CN108163464A - 一种变频一体机驱动刮板机的功率动态平衡冗余控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种变频一体机驱动刮板机的功率动态平衡冗余控制装置，其控制方式为冗余控制，控制装置由主控制模块和辅助控制模块组成，主控制模块采用CAN总线通讯控制，其性能优越、速率高、通信距离远、抗干扰能力强，可快速有效地采集、比较刮板输送机首尾变频一体机的转矩信号来调节机尾一体机的转速，实现功率动态平衡；在主控制模块因故障失效时启用辅助控制模块，通过采集、比较首尾一体机的转矩信号来调节机尾一体机转速，仍然能够实现功率动态平衡；本发明的装置对提高刮板输送机功率平衡控制系统的安全性和可靠性具有重要意义。

Description

一种变频一体机驱动刮板机的功率动态平衡冗余控制装置
技术领域
本发明涉及节能控制领域，尤其涉及一种变频一体机驱动刮板机的功率动态平衡冗余控制装置。
背景技术
目前，我国煤矿刮板输送机传统的驱动方式常采用双速电机、液力耦合器等形式。双速电机驱动应用于单台驱动功率在700 kW以下的双驱或三驱系统中，采用异步电动机的变极调速原理，通过改变定子绕组的接线方法来改变定子旋转磁场磁极对数，改变电动机的转速。双速电机驱动存在明显的缺点：低速启动，启动功率小；在刮板输送机负载较重时，会出现慢速可以运行，但快速不能运行的情况；在多电机驱动时，无法实现各个电机的功率平衡；由于电机与减速器是刚性联接，设备启动及运行时对设备冲击大。液力耦合器的主要工作部件为泵轮和涡轮，其中泵轮与电动机联接，涡轮与减速器输入轴联接，泵轮与涡轮之间充满工作介质水。工作时，电动机带动泵轮旋转进而带动工作介质的旋转，最终驱动涡轮的旋转，将动能传递给减速器，从而带动刮板机运行。液力耦合器也存在一些明显的缺点：始终存在转差率，泵轮与涡轮直接存在滑差，有转差功率损失；耦合器联接于电动机与减速器之间，一旦发生故障，将影响整台刮板输送机的启动。
由三相异步变频一体机驱动的刮板输送机系统，存在效率低、功率因数低、功率平衡控制方式单一等缺点，在控制系统出现故障失效时，整个综采工作面的正常运行不能进行。功率平衡是刮板输送机的首尾电动机的功率控制的重要问题，电动机功率平衡有助于提高效率、降低能源消耗、减少设备损耗、保护电动机、保证刮板输送机运行的稳定性和可靠性。在刮板输送机的运行过程中，由于首尾电动机额定参数差异、启动方式、启动顺序、启动时间差以及负载的随机变动等因素，会导致首尾电动机输出功率不平衡。功率不平衡会导致电动机过载或欠载，影响刮板输送机的稳定运行，严重时会烧坏电机。
随着科技进步煤矿企业对设备的要求越来越高，重载启动能力、极强过载能力、更高运行效率、更少能源消耗等各种对刮板输送机的驱动新要求被提出，使用永磁同步变频调速一体机驱动刮板输送机成为新的趋势，而使用永磁一体机的系统对首尾一体机功率动态平衡控制提出了更高的要求。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种变频一体机驱动刮板机的功率动态平衡冗余控制装置。
本发明的目的可以通过采用如下的技术措施来实现，设计一种变频一体机驱动刮板机的功率动态平衡冗余控制装置，包括：第一驱动部分、第二驱动部分和控制装置；第一驱动部分包括I号变频一体机、I号摩擦限矩器、I号减速器、I号移动变电站和I号移相变压器，其中I号变频一体机包括I号通讯模块、II号通讯模块、I号变频器控制模块、I号功率电路和I号永磁同步电动机，I号通讯模块、II号通讯模块均连接I号变频器控制模块，I号变频器控制模块、I号功率电路和I号永磁同步电动机依序连接；第二驱动部分包括II号变频一体机、II号摩擦限矩器、II号减速器、II号移动变电站和II号移相变压器，其中II号变频一体机包括III号通讯模块、IV号通讯模块、II号变频器控制模块、II号功率电路和II号永磁同步电动机，II号通讯模块、IV号通讯模块均连接II号变频器控制模块，II号变