盛 況,任傳敏,賀志超,李 陽

(三一重型裝備有限公司)

礦用梭車電氣系統(tǒng)設(shè)計

盛 況①,任傳敏,賀志超,李 陽

(三一重型裝備有限公司)

介紹了以1 140 V交流電為動力的礦用梭車電氣系統(tǒng)的設(shè)計。梭車電氣系統(tǒng)包括供電系統(tǒng)、整車控制系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)。整車采用CAN總線的通訊方式對車輛進行控制,并實時監(jiān)控車輛的運行狀態(tài),顯示車輛的各項運行參數(shù)。整車具有自動化程度高、性能安全可靠等優(yōu)點,并且實現(xiàn)了零排放。

煤礦;梭車;電氣系統(tǒng);設(shè)計;控制;性能

伴隨著我國煤炭產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展,煤礦機械化自動化水平不斷提高。采用連采機作為采煤的機械設(shè)備逐漸增多,由于連采機在使用中需要不斷在采煤區(qū)域中前進和后退,因此無法在后面布置皮帶機,這就需要使用一種能夠連接連采機與皮帶機的短距離使用的礦用車輛。由于連采機工作的環(huán)境大多為封閉的空間,使用柴油機為動力的設(shè)備尾氣污染嚴重,為此,三一重型裝備有限公司根據(jù)這種情況開發(fā)出使用電纜提供交流電,使用電機進行驅(qū)動,車輛不用掉頭即可完成接煤與卸煤的過程,能夠雙向操作,在連采機與皮帶機之間來回穿梭工作的梭車。

1 梭車電氣系統(tǒng)

梭車采用整體式車架結(jié)構(gòu),通過電纜卷筒從井下變電站引入1 140 V交流電,通過變頻器給左右兩側(cè)隔爆型三相異步鼠籠式交流電機供電,帶動各自的輪邊減速機驅(qū)動車輛行駛;通過隔爆型電控箱內(nèi)交流接觸器給油泵電機供電,通過控制電磁閥實現(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)向與前車架的舉升與下降;使用兩個交流接觸器控制刮板電機的正反轉(zhuǎn),控制梭車的卸煤和接煤。整車自重25 t,載重15 t,最高車速可達7 km/h。傳動系統(tǒng)布置圖見圖1。

圖1 梭車傳動系統(tǒng)布置示意圖

礦用梭車電氣系統(tǒng)是整個車輛的核心,實現(xiàn)車輛的運行,如啟動、前進、后退、轉(zhuǎn)向以及車輛的照明控制、漏電檢測、刮板轉(zhuǎn)動、故障檢測處理等功能,實時監(jiān)測車輛運行時的各項參數(shù),并通過顯示屏進行實時顯示,保證車輛運行在最佳工作狀態(tài)。電氣系統(tǒng)主要由整車控制系統(tǒng)、動力管理系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)、及數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)組成。

2 動力管理系統(tǒng)

梭車的動力通過電纜卷筒從變電站引來,卷筒內(nèi)電纜利用擺線器能夠均勻排列,充分利用卷筒內(nèi)的空間。通過電壓器將AC1 140 V轉(zhuǎn)換為AC220 V,通過開關(guān)電源與本安電源將AC220 V轉(zhuǎn)換為DC24 V與本安型DC24 V。

AC1 140 V用來向變頻器、油泵電機、刮板電機供電,通過變頻器控制牽引電機的轉(zhuǎn)動。AC220 V連接接觸器線圈,DC24 V給控制系統(tǒng)、照明、電鈴供電,本安型DC24 V向信號采集模塊、手柄供電。

3 整車控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)選用工程機械車輛專用控制器,具有CANOpen、CAN2.0總線接口,I/0端口,具有性能可靠、抗干擾能力強等優(yōu)點,特別適合應(yīng)用于工況惡劣的場合。控制器是整個電氣系統(tǒng)的大腦,實時接收外部的各種信息及數(shù)據(jù),以實現(xiàn)對整車的控制。

