煤礦提升機變頻調速控制系統設計研究

張 翔

（西山煤電集團有限責任公司西曲礦， 山西 古交 030200）

引言

礦井提升機作為我國重要的煤礦提升設備，其工作性能在一定程度上影響著礦井的正常開采。礦井提升機負責井下人員及材料的運輸，據統計，提升機耗電在整個礦井電量消耗中占據了超過4 成的比重[1-2]。經過多年的發展，礦井提升機的驅動系統已經取得飛速發展，但在生產過程中，由于礦井環境較為惡劣和提升載荷的不同，提升機在運行過程中極易發生超速和過卷的問題，因此對提升機的驅動系統進行優化設計是十分必要的。此前，惠楠[3]通過對礦井調速系統進行優化，有效降低了電網的諧波干擾，并對變頻驅動控制系統的軟、硬件及故障保護系統進行設計，提高了提升機的安全穩定性。李超娜[4]為了解決電網阻抗大，嚴重威脅到提升機穩定性的問題，引入了基于權重前饋的控制方案，有效提高了弱電網下提升機的穩定性。本文對提升機變頻驅動系統進行優化設計，為礦井安全高效生產提供一定的借鑒。

1 系統優化設計

對系統進行硬件設計需要先對主電路、驅動電路、基于DSP 控制芯片等外電路進行設計，本文選定控制核心為TMS320F2812 專用電機芯片，其重要目的是對系統數據進行采集分析，同時連接上位機實現遠程控制，系統結構示意圖如圖1 所示。

圖1 系統硬件結構示意圖

2.1 硬件設計

對主電路進行設計，主電路結構分為兩個部分，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構，同時使用12 個開關。本文選用IGBT 的型號為FZ1500R33HL3，額定電壓為3 300 V，同時在主電路內加入濾波器，利用濾波器進行交流電濾波，將濾波后的交流電輸送至三相異步電機。對IGBT 驅動電路進行設計，首先需要選定隔離芯片，本文選定隔離芯片的型號為6N137 芯片，其將DSP 傳輸的PWM 信號進行隔離，避免信號受到干擾。因為提升機驅動系統的電壓大、所以將原有系統的TLP250 驅動模塊進行替換，選定2SD315A 集成驅動模塊，2SD315A 集成驅動模塊具有很強的自檢及狀態反饋性能，器內部有電氣隔離、接口單元、驅動單元等部件。2SD315A 集成驅動模塊的工作模式可分為半橋模式和直接模式。

對控制回路的硬件進行設計，控制芯片選定TMS320F2812，芯片基于MARS 速度識別、SVPWM 等算法對采集的數據進行運算，通過DSP 的脈沖發生器對逆變電路中的12 個IGBT 進行脈沖信號的發送。DSP 核心控制部分原理圖如圖2 所示。

圖2 DSP 核心控制部分原理圖

如上頁圖2 所示，電流電壓檢測單元對系統的電流電壓信號進行采集，通過AD 轉化將采集到的電流電壓信號進行轉化并傳輸至TMS320F2812 控制芯片，TMS320F2812 控制芯片對接收到的數據進行分析，從而做出處理，當系統過流時，系統會做出緊急處理，對異常進行報警，同時系統存在手動模式，可以隨時切換操作模式。TMS320F2812 控制芯片通過RS485總線與中央控制器相連。電流電壓檢測單元分別選定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、穩定性高的特點。

對驅動系統的保護電路進行設計，主要為過電流過電壓保護，過電壓是對直流母線的電壓波動進行及時的控制，當直流母線的電壓波動超過其均值的10%以上，此時系統及時發出過壓信號，經過運放處理將輸出端的電壓進行降低，輸出低電平。過流保護是為了解決IGBT 超流會造成的器件損壞，當三電平逆變器中任何一路的電流高于均流的10%以上，此時電流信號會轉變為電壓信號并通過OC 段輸出低電壓，從而實現過流保護。

2.2 軟件設計

對系統的軟件進行設計，選定CCS 軟件為軟件開發平臺，對主程序、串口通達中斷程序、PWM 中斷控制程序等進行設計，首先對主程序和中斷程序進行設計，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，主程序啟動后對時鐘進行初始化，初始化完成后延遲啟動主電路的繼電器，繼電器啟動后對串口及事件進行初始化，完成上述操作后系統與上位機進行聯通，對系統變量、I/O、中斷單元等進行初始化，后對寄存器進行循環，完成主程序的啟動。中斷服務程序保護現場，當電機開始運行后，發現故障立即停止，當無故障啟動后對電流電壓數據進行采集，對電機的運行速度進行計算，當速度出現超速的情況時通過MRAS 速度識別及滑膜速度調節程序進行速度的調節，從而對磁鏈、轉矩進行控制，實現驅動電機的控制。

對MRAS 子程序和滑模速度控制程序進行設計，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4 所示，由MRAS 子程序流程圖可以看出，當程序開始運行時，系統會對電壓電流的采集數據進行規范化處理，為便于后續分析，通過CLARK 對電壓電流進行轉化，對轉化后的數據進行計算，得出電壓轉子磁鏈和電流轉子磁鏈，對電壓轉子磁鏈和電流轉子磁鏈與計劃值進行對比，計算出與實際的偏差，后輸出偏差調節命令，對磁鏈進行PI 調節，結束MRAS調節。滑模速度控制程序是對提升機的速度數據進行采集，并對采集的速度與基準速度進行對比，計算出速度偏差，對速度偏差進行微分處理，并將誤差轉化為函數，得出需要提升的電壓值、電流值及功率值，對速度進行調整。

3 應用效果分析

西曲礦對南坪山提升機的驅動系統進行優化改造后，對變頻控制系統的可靠性進行現場實踐，優化設計后的礦井變頻驅動提升機投入使用后，實現了電動機的真正軟啟動，縮短了提升時間，減少維護工作量，提高了生產效率。

由于采用變頻調速控制，大量減少了使用繼電器、接觸器所引發的故障，系統運行平穩、保護安全可靠，故障診斷能力強，振動小、電網諧波低，各項參數都達到了目標預期，特別是啟動及加速過程沖擊電流小，加速過程中最大啟動電流不超過額定電流的1.3倍，運行提升平滑，減少了對電網沖的沖擊。按照提升機每天工作21 h，每天提升20 鉤原煤的工作效率，對比原有的提升機驅動系統，發現優化后的驅動系統每年可節省約120 萬元的維修成本支出，同時優化后的提升機驅動系統能夠消除無功沖擊，且幾乎不存在原系統諧波污染等問題，提升了礦井提升機智能化水平，為西曲礦實現數字礦山建設奠定堅實基礎。

4 結語

西曲礦對南坪山主井提升機變頻驅動系統進行優化分析，在原有驅動系統的基礎上，對主電路、驅動模塊電路等進行了設計，并對控制系統回路的硬件設備選型進行分析，確定了以TMS320F2812 為控制核心的電路硬件外圍電路設計，對外圍電路的保護電路、采樣電路等進行了簡單的設計，最后給出了系統軟件程序、中斷程序、MRAS 子程序、滑模速度控制程序等流程及計算原理。通過現場實踐發現優化后的變頻驅動系統能夠有效提升工作效率，降低故障發生概率，為提升機變頻驅動系統優化作出一定的貢獻。