频器控制模块、II号功率电路和II号永磁同步电动机依序连接；控制装置包括主控制模块和辅助控制模块，其中主控制模块包括I号RS485收发器、I号高速光电耦合器、I号单片机、I号CAN控制器、II号高速光电耦合器、I号CAN收发器、CANH线、CANL线、I号终端电阻、II号终端电阻、II号CAN收发器、III号高速光电耦合器、II号CAN控制器、II号单片机、IV号高速光电耦合器和II号RS485收发器；II号通讯模块的通讯端口A2、B2分别与I号RS485收发器的通讯端口A3、B3相接，II号通讯模块采集并传送I号永磁同步电动机的转矩信号T1给I号RS485收发器，经电平转换变成TTL电平后传送给I号单片机进行处理，I号单片机处理后的数据传送给I号CAN控制器，I号CAN控制器将数据打包传送给I号CAN收发器，I号CAN收发器的通讯端口H1、L1分别与CANH线、CANL线相接，I号CAN收发器将逻辑电平转换成差分电平、把接收到的数据上传给CANH线和CANL线，CANH线和CANL线用来完成CAN的数据传输，CANH线和CANL线将数据传送给II号CAN收发器，II号CAN收发器的通讯端口H2、L2分别与CANH线、CANL线相接，II号CAN收发器将差分电平转换成逻辑电平、把接收到的数据传送给II号CAN控制器，II号CAN控制器将接收到的数据拆包送给II号单片机；所述III号通讯模块的通讯端口A5、B5分别与II号RS485收发器的通讯端口A4、B4相接，III号通讯模块采集、传送II号永磁同步电动机的转矩信号T2给II号RS485收发器，经电平转换变成TTL电平后传送给II号单片机；II号单片机将接收到的I号永磁同步电动机的转矩信号T1和II号永磁同步电动机的转矩信号T2进行比较，若T1>T2，则II号RS485收发器接收II号单片机转速增加信号，经电平转换后传送给II号变频一体机以增加其转速；若T1<T2，则II号RS485收发器接收II号单片机转速减少信号，经电平转换后传送给II号变频一体机以减少其转速，实现刮板输送机的I号变频一体机和II号变频一体机的功率动态平衡。辅助控制模块包括上位机、PLC以太网模块、PLC模块、PLC串行通讯模块、I号D/A模块和II号D/A模块，辅助控制模块在主控制模块因故障失效时启用，其中上位机与PLC模块通过PLC以太网模块通信，实时显示辅助控制模块接收到的I号变频一体机和II号变频一体机的运行状态数据，所述PLC串行通讯模块的通讯端口A7、B7分别与I号通讯模块的通讯端口A1、B1及IV号通讯模块的通讯端口A6、B6相接，I号通讯模块采集、传送I号永磁同步电动机的转矩信号T1给PLC串行通讯模块，IV号通讯模块采集、传送II号永磁同步电动机的转矩信号T2给PLC串行通讯模块，PLC串行通讯模块将转矩信号T1与转矩信号T2传送给PLC模块进行处理，PLC模块输出对应0~50Hz频率的4~20mA电流信号，用以控制变频器的输出频率，进而改变电机转速，I号D/A模块接收PLC模块电流信号，经数模转换后传送给I号变频器控制模块以使I号变频一体机运行于额定转速，PLC模块将转矩信号T1与转矩信号T2进行比较，若T1>T2，则II号D/A模块接收PLC模块的电流增加信号，经数模转换后传送给II号变频器控制模块以增加II号永磁同步电动机的转速，若T1<T2，则II号D/A模块接收PLC模块的电流减少信号，经数模转换后传送给II号变频器控制模块以减少II号永磁同步电动机的转速，实现刮板输送机的I号变频一体机和II号变频一体机的功率动态平衡。
其中，I号高速光电耦合器设置于I号RS485收发器和I号单片机之间，II号高速光电耦合器设置于I号CAN控制器和I号CAN收发器之间，起电气隔离作用，III号高速光电耦合器设置于II号CAN收发器和II号CAN控制器之间，IV号高速光电耦合器设置于II号RS485收发器和II号单片机之间，起电气隔离作用。
其中，设置I号终端电阻和II号终端电阻，连接于CANH线和CANL线之间，用于匹配总线阻抗、提高数据通信的抗干扰性和可靠性。