只使用兩個手柄就分前后對梭車行駛進行控制,方便操作人員使用。

梭車啟動時,先通過漏電檢測模塊對電氣系統(tǒng)進行檢測,當(dāng)漏電檢測正常后,允許進行其它操作,若發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)漏電,將會予以提示,并且對車輛各項控制功能進行鎖定。檢測完成后,控制器接收CAN總線上的信號采集模塊的數(shù)據(jù)信息,包括液壓系統(tǒng)的壓力、液位、油溫等數(shù)據(jù)信息,并對其分析計算,進行相應(yīng)的處理。其中信號采集模塊為本質(zhì)安全型電路,其與整車的CAN總線通訊還需加裝總線隔離模塊。

當(dāng)電纜卷筒放盡時,通過卷筒內(nèi)的行程開關(guān)通知控制器實現(xiàn)自動停車,防止梭車繼續(xù)行動造成事故。

通過接收手柄前后動作的信號,控制變頻器輸出使梭車前進或后退。通過接收手柄左右方向動作的信號,由控制器向電磁閥輸出電壓使用梭車轉(zhuǎn)向。

梭車電氣控制按鈕連接到信號采集模塊開關(guān)量輸入口,通過數(shù)據(jù)線連接到控制器,控制器根據(jù)接收到的信號控制相對應(yīng)的繼電器,實現(xiàn)各種功能。

通過接收變頻調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)據(jù),獲得牽引電機運行時的電流、頻率等參數(shù),以對電機進行故障保護。

同時,控制器將計算處理后的數(shù)據(jù)信息按照預(yù)定好的通訊協(xié)議通過CAN總線發(fā)送給顯示器,在顯示器上對整車各參數(shù)進行顯示。

車輛系統(tǒng)上電后,控制器實時接收甲烷檢測報警儀的輸入信息,當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)時,斷開變頻調(diào)速系統(tǒng)的供電電路,實現(xiàn)瓦斯超標(biāo)的保護。梭車整車電氣原理框圖見圖2。

圖2 電氣系統(tǒng)原理框圖

4 變頻調(diào)速系統(tǒng)

變頻調(diào)速系統(tǒng)采用ABB公司的ACS800變頻器,變頻器先將交流電轉(zhuǎn)換成直流電,再根據(jù)需要將直流電通過大功率IGBT元件逆變成三相交流電源,驅(qū)動交流牽引電機以提供牽引動力,控制采用無速度傳感器的DTC直接力矩控制技術(shù),使三相異步電動機能達到直流電動機的起動轉(zhuǎn)矩和牽引特性[1]。

根據(jù)異步電動機的數(shù)學(xué)模型,電機的電磁轉(zhuǎn)矩可表示為定子磁鏈矢量和轉(zhuǎn)子磁鏈矢量之間的交叉乘積形式:

式中:

Lσ—漏電感;

ψs—定子磁鏈矢量;

ψr—轉(zhuǎn)子磁鏈矢量;

θ—磁通角。

根據(jù)上面的公式,改變定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈的磁通角θ,就能改變電機的電磁轉(zhuǎn)矩。直接轉(zhuǎn)矩控制就是根據(jù)需要對電機的輸出轉(zhuǎn)矩進行直接控制。同時考慮在電機控制中,為保證對電機鐵心的充分利用,需要保持定子磁鏈幅值恒定;此時轉(zhuǎn)子磁鏈幅值由負載決定而不可控。由于轉(zhuǎn)子磁鏈的旋轉(zhuǎn)角速度不會突變,從而可以通過調(diào)整定子磁鏈在空間的旋轉(zhuǎn)速度來最終控制轉(zhuǎn)矩,進而可以控制電機的轉(zhuǎn)速。而定子磁鏈旋轉(zhuǎn)的速度,可以通過定子電壓空間矢量的切換控制來實現(xiàn),即通過定子電壓空間矢量的工作狀態(tài)和零狀態(tài)的交替切換來控制定子磁鏈旋轉(zhuǎn)的平均速度。當(dāng)定子磁鏈旋轉(zhuǎn)速度大于轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)速度時,磁通角θ加大,轉(zhuǎn)矩增大;反之θ減小,轉(zhuǎn)矩減小,從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制[2]。直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速系統(tǒng)見圖3。

