/N）（dω/dt）（5）

式中，Z2為地下礦山提升機中直流傳動系統(tǒng)的直流電機的負載轉(zhuǎn)矩，J為直流電機的轉(zhuǎn)動慣量，ω為直流電機的機械角速度。

利用PLC 控制液壓閘的啟動、停止及調(diào)節(jié)。通過設(shè)定PLC 程序和參數(shù)，可以實現(xiàn)提升機液壓閘的預(yù)壓力矩控制。根據(jù)電流值的變化情況，PLC 可以實時判斷提升機是否存在反溜現(xiàn)象。

3 實驗分析

為驗證直流傳動系統(tǒng)在地下礦山提升機中的實際應(yīng)用效果，以某JKMD 系列礦用提升機為對象，進行仿真實驗。表2 為實驗地下礦山提升機的標(biāo)準(zhǔn)配置參數(shù)。

按照表2 所示地下礦山提升機的標(biāo)準(zhǔn)配置，安裝并調(diào)試實驗提升機裝置，確保各組件正常運行后，即可開展礦山提升機的調(diào)速實驗。實驗過程中，為評估直流傳動系統(tǒng)的調(diào)速性能，采用傳統(tǒng)的調(diào)速方式為直流傳動系統(tǒng)的對照組，比較二者調(diào)速結(jié)果，分析直流傳動系統(tǒng)的性能。具體實驗結(jié)果如圖1 所示。

由圖1 可知，地下礦山提升機利用直流傳動系統(tǒng)進行調(diào)速，具備速度變化平穩(wěn)快速、響應(yīng)迅速、控制精度高等優(yōu)勢，可提高穩(wěn)定性和安全性。相比傳統(tǒng)調(diào)速方式，更可靠有效。

4 結(jié)束語

文章對直流傳動系統(tǒng)在地下礦山提升機調(diào)速中的應(yīng)用進行了深入研究。并通過實驗分析，驗證了直流傳動系統(tǒng)在提升機控制矢量確定和調(diào)速方面的優(yōu)勢。與礦山提升機的傳統(tǒng)調(diào)速方式相比，直流傳動系統(tǒng)在穩(wěn)定性、響應(yīng)速度及控制精度方面表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，提高了提升機的運行效率和安全性。

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