大功率礦井提升機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)模塊設(shè)計

王 浩

(山西焦煤集團(tuán) 技術(shù)中心， 山西 太原 030021)

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，礦井提升機(jī)在電氣控制技術(shù)方面有了很大的提升，整體性能不斷提高，逐漸向大型、重載、高速、自動化、智能化方向發(fā)展[1-2]. 驅(qū)動系統(tǒng)作為提升機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，其性能直接決定提升機(jī)的負(fù)載程度、提升速度及啟動和停止等。驅(qū)動系統(tǒng)按電機(jī)輸入的頻率可分為直流驅(qū)動和交流驅(qū)動兩類，直流驅(qū)動由于其電機(jī)含有機(jī)械轉(zhuǎn)向器，在運行過程中常常導(dǎo)致機(jī)械性故障頻發(fā)，維修難度及成本較高，逐漸被交流驅(qū)動系統(tǒng)所取代[3-4]. 目前，礦井提升機(jī)中使用最為廣泛的交流驅(qū)動系統(tǒng)主要是異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，隨著同步電機(jī)生產(chǎn)技術(shù)水平的不斷提高，大功率同步電機(jī)逐漸在大型煤炭企業(yè)中得到應(yīng)用。

1 提升機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)工作原理及分析

1.1 驅(qū)動系統(tǒng)的作用原理

提升機(jī)的整個驅(qū)動系統(tǒng)主要是以變頻器為中心樞紐，變頻器一端連接到電網(wǎng)和電機(jī)，另一端與主控系統(tǒng)相連。當(dāng)主控系統(tǒng)給出的命令傳遞到變頻器時，變頻器依據(jù)接收到的命令做出反應(yīng)，將命令進(jìn)行二次翻譯并傳達(dá)至電機(jī)。此時電機(jī)根據(jù)接收到的命令做出電頻調(diào)節(jié)動作，改變輸出電壓頻率進(jìn)而使得提升機(jī)進(jìn)行速度調(diào)節(jié)。在提升機(jī)運行的整個過程中，檢測系統(tǒng)會對輸入、輸出信號及提升機(jī)的運行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，保證提升機(jī)的正常運行。

1.2 提升機(jī)運行特點

根據(jù)相關(guān)安全規(guī)定，提升機(jī)在載人運輸時加速度不能超過0.75 m/s2，載物運輸時不能超過1.2 m/s2，且在運輸過程中因降低啟動和停止對提升機(jī)產(chǎn)生的沖擊作用，保證了提升機(jī)運行速度的平滑轉(zhuǎn)變，提高了整體系統(tǒng)的可靠性。

提升機(jī)在循環(huán)運行過程中驅(qū)動系統(tǒng)作用力大小與載物重量大體一致，同時結(jié)合提升高度進(jìn)行速度調(diào)節(jié)。一般包括加速提升階段、勻速提升階段和減速提升階段。根據(jù)諸多研究表明，“S”形速度曲線能夠有效實現(xiàn)速度的平滑轉(zhuǎn)變，降低變速對提升系統(tǒng)產(chǎn)生的沖擊?！癝”形速度給定曲線、加速度和動力圖見圖1.

圖1 S形速度給定曲線、加速度和動力圖

由圖1可知，0—t3為加速提升階段，在此階段提升機(jī)經(jīng)歷3個過程，分別為：1) 初加速段(0—t1)，此時井底箕斗待載物體已裝載完畢，井口箕斗已完成卸料，驅(qū)動電機(jī)逐漸加大輸出功率，箕斗受到的提升力(F)逐漸增大，箕斗運行速度(V)也隨之逐漸增大，此時箕斗的加速度(a)從0增大至最大值。2) 勻加速段(t1—t2)，此過程箕斗受到恒定的提升力(F)作用，以恒定的加速度(a)進(jìn)行加速運行。3) 加速終止段(t2—t3)，此過程為減沖擊過程，驅(qū)動電機(jī)逐漸減小輸出功率，箕斗受到的提升力(F)逐漸減小，箕斗運行速度(V)也隨之逐漸減小，此時箕斗的加速度(a)從最大值降低至0，在提高箕斗運行速度的同時平滑地減小加速度，在指定時間內(nèi)完成速度轉(zhuǎn)變。

t3—t4為勻速提升階段，使箕斗以最大運行速度進(jìn)行恒速運行。

t4—t5為減速提升階段，此過程同樣經(jīng)歷3個過程，與加速提升階段反向?qū)?yīng)。

綜上所述，提升機(jī)采用“S”形速度曲線不僅能減緩沖擊，提高提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且還能降低提升設(shè)備的維修成本。

