矿井提升机变频调速控制的关键技术

2022-09-25曲宝玮

机械管理开发 2022年8期

曲宝玮

（山西华融龙宫煤业有限责任公司，山西忻州 034114）

引言

矿井提升机（MH）是连接矿井和地面的重要运输通道，在煤、矿石等材料的提升中被广泛应用。在使用过程中，工作人员需要操作运输机上井和下井运输，控制设备升降和其他功能。可见，该设备在矿业工作中非常重要。提高MH 的性能不仅能够提高经济效益，还能进一步保障生产安全。由于MH 的使用功率较大，其生产工艺必须保障设备能够安全运转，相关技术必须受到矿山企业和技术人员的重视。

1 矿井提升机变频调速控制原理

矿产企业的安全问题是国家高度关注的问题。国家安全生产监督管理总局对矿井提升机系统的规格提出了明确规定：矿井提升机应配备控制系统，并带有行程、速度的检测和显示、松绳保护、过卷过放保护、故障状态记忆等多个基本功能。通过矿产企业多年的实际工作和技术进步，科研工作者研制出功能较为完善的提升机控制系统，推动了矿井提升机的自动化控制技术的发展[1]。以多绳摩擦轮提升系统为例，提升机控制系统的工作原理框图见图1。

图1 提升机控制系统原理

2 调速与行程控制的要求

矿井提升机的主要作用有矿物采掘、人员上下井、运输作业设备、检查运行等，但是，在实现上述各种功能时，其升降速率并不一致，因此需要对其驱动装置进行平稳和精确的调整。在提高转速的精确性方面，通常需要较低静差率S 的提升机（例如，在高转速时S＜1%），以减小系统减速器的行程偏差。这使得爬行的路程缩短，甚至不需要爬行段[2]。这样就减少了起重时间，提高了起重性能，同时又确保了车辆的安全、精确。

行程控制也就是位置控制，可确保提升容器在指定位置精确地停止。其作用是以提升机的行程为基础，来决定其转速。在提升机的控制系统中，对不同的传感器进行测量，例如：转角脉冲变换、罐笼速度和位置、钢丝绳打滑等，对罐体进行精确定位，并给出相应的控制指令。提升机可以有多种不同的工作速率，在一次起重作业中，相应的提升容器在井口的定位处会出现速度曲线，而且每个转速信号给出的时间是不一样的。当采用基于时间的自动控制方式时，必须为每一确定的转速设定多个减速器，使提升系统的控制精细化；如果使用人工控制，即使能对给定的信号进行一定幅度的调控，也很难对其减速的瞬间和减慢进行有效的控制，使得起重机无法在达到起重系统所需的最优转速和最优时段到达停车场，导致停车不准确，升降周期发生变化[3]。

3 控制系统硬件设计

3.1 提升机变频调速控制策略

3.1.1 整流电路

三相A/C 电流通过二极管非可控整流桥被整流为二相D/C。由于其主要的输出目标是大功率矿井提升机电动机，采用三相桥型全波整流器作为整流[4]。

3.1.2 滤波电容CF

由于该整流回路的输出是脉动的D/C，因此需要用滤波器电容进行过滤。除对电压波纹进行稳压、过滤外，CF还具备整流器与倒相器的解耦功能，以消除他们之间干扰，为感应电动机提供无功功率。所以，中间D/C 电路的电容器需要更大的容量来储存，这种电容也被称作能量存储电容。当系统停转时，将电阻器R 设定成用于给电容器的放电环。

3.1.3 限流电阻RL与开关SL

因为CF的滤波器容量较大，并且在关闭的瞬间CF的电荷容量较大，为对整流桥进行安全防护，在换流器连接后，在线路中插入一个限流电阻器，使电容CF的充电电压保持在可接受的限度之内。SL的作用是：在CF的充电达到某个限度后，SL就会被打开，从而使RL发生短路。

3.1.4 逆变桥

该方案中，三桥式六元电源转换器模组构成三相逆变桥，该电路将二极管整流桥经整流后的D/C 电流反转为可调节的交流电流，这即是变频的关键环节，也是整个主电路的主要部分。由于MOSFET 具有较高的输入阻抗值和较小的导电电压损失，所以本文选择了FGA25N120 的IGBT 作为电源转换器[5]。

3.1.5 续流二极管

IGBT 组件中，续流二极管VD7-VD12 与各换流器并联，其主要作用是将无功电流送至D/C 供电；在逆变桥运行时，在相同的桥臂上，有两根倒相器不间断地导通、关断，因此VD7-VD12 持续电流二极管为其供电。

图2 是AC 电机的主回路，它是一种电力转换和驱动电动机的电力主要线路。

图2 主电路

3.2 ARM处理器选型

LPC2131 是由ARM 技术公司授权的PHILIP 公司研发的一款以ARM7TDMI-S 内核为核心的冯诺依曼结构，其硬件性能如下：

1）微型LQFP64 封装，通用16/32 位ARM7TDMI-S 微控制器。

2）在系统/在程序设计（ISP/IAP）中实施芯片内Boot 加载软件。

3）EmbeddeDICE-RT 以及内置的追踪界面可以实现对运行的代码进行即时的纠错和高速度的追踪。

4）8 个10 比特的A/D 变换电路包括16 个模数信号，其变换速度在2.44 US 以内。

5）2 个32 比特定时/计数（4 路捕获和4 路比较通道）、PWM单元。

6）多个串行接口，包含2 个16C550 的工业级UART、2 个高速I2C、SPI 和SSP。

7）向量中断控制器。可配置优先级和向量地址。

3.3 基于ARM7-LPC2131 的数字化变频控制系统

依据矿井提升机的变频调速控制系统的工作特点，按照硬件的设计原则，给出相应的控制系统硬件原理结构框图如图3 所示。

图3 系统硬件原理结构框图

4 控制系统软件设计

4.1 软件功能与ARM开发流程

在构建了矿井提升机控制系统硬件平台，并对其进行了硬件功能模块的选择和设计后，还要依据控制系统的各项功能进行相应的“制”，从而实现对该系统的软件开发。图4 是以软件方案为基础的ARM开发过程。

图4 ARM 开发流程

4.2 矢量控制算法

控制系统软件的设计要求是根据电动机的设定速度与反馈测量的电机速度进行对比，从而实现对电机的实时调节。同时，系统的稳定性和实时性都有很高的需求。该软件能够充分反映出该系统的运行性能，而带有反馈的软件控制更是实现了较好的实时性，大大地改善了系统的控制准确率。

基于矢量控制原理，对电动机的两相定子电流和转速进行取样，采用克拉克转换和帕克转换，通过速度调节器、磁场d 轴、力矩q 轴的稳压器生成一个电压的空间矢量，采用ARM技术对电力主回路逆变桥进行控制，生成了一种用于驱动电机工作的空间向量PWM波。通过定时下溢中断来实现对电流取样和转速取样。片内的模数转换器收集I2 传感器传出的信号，视为电流环内反馈的信号；再通过计算，了解转子在磁场中的角度，旋转磁场转矩分量等，同时接收速度指令，对比实际转速，实现电流和速度的控制结构，再对空间矢量进行计算，得出不同开关电压情况，传出六路PWM 信号，信号到达驱动板后，系统作出响应。矢量相关的模块能够判断出电压矢量值以及位置，对电压进行实时调整，维持安全载波频率，再输出PWM改变后的波形，其流程如图5 所示。