礦用梭車電氣系統設計

盛 況,任傳敏,賀志超,李 陽

(三一重型裝備有限公司)

礦用梭車電氣系統設計

盛 況①,任傳敏,賀志超,李 陽

(三一重型裝備有限公司)

介紹了以1 140 V交流電為動力的礦用梭車電氣系統的設計。梭車電氣系統包括供電系統、整車控制系統、變頻調速系統、顯示系統。整車采用CAN總線的通訊方式對車輛進行控制,并實時監控車輛的運行狀態,顯示車輛的各項運行參數。整車具有自動化程度高、性能安全可靠等優點,并且實現了零排放。

煤礦;梭車;電氣系統;設計;控制;性能

伴隨著我國煤炭產業的迅猛發展,煤礦機械化自動化水平不斷提高。采用連采機作為采煤的機械設備逐漸增多,由于連采機在使用中需要不斷在采煤區域中前進和后退,因此無法在后面布置皮帶機,這就需要使用一種能夠連接連采機與皮帶機的短距離使用的礦用車輛。由于連采機工作的環境大多為封閉的空間,使用柴油機為動力的設備尾氣污染嚴重,為此,三一重型裝備有限公司根據這種情況開發出使用電纜提供交流電,使用電機進行驅動,車輛不用掉頭即可完成接煤與卸煤的過程,能夠雙向操作,在連采機與皮帶機之間來回穿梭工作的梭車。

1 梭車電氣系統

梭車采用整體式車架結構,通過電纜卷筒從井下變電站引入1 140 V交流電,通過變頻器給左右兩側隔爆型三相異步鼠籠式交流電機供電,帶動各自的輪邊減速機驅動車輛行駛;通過隔爆型電控箱內交流接觸器給油泵電機供電,通過控制電磁閥實現車輛的轉向與前車架的舉升與下降;使用兩個交流接觸器控制刮板電機的正反轉,控制梭車的卸煤和接煤。整車自重25 t,載重15 t,最高車速可達7 km/h。傳動系統布置圖見圖1。

圖1 梭車傳動系統布置示意圖

礦用梭車電氣系統是整個車輛的核心,實現車輛的運行,如啟動、前進、后退、轉向以及車輛的照明控制、漏電檢測、刮板轉動、故障檢測處理等功能,實時監測車輛運行時的各項參數,并通過顯示屏進行實時顯示,保證車輛運行在最佳工作狀態。電氣系統主要由整車控制系統、動力管理系統、變頻調速系統、及數據顯示系統組成。

2 動力管理系統

梭車的動力通過電纜卷筒從變電站引來,卷筒內電纜利用擺線器能夠均勻排列,充分利用卷筒內的空間。通過電壓器將AC1 140 V轉換為AC220 V,通過開關電源與本安電源將AC220 V轉換為DC24 V與本安型DC24 V。

AC1 140 V用來向變頻器、油泵電機、刮板電機供電,通過變頻器控制牽引電機的轉動。AC220 V連接接觸器線圈,DC24 V給控制系統、照明、電鈴供電,本安型DC24 V向信號采集模塊、手柄供電。

3 整車控制系統

控制系統選用工程機械車輛專用控制器,具有CANOpen、CAN2.0總線接口,I/0端口,具有性能可靠、抗干擾能力強等優點,特別適合應用于工況惡劣的場合。控制器是整個電氣系統的大腦,實時接收外部的各種信息及數據,以實現對整車的控制。

只使用兩個手柄就分前后對梭車行駛進行控制,方便操作人員使用。

梭車啟動時,先通過漏電檢測模塊對電氣系統進行檢測,當漏電檢測正常后,允許進行其它操作,若發現系統漏電,將會予以提示,并且對車輛各項控制功能進行鎖定。檢測完成后,控制器接收CAN總線上的信號采集模塊的數據信息,包括液壓系統的壓力、液位、油溫等數據信息,并對其分析計算,進行相應的處理。其中信號采集模塊為本質安全型電路,其與整車的CAN總線通訊還需加裝總線隔離模塊。

當電纜卷筒放盡時,通過卷筒內的行程開關通知控制器實現自動停車,防止梭車繼續行動造成事故。

通過接收手柄前后動作的信號,控制變頻器輸出使梭車前進或后退。通過接收手柄左右方向動作的信號,由控制器向電磁閥輸出電壓使用梭車轉向。

梭車電氣控制按鈕連接到信號采集模塊開關量輸入口,通過數據線連接到控制器,控制器根據接收到的信號控制相對應的繼電器,實現各種功能。

通過接收變頻調速系統的數據,獲得牽引電機運行時的電流、頻率等參數,以對電機進行故障保護。

同時,控制器將計算處理后的數據信息按照預定好的通訊協議通過CAN總線發送給顯示器,在顯示器上對整車各參數進行顯示。

車輛系統上電后,控制器實時接收甲烷檢測報警儀的輸入信息,當瓦斯濃度超標時,斷開變頻調速系統的供電電路,實現瓦斯超標的保護。梭車整車電氣原理框圖見圖2。

圖2 電氣系統原理框圖

4 變頻調速系統

變頻調速系統采用ABB公司的ACS800變頻器,變頻器先將交流電轉換成直流電,再根據需要將直流電通過大功率IGBT元件逆變成三相交流電源,驅動交流牽引電機以提供牽引動力,控制采用無速度傳感器的DTC直接力矩控制技術,使三相異步電動機能達到直流電動機的起動轉矩和牽引特性[1]。

