李繼東

（陽(yáng)煤寺家莊有限責(zé)任公司， 山西 昔陽(yáng) 045300）

引言

煤炭運(yùn)輸系統(tǒng)作為綜采工作面煤炭開(kāi)采的三大系統(tǒng)之一，其運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性直接影響綜采工作面的開(kāi)采效率。目前，應(yīng)用于綜采工作面的煤炭運(yùn)輸裝置主要有提升機(jī)、帶式輸送機(jī)、刮板輸送機(jī)、電機(jī)車(chē)等。礦用電機(jī)車(chē)是綜采工作面的重要運(yùn)輸設(shè)備，且應(yīng)用最為廣泛的電機(jī)車(chē)類(lèi)型為蓄電池礦用電機(jī)車(chē)，即采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)[1]。經(jīng)調(diào)研可知，基于直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)礦用電機(jī)車(chē)的成本較高且可靠性較低，嚴(yán)重制約著煤炭、矸石以及設(shè)備人員的運(yùn)送效率。為此，結(jié)合當(dāng)前集成電路及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，且具有節(jié)能、可靠性高、穩(wěn)定性高的優(yōu)勢(shì)。

1 礦用電機(jī)車(chē)調(diào)速系統(tǒng)存在問(wèn)題

鑒于綜采工作面或多或少存在一定的瓦斯，因此要求綜采工作面的設(shè)備具有隔爆、防爆的功能。因此，工作面主要采用蓄電池礦用電機(jī)車(chē)，即采用直流調(diào)速方式。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研可知，直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)存在如下問(wèn)題：

1）直流電機(jī)的線圈、碳刷均約為損耗件且其故障率較高，導(dǎo)致直流電機(jī)車(chē)的運(yùn)行和維修成本高；

2）直流調(diào)速電機(jī)車(chē)配有電阻器，在礦用電機(jī)車(chē)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的情況下，不僅會(huì)造成電能的浪費(fèi)，而且電阻發(fā)熱還會(huì)造成電阻瓷架和電阻片燒壞；

3）直流調(diào)速電機(jī)的調(diào)速范圍小，導(dǎo)致在載荷突變時(shí)容易對(duì)系統(tǒng)造成沖擊，且對(duì)于爬坡工況而言，存在牽引力不足的問(wèn)題[2]；

綜上所述，直流電機(jī)調(diào)速已經(jīng)不能夠滿足當(dāng)前綜采工作面礦用電機(jī)車(chē)的實(shí)際運(yùn)輸需求。因此急需當(dāng)前調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行改造。

2 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的可行性分析

與直流電機(jī)相比可知，交流電機(jī)具有體積小、重量輕、維修方便的特點(diǎn)。而且，交流變頻調(diào)速技術(shù)在其他行業(yè)中的應(yīng)用具有明顯的節(jié)能效果，且其可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的無(wú)級(jí)調(diào)速，提升設(shè)備對(duì)各種工況的適應(yīng)能力，進(jìn)而提升電機(jī)車(chē)的穩(wěn)定性和可靠性。

鑒于礦用電機(jī)車(chē)惡劣的工作環(huán)境和復(fù)雜的工況，要求其需頻繁地啟停、制動(dòng)、加速、減速等操作。因此，要求礦用電機(jī)車(chē)電機(jī)具有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、過(guò)載能力強(qiáng)的特點(diǎn)。故，可采用矢量控制變頻器應(yīng)用于交流礦用電車(chē)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦用電機(jī)車(chē)無(wú)級(jí)調(diào)速的同時(shí)，確保設(shè)備在突變載荷及復(fù)雜工況下不會(huì)對(duì)其本身造成沖擊[3]。

基于矢量控制交流電機(jī)可確保設(shè)備得到與直流電機(jī)相媲美的牽引力和制動(dòng)性能。礦用電機(jī)車(chē)矢量控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)需特別注意：由于矢量控制系統(tǒng)是基于大量計(jì)算的基礎(chǔ)上得到相應(yīng)的PWM 信號(hào)實(shí)現(xiàn)的。因此，矢量控制系統(tǒng)的計(jì)算量非常大。故，對(duì)矢量控制系統(tǒng)芯片的要求較高[4]。在眾多芯片對(duì)比的基礎(chǔ)上，選擇了DSP 芯片+SVPWM逆變電路作為矢量控制系統(tǒng)的核心處理器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的優(yōu)化控制，SVPWM逆變器仿真模型如圖1 所示。

圖1 SVPWM 逆變器仿真模型

經(jīng)仿真分析可知，系統(tǒng)啟動(dòng)后能夠在極短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)狀態(tài)，且在后續(xù)運(yùn)行階段一直處于穩(wěn)定狀態(tài)。即說(shuō)明，采用矢量變頻控制系統(tǒng)是可行的。

