矿井大功率提升机驱动系统研究

马孝春

(汾西矿业高阳煤矿，山西 孝义 032300)

近些年来煤炭行业机械化、电气化得以快速发展，机电设备的整体性能显著提升，提升机作为矿井生产运输中的核心设备，也朝着自动化、大型化、高速化方向发展[1～2]。驱动系统作为提升机的动力系统，其性能直接影响提升机提升速度、载荷、启动及停止等。驱动系统按照输入电流类型可分交流、直流两种，其中直流驱动电机由于包含转向器，设备维护保养难度较高，在矿井中应用并不广泛[3]。现阶段矿井普遍采用交流驱动系统，主要分为异步电机调速系统、同步电机调速系统两种类型。

1 矿井提升机驱动系统概述

1.1 驱动工作原理

变频驱动系统主要部件为变频器，将变频器一端与供电电源、驱动电机连接，一端与控制系统连接，控制系统发出指令给变频器，变频器根据指令改变输出电流频率从而控制驱动电机运行。在提升机运行过程中，检测系统会对控制系统发出的指令、变频器影响情况以及提升机运行状态进行监测，从而确保提升机可以平稳运行。

1.2 提升机工作特点

根据《煤矿安全规程》规定，提升机在运送人员、物料时加速度应分别控制在0.75m/s2、1.20m/s2，且遇到特殊情况需降低提升速度或者紧急停止时，驱动系统应确保提升机提升速度平滑改变，确保提升机运行可靠。

提升机在运行过程驱动系统给提升机的动力与提升机提升的载荷重量一致，并根据提升机提升高度对提升速度进行调整。具体的速度变化过程包括加速、均衡以及减速三个阶段。根据有关研究成果[3～5]，提升机提升速度按照“S”型曲线时能够实现速度的平稳变化，降低速度改变对提升机冲击。具体“S”型曲线动力、加速度以及速度给定曲线见图1。

图1 “S”型曲线提升力、加速度以及速度给定曲线

从图1看出，在0～t3时间段为加速提升阶段，具体分为三个阶段：

1)0～t1初加速阶段，在此阶段提升机驱动系统输出功率逐渐增加，提升速度及受到的提升机逐渐加大，在此时间阶段提升机提升加速度由0增加到最大值；

2)t1～t2均匀加速阶段，在此时间段提升机在恒定的提升力(F)按照加速度(a)加速运行；

3)t2～t3加速终止阶段，在此时间段内驱动系统输出功率逐渐降低，受到的提升力(F)不断减小，提升机运行加速度(a)从最大值逐渐降低到0；

提升机在t3～t4时间段内匀速运行，在t4～t7时间为减速阶段，加速度变化过程与加速提升阶段反向。

2 提升机驱动系统变频调速方式

选用交-直-交变频调速方式作为提升机的驱动控制方式，具体工作原理为：提升机变频调速是采用逆变器接收控制系统发出的控制指令，通过转变逆变器输出频率控制提升机驱动电机运行速度，具体逆变器的交-直-交调速系统见图2。

图2 逆变器的交-直-交调速示意图

在提升机调速系统中控制电路由逆变电路、中间电路以及逆变电路三部分组成，电路间采用调节开关连接，不仅确保电路中电流在变频时平滑转变，而且还利用调节开关中储能特性，降低电能消耗。

3 提升机驱动系统设计

驱动控制系统模块化设计，主要包括有电路模块、控制软件模块以及保护模块(检测模块)。

3.1 驱动系统电路模块

1)主变电路设计

主变电路直接与矿井6kV/10kV供电电网连接，承受较大的电压、电流，若主变电路直接与精密度要求高的控制电路连接，则会导致控制电路损坏。因此，在主变电路与控制电路间加装高低电压隔离器(霍尔器件)，对控制电路进行保护。主变电路采用交-直-交结构，矿井供电电网高压交流电输送至PWM整流器后，输出稳定平滑的直流电，直流电一部由IGGT组成的逆变器转变成控制驱动电机运行交流电，一部分由调节开关存储。

2)控制电路设计

控制电路核心为DSP控制器，外部采用CPLD、AD7656元件进行功能扩展，具体可以实现的控制功能为：电路保护、信号采集与处理、电流电压信息采集。通过高低电压隔离器(霍尔器件)将主变电路与控制电路连接，实现调速系统控制信息的数字化传输，具体驱动系统电路模块见图3。

图3 驱动系统电路模块

3.2 驱动系统控制软件模块

控制软件模块主要用于设定硬件电路中各电子器件参数以及驱动运行。参数、信号传输在软件主程序中实现，当主程序接到控制指令后，先进行初始化化处理消除干扰信号，随后根据接收到的指令对硬件电路中电子元件运行参数进行设置。控制软件可以对接收到的控制指令进行内部校核，从而确保主变电路、控制电路严格按照控制指令执行。控制软件模块运行流程见图4。

3.3 保护模块(检测模块)

该模块主要应以保护驱动控制系统，当检测到驱动系统电路中有故障产生时，子程序将收集到的故障信号传输至变频控制器，控制器接收到故障信号后一方面封锁PWM输出，断开主变电路中的接触器；另外对故障信号进行分析，判定故障发生原因，并将原因分析结果传输至液压显现屏上发出警报。此时，控制软件模块中的终端服务程序调出运行，从而确保驱动系统电路安全。

4 总结

1)对大功率提升机驱动系统工作原理以及运行特点进行分析，并将交-直-交变频调速方式选做提升驱动控制系统控制方式；

图4 控制软件模块运行流程

2)对驱动控制系统硬件电路、控制软件模块以及保护模块(检测模块)进行详细设计，设计的大功率提升机驱动控制系统可以在一定程度上完善现阶段提升机驱动系统，提升驱动系统的稳定性。