根據異步電動機的數學模型,電機的電磁轉矩可表示為定子磁鏈矢量和轉子磁鏈矢量之間的交叉乘積形式:

式中:

Lσ—漏電感;

ψs—定子磁鏈矢量;

ψr—轉子磁鏈矢量;

θ—磁通角。

根據上面的公式,改變定子磁鏈與轉子磁鏈的磁通角θ,就能改變電機的電磁轉矩。直接轉矩控制就是根據需要對電機的輸出轉矩進行直接控制。同時考慮在電機控制中,為保證對電機鐵心的充分利用,需要保持定子磁鏈幅值恒定;此時轉子磁鏈幅值由負載決定而不可控。由于轉子磁鏈的旋轉角速度不會突變,從而可以通過調整定子磁鏈在空間的旋轉速度來最終控制轉矩,進而可以控制電機的轉速。而定子磁鏈旋轉的速度,可以通過定子電壓空間矢量的切換控制來實現,即通過定子電壓空間矢量的工作狀態和零狀態的交替切換來控制定子磁鏈旋轉的平均速度。當定子磁鏈旋轉速度大于轉子磁鏈旋轉速度時,磁通角θ加大,轉矩增大;反之θ減小,轉矩減小,從而實現轉矩控制[2]。直接轉矩控制變頻調速系統見圖3。

圖3 直接轉矩控制變頻調速系統示意圖

異步電動機的轉矩通過逆變器輸出電壓矢量來控制,控制逆變器的開關策略由開關選擇單元給出。電動機的定子電流、母線電壓通過檢測單元測出后,經坐標變換器變換到模型所用的d-q坐標系下,再和轉速信號一起作為電動機模型的輸入,計算出磁鏈和轉矩;模型磁鏈幅值、轉速值、轉矩值同給定的輸入量比較后送入各自的調節器,經過兩點式調節輸出相應的磁鏈和轉矩開關量,這個量做為開關信號選擇單元的輸入,以選擇適當開關狀態,使電機能按控制要求調節輸出轉矩,最終達到調速目的。

DTC直接力矩控制系統與傳統的V/F及矢量控制變頻器比較,低頻(0.1 Hz)時能驅動額定負載平穩運行;理想正弦電流波輸出,電機發熱小,無振動;考慮鐵損補償,根據負載變化調整輸出實現優化節能,在制動、減速、下坡等工況運行時產生的再生電力將回饋蓄電池。并且完全能夠使三相鼠籠異步電動機達到和超過直流電動機的起動轉矩,DTC直接轉矩控制技術是目前最先進的交流異步電機的控制方式。這對井下環境惡劣、路面坑洼不平、長距離爬坡的工況非常有利。

5 車輛顯示系統

車輛顯示系統采用了車輛專用液晶顯示屏。該顯示器主控軟件采用C語言編寫。在液晶屏圖形顯示子程序中采用匯編語言編寫,以加快響應速度。系統初始化過程中,對時鐘、通訊接口、液晶屏等進行初始化。在通訊中斷子程序中,接收數據并對監控參數對應的變量進行實時更新。在主程序中對鍵盤與監控參數進行判斷,根據不同的情況控制顯示屏顯示不同的內容或界面。車輛顯示系統主界面見圖4。

6 結束語

圖4 梭車主界面示意圖

梭車以交流電為動力,采用工程車輛專用控制器通過CAN總線對整車進行控制,使用了先進的無速度傳感器的直接轉矩控制變頻調速技術,實現了車輛的無級調速。經過廠內試驗,梭車電氣系統滿足了設計要求,并且性能可靠、自動化程度高,通過實時監測車輛運行時的各項參數并進行相應處理,保證了車輛運行于最佳狀態,提高了生產效率,同時實現了無污染、零排放、高效節能,徹底解決了煤礦井下柴油機類車輛尾氣污染嚴重的問題。

[1] 韓安榮.通用變頻器及其應用[M].北京:冶金工業出版社,2004:95-102.

[2] 鄭益飛.基于DSP的直接轉矩控制變頻器的研究[J].電氣傳動自動化,2008(6):13-15.

Design of Electric System for the Coal-mining Shuttle Car

Sheng Kuang,Ren Chuan-min,He Zhi-chao,Li Yang

This article introduces design of electric system for the shuttle car driven by alternating current which voltage has 1 140 volts.Electric system is made up of the power supply system,control system, speed-adjustable system based on the variable frequency principle and display system.Communication is based on CAN bus,through which real-time monitoring the operational status of vehicle and dynamic displaying of operating parameters have been taken.The whole car has many outstanding characters,such as high-level automation,high reliability and zero emission.

Mine;Shuttle car;Electric system;Design;Control;Performance

book=4,ebook=141

TD641

B

1672-0652(2010)04-0004-04

2010-03-13

盛 況 男 1976年出生 1998年畢業于沈陽大學 工程師 沈陽 110027