区别于现有技术，本发明的一种变频一体机驱动刮板机的功率动态平衡冗余控制装置的控制方式为冗余控制，主控制模块采用CAN总线通讯控制，其性能优越、速率高、通信距离远、抗干扰能力强，可快速有效地采集、比较刮板输送机首尾变频一体机的转矩信号来调节机尾一体机的转速，实现功率动态平衡；在主控制模块因故障失效时启用辅助控制模块，通过采集、比较首尾一体机的转矩信号来调节机尾一体机转速，仍然能够实现功率动态平衡；本发明的装置对提高刮板输送机功率平衡控制系统的安全性和可靠性具有重要意义。
附图说明
图1是本发明提供的一种变频一体机驱动刮板机的功率动态平衡冗余控制装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
参阅图1，图1是本发明提供的一种变频一体机驱动刮板机的功率动态平衡冗余控制装置的结构示意图。该装置用于控制运行过程中的刮板输送机45，包括第一驱动部分、第二驱动部分和控制装置。刮板输送机45的机头与机尾分别连接第一驱动部分和第二驱动部分，第一驱动部分包括I号变频一体机13、I号摩擦限矩器14、I号减速器15、I号移动变电站41和I号移相变压器42；第二驱动部分包括II号变频一体机38、II号摩擦限矩器39、II号减速器40、II号移动变电站43和II号移相变压器44。I号变频一体机13 包括I号通讯模块8、II号通讯模块9、I号变频器控制模块10、I号功率电路11和I号永磁同步电动机12；I号变频器控制模块10、I号功率电路11和I号永磁同步电动机12依序连接，I号通讯模块8、II号通讯模块9均连接I号变频器控制模块10；II号变频一体机38 包括III号通讯模块33、IV号通讯模块34、II号变频器控制模块35、II号功率电路36和II号永磁同步电动机37；II号变频器控制模块35、II号功率电路36和II号永磁同步电动机37依序连接，III号通讯模块33、IV号通讯模块34均连接II号变频器控制模块35。
控制装置包括主控制模块32和辅助控制模块7， 主控制模块32包括依序连接的I号RS485收发器16、I号高速光电耦合器17、I号单片机18、I号CAN控制器19、II号高速光电耦合器20、I号CAN收发器21、CANH线22、CANL线23、I号终端电阻24、II号终端电阻25、II号CAN收发器26、III号高速光电耦合器27、II号CAN控制器28、II号单片机29、IV号高速光电耦合器30和II号RS485收发器31；辅助控制模块7包括上位机1、PLC以太网模块2、PLC模块3、PLC串行通讯模块4、I号D/A模块5、II号D/A模块6。
系统工作时，刮板输送机45由I号变频一体机13和II号变频一体机38驱动，I号移动变电站41将煤矿井下大型设备用电电压10kV转换为3.3kV电压，为I号移相变压器42供电，I号移相变压器42变3.3kV电压为两路1.85kV电压为I号功率电路11供电；I号变频器控制模块10控制I号功率电路11驱动I号永磁同步电动机12，I号永磁同步电动机12经I号摩擦限矩器14、I号减速器15带动刮板输送机45旋转；II号移动变电站43将煤矿井下大型设备用电电压10kV转换为3.3kV电压，为II号移相变压器44供电，II号移相变压器44变3.3kV电压为两路1.85kV为II号功率电路36供电；II号变频器控制模块35控制II号功率电路36驱动II号永磁同步电动机37，II号永磁同步电动机37经II号摩擦限矩器39、II号减速器40带动刮板输送机45旋转。
I号变频一体机13的I号通讯模块8、II号通讯模块9和II号变频一体机38的III号通讯模块33、IV号通讯模块34与主控制模块32和辅助控制模块7进行通讯，实现刮板输送机首尾一体机的功率动态平衡冗余控制。
