礦井提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)研究

王 偉

（西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司鎮(zhèn)城底礦， 山西 太原 030053）

引言

礦井提升機(jī)作為我國(guó)重要的煤礦提升設(shè)備，其工作性能在一定程度上影響著礦井的正常開(kāi)采。礦井提升機(jī)負(fù)責(zé)井下人員及材料的運(yùn)輸。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，提升機(jī)在整個(gè)礦井電量消耗中占據(jù)了超過(guò)4 成的比重[1-2]。

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，礦井提升機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)取得飛速發(fā)展，但在生產(chǎn)過(guò)程中，由于礦井環(huán)境較為惡劣，同時(shí)提升載荷的不同，使得提升機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中極易發(fā)生超速和過(guò)卷的問(wèn)題，因此對(duì)提升機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是十分重要的。此前惠楠[3]通過(guò)對(duì)礦井調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，有效降低了電網(wǎng)的諧波干擾，并對(duì)變頻驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟、硬件及故障保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高了提升機(jī)的安全穩(wěn)定性。李超娜[4]為了解決電網(wǎng)阻抗大，嚴(yán)重威脅到提升機(jī)穩(wěn)定性的問(wèn)題，引入了基于權(quán)重前饋的控制方案，有效提高了弱電網(wǎng)下提升機(jī)的穩(wěn)定域。本文對(duì)提升機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為礦井安全高效生產(chǎn)提供一定的借鑒。

1 系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要先對(duì)主電路、驅(qū)動(dòng)電路以及基于DSP 控制芯片等外電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先本文選定控制核心為T(mén)MS320F2812專(zhuān)用電機(jī)芯片，其重要目的是對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析，同時(shí)連接上位機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的特點(diǎn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

對(duì)主電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，主電路結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)部分，分別為整流電路和三電平逆變電路，整流電路采用整流橋，逆變電路采用三電平逆變結(jié)構(gòu)，同時(shí)使用12個(gè)開(kāi)關(guān)，本文選用IGBT 的型號(hào)為FZ1500R33HL3，額定電壓為3 300 V，同時(shí)在主電路內(nèi)加入濾波器，利用濾波器對(duì)交流電進(jìn)行濾波，將濾波后的交流電輸送至三相異步電機(jī)。對(duì)IGBT 驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先需要選定隔離芯片，本文選定隔離芯片的型號(hào)為6N137 芯片，其將DSP 傳輸?shù)腜WM 信號(hào)進(jìn)行隔離，避免信號(hào)受到干擾。因?yàn)樘嵘龣C(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電壓大，所以將原有系統(tǒng)的TLP250 驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行替換，選定2SD315A 集成驅(qū)動(dòng)模塊，2SD315A 集成驅(qū)動(dòng)模塊具有很強(qiáng)的自檢及狀態(tài)反饋性能，驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部有電氣隔離、接口單元、驅(qū)動(dòng)單元等部件。2SD315A集成驅(qū)動(dòng)模塊的工作模式可分為半橋模式和直接模式。

對(duì)控制回路的硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，控制芯片選定TMS320F2812，芯片基于MARS 速度識(shí)別、SVPWM等算法對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，通過(guò)DSP 的脈沖發(fā)生器對(duì)逆變電路中的12 個(gè)IGBT 進(jìn)行脈沖信號(hào)的發(fā)送。DSP 核心控制部分原理圖如下頁(yè)圖2 所示。

圖2 DSP 核心控制部分原理圖

如圖2 所示，電流電壓檢測(cè)單元對(duì)系統(tǒng)的電流電壓信號(hào)進(jìn)行采集，通過(guò)AD 轉(zhuǎn)化將采集到的電流電壓信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)化并傳輸至TMS320F2812 控制芯片，TMS320F2812 控制芯片對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而做出處理，當(dāng)系統(tǒng)過(guò)流時(shí)，系統(tǒng)會(huì)做出緊急處理，對(duì)異常進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)系統(tǒng)存在手動(dòng)模式，可以隨時(shí)切換操作模式。TMS320F2812 控制芯片通過(guò)RS485 總線與中央控制器相連。電流電壓檢測(cè)單元分別選定HNC-200US 電流傳感器和LV200-AW/2/6400 電壓傳感器，兩種傳感器均具備精度大、穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。

