煤礦電機運行參數(shù)在線監(jiān)測技術(shù)研究

【摘要】 為了保證煤礦電機的可靠運行，本文以數(shù)字信號處理器DSP為核心，設(shè)計煤礦電機運行參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，并分別設(shè)計監(jiān)測系統(tǒng)硬件電路和軟件程序，重點設(shè)計了電流檢測電路和溫度檢測電路。監(jiān)測系統(tǒng)具有實時監(jiān)測電機運行參數(shù)的功能，對于提高煤礦電機的可靠性和保證井下安全生產(chǎn)具有重要的意義。

【關(guān)鍵詞】 煤礦電機 電流 溫度 監(jiān)測

隨著整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)、煤制油技術(shù)和煤制氣技術(shù)的高速發(fā)展，未來我國對于煤炭的需求將不斷增加。目前，我國煤礦安全生產(chǎn)狀況持續(xù)好轉(zhuǎn)，煤礦開采環(huán)境得到改善，事故總量和百萬噸死亡率都在逐年下降，但煤礦安全生產(chǎn)形勢依然嚴(yán)峻，重特大生產(chǎn)事故時有發(fā)生，制約安全生產(chǎn)問題的根本隱患未能得到有效治理。煤礦電機是井下應(yīng)用較多的生產(chǎn)設(shè)備，也是最容易出現(xiàn)故障的設(shè)備，所以煤礦電機的性能直接制約著煤礦電網(wǎng)質(zhì)量（電機起動、制動對電網(wǎng)有較大沖擊）及安全生產(chǎn)工作能否順利開展。開展煤礦電機運行參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究是提高煤礦電網(wǎng)質(zhì)量，實現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)，保證安全生產(chǎn)工作順利進(jìn)行的關(guān)鍵。

一、煤礦電機數(shù)學(xué)模型

分析時對理想的煤礦電機作如下假設(shè)：

① 因為三相繞組完全對稱，氣隙磁場為方波，定子電流、轉(zhuǎn)子磁場分布皆對稱。

② 忽略齒槽、換相過程和電樞反應(yīng)等的影響。

③ 電樞繞組在定子內(nèi)表面均勻連續(xù)分布。

電機電壓平衡方程：

（1）

式中，U表示每相電壓，r表示每相電阻，i表示運行時每相電流， L表示運行時每相電感，E表示每相反電動勢。則煤礦電機的運行電壓方程為：

（2）

（3）

（4）

其中，ua、ub、uc為外加的A相、B相、C相相電壓，ia、 ib、 ic是A相、B相、C相相電流，L為相電感的自感，Mab、Mbc、Mca為每兩相間的互感，ea、eb、ec為A相、B相、C為相反電勢。ra、rb、rc為 A相、B相、C相相電阻。

在忽略轉(zhuǎn)動時的粘滯系數(shù)的情況下，煤礦電機的方程可寫為：

（5）

其中，Te為煤礦電機額定轉(zhuǎn)矩，TL為煤礦電機負(fù)載轉(zhuǎn)矩，J為煤礦電機轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動慣量的總和，ω為煤礦電機機械角速度。

二、監(jiān)測系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

煤礦電機運行參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)工作原理：首先利用高精度傳感器對電機運行過程中的轉(zhuǎn)矩、溫度、速度、電壓和電流進(jìn)行實時測量；然后傳感器輸出信號經(jīng)過信號采集與放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行處理后傳遞給DSP；最后DSP對電機運行參數(shù)進(jìn)行運算和分析，將電機運行參數(shù)信息在LED顯示屏上顯示出來，同時將運算的結(jié)果發(fā)送給上位機進(jìn)行分析處理，下邊分別對電流測試電路和溫度測試電路進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1溫度測試

溫升衡量煤礦電機運行狀態(tài)的重要指標(biāo)。實時監(jiān)測電機本體、逆變單元等部分的溫度時保證煤礦電機安全、可靠運行的重要措施。AD590是美國AD公司研制的一種電流式集成溫度傳感器，這種器件在被測溫度一定時，相當(dāng)于一個恒流源，輸出1μA/K正比于絕對溫度的電流信號，具有較強的線性度和抗干擾能力。將AD590溫度傳感器粘貼在煤礦電機測量部位，隨著電機溫度的升高，AD590溫度也隨著增加，輸出電流也隨著增大，把電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)信號采集與放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路傳送DSP，溫度檢測電路如圖1所示。

2.2 電流測試

傳統(tǒng)電路設(shè)計時，通常采用串接分壓電阻作為傳感器來實現(xiàn)對電流信號檢測，這種檢測方法簡單實用，但由于溫漂影響難以保證電阻值穩(wěn)定不變，所以采集到的電流值精度不高，且控制系統(tǒng)的反饋電路與主電路若沒有經(jīng)過隔離，一旦功率電路的高電壓通過反饋電路進(jìn)入控制電路，勢必會危及控制系統(tǒng)的安全，造成重大損失。所以采用高精度霍爾電流傳感器對煤礦電機三相電流進(jìn)行實時檢測，傳感器采用±12V電源供電。

三、監(jiān)測系統(tǒng)軟件程序設(shè)計

軟件程序是整個監(jiān)測系統(tǒng)的靈魂。本文利用最新的DSP軟件編譯環(huán)境CCS3.3對控制系統(tǒng)軟件程序進(jìn)行編輯、調(diào)試和燒寫。CCS3.3集成開發(fā)環(huán)境提供了配置、建立、調(diào)試、跟蹤和分析程序的工具，該開發(fā)環(huán)境可以實現(xiàn)嵌入式信號處理程序的實時編制和測試，能夠加速軟件程序的開發(fā)速度，縮短了軟件開發(fā)周期。它支持軟件概念性規(guī)劃、創(chuàng)建工程文件、編寫源程序和配置文件、語法檢查、探測點設(shè)置、日志保存、實時調(diào)試、統(tǒng)計和跟蹤等整個軟件開發(fā)周期，軟件流程如圖2所示。

四、結(jié)束語

隨之我國智能化電器和智能化礦井技術(shù)的發(fā)展，煤礦電機運行參數(shù)在線監(jiān)測技術(shù)。本文結(jié)合煤礦安全生產(chǎn)現(xiàn)狀和煤礦電機數(shù)學(xué)模型，利用DSP對煤礦電機運行參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，包括溫度測量電路、電流測量電路及相關(guān)軟件程序等。監(jiān)測系統(tǒng)能夠完成對煤礦電機運行參數(shù)在線監(jiān)測的任務(wù)，對保障煤礦安全生產(chǎn)和保證工作人員安全具有重要的意義。