煤礦電機運行參數在線監測技術研究

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

【關鍵詞】 煤礦電機 電流 溫度 監測

隨著整體煤氣化聯合循環發電系統、煤制油技術和煤制氣技術的高速發展，未來我國對于煤炭的需求將不斷增加。目前，我國煤礦安全生產狀況持續好轉，煤礦開采環境得到改善，事故總量和百萬噸死亡率都在逐年下降，但煤礦安全生產形勢依然嚴峻，重特大生產事故時有發生，制約安全生產問題的根本隱患未能得到有效治理。煤礦電機是井下應用較多的生產設備，也是最容易出現故障的設備，所以煤礦電機的性能直接制約著煤礦電網質量（電機起動、制動對電網有較大沖擊）及安全生產工作能否順利開展。開展煤礦電機運行參數在線監測系統的研究是提高煤礦電網質量，實現節能減排目標，保證安全生產工作順利進行的關鍵。

一、煤礦電機數學模型

分析時對理想的煤礦電機作如下假設：

① 因為三相繞組完全對稱，氣隙磁場為方波，定子電流、轉子磁場分布皆對稱。

② 忽略齒槽、換相過程和電樞反應等的影響。

③ 電樞繞組在定子內表面均勻連續分布。

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。

在忽略轉動時的粘滯系數的情況下，煤礦電機的方程可寫為：

（5）

其中，Te為煤礦電機額定轉矩，TL為煤礦電機負載轉矩，J為煤礦電機轉軸上的轉動慣量的總和，ω為煤礦電機機械角速度。

二、監測系統硬件電路設計

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

2.1溫度測試

溫升衡量煤礦電機運行狀態的重要指標。實時監測電機本體、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，把電流信號轉換成電壓信號，經信號采集與放大電路、A/D轉換電路傳送DSP，溫度檢測電路如圖1所示。

2.2 電流測試

傳統電路設計時，通常采用串接分壓電阻作為傳感器來實現對電流信號檢測，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定不變，所以采集到的電流值精度不高，且控制系統的反饋電路與主電路若沒有經過隔離，一旦功率電路的高電壓通過反饋電路進入控制電路，勢必會危及控制系統的安全，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行實時檢測，傳感器采用±12V電源供電。

三、監測系統軟件程序設計

軟件程序是整個監測系統的靈魂。本文利用最新的DSP軟件編譯環境CCS3.3對控制系統軟件程序進行編輯、調試和燒寫。CCS3.3集成開發環境提供了配置、建立、調試、跟蹤和分析程序的工具，該開發環境可以實現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速度，縮短了軟件開發周期。它支持軟件概念性規劃、創建工程文件、編寫源程序和配置文件、語法檢查、探測點設置、日志保存、實時調試、統計和跟蹤等整個軟件開發周期，軟件流程如圖2所示。

四、結束語

隨之我國智能化電器和智能化礦井技術的發展，煤礦電機運行參數在線監測技術。本文結合煤礦安全生產現狀和煤礦電機數學模型，利用DSP對煤礦電機運行參數在線監測系統進行設計，包括溫度測量電路、電流測量電路及相關軟件程序等。監測系統能夠完成對煤礦電機運行參數在線監測的任務，對保障煤礦安全生產和保證工作人員安全具有重要的意義。