大功率礦井提升機驅動系統模塊設計

王 浩

(山西焦煤集團 技術中心， 山西 太原 030021)

近年來，隨著科學技術水平的不斷提高，礦井提升機在電氣控制技術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、智能化方向發展[1-2]. 驅動系統作為提升機系統的重要組成部分，其性能直接決定提升機的負載程度、提升速度及啟動和停止等。驅動系統按電機輸入的頻率可分為直流驅動和交流驅動兩類，直流驅動由于其電機含有機械轉向器，在運行過程中常常導致機械性故障頻發，維修難度及成本較高，逐漸被交流驅動系統所取代[3-4]. 目前，礦井提升機中使用最為廣泛的交流驅動系統主要是異步電機調速系統和同步電機調速系統，隨著同步電機生產技術水平的不斷提高，大功率同步電機逐漸在大型煤炭企業中得到應用。

1 提升機驅動系統工作原理及分析

1.1 驅動系統的作用原理

提升機的整個驅動系統主要是以變頻器為中心樞紐，變頻器一端連接到電網和電機，另一端與主控系統相連。當主控系統給出的命令傳遞到變頻器時，變頻器依據接收到的命令做出反應，將命令進行二次翻譯并傳達至電機。此時電機根據接收到的命令做出電頻調節動作，改變輸出電壓頻率進而使得提升機進行速度調節。在提升機運行的整個過程中，檢測系統會對輸入、輸出信號及提升機的運行狀態進行實時監測，保證提升機的正常運行。

1.2 提升機運行特點

根據相關安全規定，提升機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產生的沖擊作用，保證了提升機運行速度的平滑轉變，提高了整體系統的可靠性。

提升機在循環運行過程中驅動系統作用力大小與載物重量大體一致，同時結合提升高度進行速度調節。一般包括加速提升階段、勻速提升階段和減速提升階段。根據諸多研究表明，“S”形速度曲線能夠有效實現速度的平滑轉變，降低變速對提升系統產生的沖擊?！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，在此階段提升機經歷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，驅動電機逐漸加大輸出功率，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)進行加速運行。3) 加速終止段(t2—t3)，此過程為減沖擊過程，驅動電機逐漸減小輸出功率，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，在指定時間內完成速度轉變。

t3—t4為勻速提升階段，使箕斗以最大運行速度進行恒速運行。

t4—t5為減速提升階段，此過程同樣經歷3個過程，與加速提升階段反向對應。

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

1.3 提升機變頻調速系統原理及設計

交-直-交變頻調速系統作為提升機3大交流調速系統之一，其工作原理是通過逆變器接收主控系統發出的指令信號，將信號進行翻譯傳遞至調節開關器件，讓其進行通斷操作實現輸出電流的變頻，以改變系統電機頻率，見圖2. 在此轉換過程中，變頻調速系統中的電路由整流電路、中間電路及逆變電路3部分組成，電路之間均由調節開關元件連接，實現能量的雙向流動，不僅可以保證電流在變頻時的平滑轉變，而且還能利用調節元件存儲電能，實現低碳環保的能源利用。

圖2 交-直-交變頻調速系統示意圖

2 大功率礦井提升機驅動系統模塊設計

2.1 驅動系統硬件電路模塊設計

驅動系統設計包括兩部分內容：硬件電路設計和軟件設計。其中硬件電路設計又分為兩部分，即主電路設計和控制電路設計。主電路一般是通過變壓器直接與6 kV/10 kV的礦山電網進行連接，該電網電壓高、電流量大，如果直接與精密性較強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(該系統選擇磁隔離的霍爾器件)用于電路的保護。

主電路采用交-直-交電路結構，將電網輸送的交流電輸送至PWM整流器后變為平滑穩定的直流電，一部分用于電路儲能，一部分輸送至逆變器(主要由IGCT組成)轉變為電路系統驅動設備運行所需的交流電，將電能傳輸給永磁同步電機?？刂齐娐芬訢SP為核心控制器，外部連接AD7656、CPLD等輔助元件進行功能擴展，具體包括電壓電流采集、信號接收與處理、電路保護等。通過高低電壓隔離器將主電路與控制電路相連，實現調速系統的信息數字化傳遞，見圖3.

2.2 驅動系統軟件模塊設計

驅動系統軟件主要作用是實現硬件電路中各電子元件參數設置和驅動運行。信號、參數的傳輸均是在主程序中完成，當主程序接收到指令時，進行系統初始化消除系統自身攜帶的干擾信號，之后根據接收的指令進行參數設置，同時依據系統自帶的內檢系統進行參數校驗，內檢完畢后將命令輸出進入循環等待狀態，直到中斷信號的出現，見圖4. 此時驅動系統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行檢測，將收集到的信號檢驗、計算、編碼、發出。該信號直接作用于轉矩控制系統，根據發出的命令選擇相應的開關量驅動電路進行自動化運行。

圖3 驅動系統硬件電路設計圖

圖4 系統主程序流程設計圖

2.3 故障保護中斷子程序模塊設計

當電路中出現故障時，子程序將收集到的信號發送至控制器，控制器收到信號時，一方面及時發出指令，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. 此時中斷服務子程序進行工作，保護電路系統安全。

圖5 中斷服務子程序設計圖

3 結 論

通過分析提升機驅動系統工作原理及提升機的運行特點，選擇交-直-交變頻調速系統作為大功率提升機的變頻調速系統，其次對驅動系統進行了硬件電路模塊設計、軟件模塊設計及故障保護中斷系統模塊設計。該大功率礦井提升機驅動系統設計在一定程度上實現了對現有礦井驅動系統的完善，整體性能不斷提高，促使礦井提升機逐漸向大型、重載、高速、自動化、智能化方向發展。