1.3 提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)原理及設(shè)計

交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)作為提升機(jī)3大交流調(diào)速系統(tǒng)之一，其工作原理是通過逆變器接收主控系統(tǒng)發(fā)出的指令信號，將信號進(jìn)行翻譯傳遞至調(diào)節(jié)開關(guān)器件，讓其進(jìn)行通斷操作實現(xiàn)輸出電流的變頻，以改變系統(tǒng)電機(jī)頻率，見圖2. 在此轉(zhuǎn)換過程中，變頻調(diào)速系統(tǒng)中的電路由整流電路、中間電路及逆變電路3部分組成，電路之間均由調(diào)節(jié)開關(guān)元件連接，實現(xiàn)能量的雙向流動，不僅可以保證電流在變頻時的平滑轉(zhuǎn)變，而且還能利用調(diào)節(jié)元件存儲電能，實現(xiàn)低碳環(huán)保的能源利用。

圖2 交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)示意圖

2 大功率礦井提升機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)模塊設(shè)計

2.1 驅(qū)動系統(tǒng)硬件電路模塊設(shè)計

驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計包括兩部分內(nèi)容：硬件電路設(shè)計和軟件設(shè)計。其中硬件電路設(shè)計又分為兩部分，即主電路設(shè)計和控制電路設(shè)計。主電路一般是通過變壓器直接與6 kV/10 kV的礦山電網(wǎng)進(jìn)行連接，該電網(wǎng)電壓高、電流量大，如果直接與精密性較強(qiáng)的控制電路相連會造成控制電路的損壞。因此，一般在主電路與控制電路之間接有高低電壓隔離器(該系統(tǒng)選擇磁隔離的霍爾器件)用于電路的保護(hù)。

主電路采用交-直-交電路結(jié)構(gòu)，將電網(wǎng)輸送的交流電輸送至PWM整流器后變?yōu)槠交€(wěn)定的直流電，一部分用于電路儲能，一部分輸送至逆變器(主要由IGCT組成)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娐废到y(tǒng)驅(qū)動設(shè)備運行所需的交流電，將電能傳輸給永磁同步電機(jī)?？刂齐娐芬訢SP為核心控制器，外部連接AD7656、CPLD等輔助元件進(jìn)行功能擴(kuò)展，具體包括電壓電流采集、信號接收與處理、電路保護(hù)等。通過高低電壓隔離器將主電路與控制電路相連，實現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)的信息數(shù)字化傳遞，見圖3.

2.2 驅(qū)動系統(tǒng)軟件模塊設(shè)計

驅(qū)動系統(tǒng)軟件主要作用是實現(xiàn)硬件電路中各電子元件參數(shù)設(shè)置和驅(qū)動運行。信號、參數(shù)的傳輸均是在主程序中完成，當(dāng)主程序接收到指令時，進(jìn)行系統(tǒng)初始化消除系統(tǒng)自身攜帶的干擾信號，之后根據(jù)接收的指令進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，同時依據(jù)系統(tǒng)自帶的內(nèi)檢系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)校驗，內(nèi)檢完畢后將命令輸出進(jìn)入循環(huán)等待狀態(tài)，直到中斷信號的出現(xiàn)，見圖4. 此時驅(qū)動系統(tǒng)中的子程序開始運行，主要是通過對主電路中的電壓及電流進(jìn)行檢測，將收集到的信號檢驗、計算、編碼、發(fā)出。該信號直接作用于轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，根據(jù)發(fā)出的命令選擇相應(yīng)的開關(guān)量驅(qū)動電路進(jìn)行自動化運行。

圖3 驅(qū)動系統(tǒng)硬件電路設(shè)計圖

圖4 系統(tǒng)主程序流程設(shè)計圖

2.3 故障保護(hù)中斷子程序模塊設(shè)計

當(dāng)電路中出現(xiàn)故障時，子程序?qū)⑹占降男盘柊l(fā)送至控制器，控制器收到信號時，一方面及時發(fā)出指令，封鎖PWM輸出，并且斷開電路中的主接觸器；另一方面將信號進(jìn)行分析，判斷故障的主要原因，并且通過信號傳遞將故障信號傳輸至液晶顯示屏和緊急報警器，見圖5. 此時中斷服務(wù)子程序進(jìn)行工作，保護(hù)電路系統(tǒng)安全。

圖5 中斷服務(wù)子程序設(shè)計圖

3 結(jié) 論

通過分析提升機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)工作原理及提升機(jī)的運行特點，選擇交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)作為大功率提升機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)，其次對驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行了硬件電路模塊設(shè)計、軟件模塊設(shè)計及故障保護(hù)中斷系統(tǒng)模塊設(shè)計。該大功率礦井提升機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計在一定程度上實現(xiàn)了對現(xiàn)有礦井驅(qū)動系統(tǒng)的完善，整體性能不斷提高，促使礦井提升機(jī)逐漸向大型、重載、高速、自動化、智能化方向發(fā)展。