圖3 直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速系統(tǒng)示意圖

異步電動機的轉(zhuǎn)矩通過逆變器輸出電壓矢量來控制,控制逆變器的開關(guān)策略由開關(guān)選擇單元給出。電動機的定子電流、母線電壓通過檢測單元測出后,經(jīng)坐標(biāo)變換器變換到模型所用的d-q坐標(biāo)系下,再和轉(zhuǎn)速信號一起作為電動機模型的輸入,計算出磁鏈和轉(zhuǎn)矩;模型磁鏈幅值、轉(zhuǎn)速值、轉(zhuǎn)矩值同給定的輸入量比較后送入各自的調(diào)節(jié)器,經(jīng)過兩點式調(diào)節(jié)輸出相應(yīng)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩開關(guān)量,這個量做為開關(guān)信號選擇單元的輸入,以選擇適當(dāng)開關(guān)狀態(tài),使電機能按控制要求調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩,最終達到調(diào)速目的。

DTC直接力矩控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的V/F及矢量控制變頻器比較,低頻(0.1 Hz)時能驅(qū)動額定負載平穩(wěn)運行;理想正弦電流波輸出,電機發(fā)熱小,無振動;考慮鐵損補償,根據(jù)負載變化調(diào)整輸出實現(xiàn)優(yōu)化節(jié)能,在制動、減速、下坡等工況運行時產(chǎn)生的再生電力將回饋蓄電池。并且完全能夠使三相鼠籠異步電動機達到和超過直流電動機的起動轉(zhuǎn)矩,DTC直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是目前最先進的交流異步電機的控制方式。這對井下環(huán)境惡劣、路面坑洼不平、長距離爬坡的工況非常有利。

5 車輛顯示系統(tǒng)

車輛顯示系統(tǒng)采用了車輛專用液晶顯示屏。該顯示器主控軟件采用C語言編寫。在液晶屏圖形顯示子程序中采用匯編語言編寫,以加快響應(yīng)速度。系統(tǒng)初始化過程中,對時鐘、通訊接口、液晶屏等進行初始化。在通訊中斷子程序中,接收數(shù)據(jù)并對監(jiān)控參數(shù)對應(yīng)的變量進行實時更新。在主程序中對鍵盤與監(jiān)控參數(shù)進行判斷,根據(jù)不同的情況控制顯示屏顯示不同的內(nèi)容或界面。車輛顯示系統(tǒng)主界面見圖4。

6 結(jié)束語

圖4 梭車主界面示意圖

梭車以交流電為動力,采用工程車輛專用控制器通過CAN總線對整車進行控制,使用了先進的無速度傳感器的直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速技術(shù),實現(xiàn)了車輛的無級調(diào)速。經(jīng)過廠內(nèi)試驗,梭車電氣系統(tǒng)滿足了設(shè)計要求,并且性能可靠、自動化程度高,通過實時監(jiān)測車輛運行時的各項參數(shù)并進行相應(yīng)處理,保證了車輛運行于最佳狀態(tài),提高了生產(chǎn)效率,同時實現(xiàn)了無污染、零排放、高效節(jié)能,徹底解決了煤礦井下柴油機類車輛尾氣污染嚴重的問題。

[1] 韓安榮.通用變頻器及其應(yīng)用[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2004:95-102.

[2] 鄭益飛.基于DSP的直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器的研究[J].電氣傳動自動化,2008(6):13-15.

Design of Electric System for the Coal-mining Shuttle Car

Sheng Kuang,Ren Chuan-min,He Zhi-chao,Li Yang

This article introduces design of electric system for the shuttle car driven by alternating current which voltage has 1 140 volts.Electric system is made up of the power supply system,control system, speed-adjustable system based on the variable frequency principle and display system.Communication is based on CAN bus,through which real-time monitoring the operational status of vehicle and dynamic displaying of operating parameters have been taken.The whole car has many outstanding characters,such as high-level automation,high reliability and zero emission.

Mine;Shuttle car;Electric system;Design;Control;Performance

book=4,ebook=141

TD641

B

1672-0652(2010)04-0004-04

2010-03-13

盛 況 男 1976年出生 1998年畢業(yè)于沈陽大學(xué) 工程師 沈陽 110027