對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的保護(hù)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要為過(guò)電流過(guò)電壓保護(hù)，過(guò)電壓是對(duì)直流母線的電壓波動(dòng)進(jìn)行及時(shí)的控制，當(dāng)直流母線的電壓波動(dòng)超過(guò)其均值的10%以上，此時(shí)系統(tǒng)及時(shí)發(fā)出過(guò)壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)運(yùn)放處理將輸出端的電壓進(jìn)行降低，輸出低電平。過(guò)流保護(hù)是為了解決IGBT 超流會(huì)造成的器件損壞，當(dāng)三電平逆變器中任何一路的電流高于均流的10%以上，此時(shí)電流信號(hào)會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)并通過(guò)集電極開(kāi)路（OC）段輸出低電壓，從而實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

對(duì)系統(tǒng)的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，選定CCS 軟件為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，對(duì)主程序、串口通達(dá)中斷程序、PWM 中斷控制程序等進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先對(duì)主程序和中斷程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，主程序和中斷程序流程如圖3 所示。

圖3 主程序和中斷程序流程圖

如圖3 所示，主程序啟動(dòng)后對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行初始化，完成初始化后延遲啟動(dòng)主電路的繼電器，繼電器啟動(dòng)后對(duì)串口及事件進(jìn)行初始化，完成上述操作后系統(tǒng)與上位機(jī)進(jìn)行聯(lián)通，對(duì)系統(tǒng)變量、I/O、中斷單元等進(jìn)行初始化，后對(duì)寄存器進(jìn)行循環(huán)，完成主程序的啟動(dòng)。中斷服務(wù)程序保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，當(dāng)電機(jī)開(kāi)始運(yùn)行后，發(fā)現(xiàn)故障立即停止，當(dāng)無(wú)故障啟動(dòng)后對(duì)電流電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，對(duì)電機(jī)的運(yùn)行速度進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)速度出現(xiàn)超速的情況時(shí)通過(guò)MRAS 速度識(shí)別及滑膜速度調(diào)節(jié)程序調(diào)節(jié)速度，從而對(duì)磁鏈、轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制。

對(duì)MRAS 子程序和滑模速度控制程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，MRAS 子程序和滑模速度控制程序流程如圖4所示。

圖4 MRAS 子程序和滑模速度控制程序流程圖

如圖4MRAS 子程序流程圖可以看出，當(dāng)程序開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)會(huì)對(duì)電壓電流的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理，便于后續(xù)分析，通過(guò)CLARK 對(duì)電壓電流進(jìn)行轉(zhuǎn)化，對(duì)轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出電壓轉(zhuǎn)子磁鏈和電流轉(zhuǎn)子磁鏈，對(duì)電壓轉(zhuǎn)子磁鏈和電流轉(zhuǎn)子磁鏈與計(jì)劃值進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出與實(shí)際的偏差，后輸出偏差調(diào)節(jié)命令，對(duì)磁鏈進(jìn)行PI 調(diào)節(jié)，結(jié)束MRAS 調(diào)節(jié)。滑模速度控制程序是對(duì)提升機(jī)的速度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并對(duì)采集的速度與基準(zhǔn)速度進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出速度偏差，對(duì)速度偏差進(jìn)行微分處理，并將誤差轉(zhuǎn)化為函數(shù)，得出需要提升的電壓值、電流值及功率值，對(duì)速度進(jìn)行調(diào)整。

2 應(yīng)用效果分析

完成礦井提升機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，對(duì)系統(tǒng)的可行性進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，設(shè)計(jì)后的礦井變頻驅(qū)動(dòng)提升機(jī)投入使用后，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，安全可靠，故障診斷能力強(qiáng)，振動(dòng)小，電網(wǎng)諧波低，各項(xiàng)參數(shù)都達(dá)到了目標(biāo)預(yù)期。按照提升機(jī)每天工作21 h，提升20 鉤原煤，對(duì)比原有的提升機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)每年可維修節(jié)省出約120 萬(wàn)元的成本支出，同時(shí)優(yōu)化后的提升機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠消除無(wú)功沖擊，且?guī)缀醪淮嬖谠到y(tǒng)諧波污染等問(wèn)題，提升了礦井提升機(jī)智能化水平，為實(shí)現(xiàn)數(shù)字礦山打下一定的基礎(chǔ)。