3 矢量變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 矢量變頻調(diào)速系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

根據(jù)礦用電機(jī)的實(shí)際運(yùn)輸需求，設(shè)計(jì)如圖2 所示矢量變頻調(diào)速系統(tǒng)。

圖2 矢量變頻調(diào)速系統(tǒng)硬件框圖

如圖2 所示，矢量變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由主回路、控制電路以及輔助電路三部分組成。其中，主回路實(shí)現(xiàn)電壓的交- 直- 交的變頻；控制電路主要基于DSP 芯片對(duì)電壓、電流等進(jìn)行檢測(cè)；輔助電路的主要為矢量變頻調(diào)速系統(tǒng)提供直流電源、電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)以及放大等功能。

工作原理：上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信功能是基于RS232 實(shí)現(xiàn)的。DSP 芯片為變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心控制器實(shí)現(xiàn)A/D 轉(zhuǎn)換、對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算的功能；在基礎(chǔ)上基于矢量控制算法得出相應(yīng)的控制信號(hào)，進(jìn)而對(duì)矢量調(diào)速系統(tǒng)中的功率開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦用電機(jī)車(chē)的變頻控制[5]。

3.2 DSP 芯片供電電路的設(shè)計(jì)

DSP 芯片為變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心處理器。因此，確保DSP 芯片的正常運(yùn)行非常重要。故，本文著重完成了對(duì)DSP 芯片供電電路的設(shè)計(jì)。供電電路如圖3 所示。

圖3 DSP 供電電路

如圖3 所示，DSP 供電電路中包括有SPX1117-3.3 和SPX1117-1.8 電源轉(zhuǎn)換芯片。其中，SPX1117-3.3 電源轉(zhuǎn)換芯片的主要功能是將5 V 電壓轉(zhuǎn)為3 V；SPX1117-1.8 電源轉(zhuǎn)換芯片的主要功能是為DSP 內(nèi)核提供1.8 V 的電壓。

3.3 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

IGBT 驅(qū)動(dòng)電路作為變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路的關(guān)鍵電路，該電路的性能直接決定調(diào)速系統(tǒng)的響應(yīng)速度。為提升系統(tǒng)的相應(yīng)速度，本文特設(shè)計(jì)一種改進(jìn)型的驅(qū)動(dòng)電路，如圖4 所示。

圖4 改進(jìn)型IGBT 驅(qū)動(dòng)電路

3.4 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

測(cè)速是變頻調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)的關(guān)鍵，且電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)的精準(zhǔn)性將直接決定調(diào)速系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性。為確保變頻調(diào)速系統(tǒng)擁有更寬的調(diào)速范圍且調(diào)速操作更加平穩(wěn)，對(duì)轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路中元器件的線性度的要求較高。綜合各項(xiàng)原則的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)如圖5 所示的轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路。

圖5 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路

4 變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能驗(yàn)證

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能，本文基于三相異步電機(jī)、PC、仿真器以及DSP 芯片設(shè)計(jì)了試驗(yàn)系統(tǒng)，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)物如圖6 所示。

圖6 試驗(yàn)實(shí)物圖

本文通過(guò)測(cè)定系統(tǒng)在不同負(fù)載下電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的轉(zhuǎn)速，判斷所測(cè)定不同負(fù)載下電機(jī)轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速之間的差值。試驗(yàn)結(jié)果如下頁(yè)表1 所示。

分析可知，盡管系統(tǒng)在不同的負(fù)載下運(yùn)行，電機(jī)均可在其給定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。說(shuō)明，基于變頻調(diào)速系統(tǒng)能夠確保系統(tǒng)在受到載荷突變時(shí)不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成沖擊。

表1 不同負(fù)載下的電機(jī)轉(zhuǎn)速

5 結(jié)論

礦用電機(jī)車(chē)是綜采工作面的關(guān)鍵運(yùn)輸設(shè)備，蓄電池礦用電機(jī)車(chē)作為當(dāng)前的主流電機(jī)車(chē)，在實(shí)際應(yīng)用中存在維修成本高、運(yùn)行成本高、系統(tǒng)遇突變載荷時(shí)對(duì)設(shè)備造成沖擊以及調(diào)速范圍窄等一系列的問(wèn)題。故，本文基于DSP 芯片+矢量控制變頻器設(shè)計(jì)了一款適用于礦用電機(jī)車(chē)的變頻調(diào)速系統(tǒng)。經(jīng)實(shí)物驗(yàn)證可知，該變頻調(diào)速控制系統(tǒng)能夠確保礦用電機(jī)車(chē)帶不同負(fù)載的情況可在給定轉(zhuǎn)速的狀態(tài)下平穩(wěn)運(yùn)行。