控制装置正常运行时，采用主控制模块32，II号通讯模块9的通讯端口A2、B2分别与I号RS485收发器16的通讯端口A3、B3相接，II号通讯模块9采集并传送I号永磁同步电动机12的转矩信号T1给I号RS485收发器16，经电平转换变成TTL电平后传送给I号单片机18进行处理，I号单片机18处理后的数据传送给I号CAN控制器19，I号CAN控制器19将数据打包传送给I号CAN收发器21，I号CAN收发器21的通讯端口H1、L1分别与CANH线22、CANL线23相接，I号CAN收发器21将逻辑电平转换成差分电平、把接收到的数据上传给CANH线22和CANL线23，CANH线22和CANL线23用来完成CAN的数据传输，I号高速光电耦合器17和II号高速光电耦合器20起电气隔离作用，CANH线22和CANL线23将数据传送给II号CAN收发器26， I号终端电阻24和II号终端电阻25能匹配总线阻抗、提高数据通信的抗干扰性和可靠性，II号CAN收发器26的通讯端口H2、L2分别与CANH线22、CANL线23相接，II号CAN收发器26将差分电平转换成逻辑电平、把接收到的数据传送给II号CAN控制器28，II号CAN控制器28将接收到的数据拆包送给II号单片机29，III号高速光电耦合器27和IV号高速光电耦合器30起电气隔离作用；所述III号通讯模块33的通讯端口A5、B5分别与II号RS485收发器31的通讯端口A4、B4相接，III号通讯模块33采集、传送II号永磁同步电动机37的转矩信号T2给II号RS485收发器31，经电平转换变成TTL电平后传送给II号单片机29；II号单片机29将接收到的I号永磁同步电动机12的转矩信号T1和II号永磁同步电动机37的转矩信号T2进行比较，若T1>T2，则II号RS485收发器31接收II号单片机29转速增加信号，经电平转换后传送给II号变频一体机38以增加其转速，若T1<T2，则II号RS485收发器31接收II号单片机29转速减少信号，经电平转换后传送给II号变频一体机38以减少其转速，实现刮板输送机45的I号变频一体机13和II号变频一体机38的功率动态平衡。
当主控制模块32因故障失效时，启用辅助控制模块7，上位机1与PLC模块3通过PLC以太网模块2通信，实时显示辅助控制模块7接收到的I号变频一体机13和II号变频一体机38的运行状态数据；PLC串行通讯模块4的通讯端口A7、B7同时分别与I号通讯模块8的通讯端口A1、B1和IV号通讯模块34的通讯端口A6、B6相接，I号通讯模块8采集、传送I号永磁同步电动机12的转矩信号T1给PLC串行通讯模块4，IV号通讯模块33采集、传送II号永磁同步电动机37的转矩信号T2给PLC串行通讯模块4，PLC串行通讯模块4将转矩信号T1与转矩信号T2传送给PLC模块3进行处理，PLC模块3输出对应0~50Hz频率的4~20mA电流信号，用以控制变频器的输出频率，进而改变电机转速，I号D/A模块5接收PLC模块3电流信号，经数模转换后传送给I号变频器控制模块10以使I号变频一体机13运行于额定转速，PLC模块3将转矩信号T1与转矩信号T2进行比较，若T1>T2，则II号D/A模块6接收PLC模块3的电流增加信号，经数模转换后传送给II号变频器控制模块35以增加II号永磁同步电动机37的转速，若T1<T2，则II号D/A模块6接收PLC模块3的电流减少信号，经数模转换后传送给II号变频器控制模块35以减少II号永磁同步电动机37的转速，仍然能够实现刮板输送机45的I号变频一体机13和II号变频一体机38的功率动态平衡。
以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (3)

1.一种变频一体机驱动刮板机的功率动态平衡冗余控制装置，其特征在于，包括：第一驱动部分、第二驱动部分和控制装置；
所述第一驱动部分包括I号变频一体机(13)、I号摩擦限矩器(14)、I号减速器(15)、I号移动变电站(41)和I号移相变压器(42)，其中I号变频一体机(13)包括I号通讯模块(8)、II号通讯模块(9)、I号变频器控制模块(10)、I号功率电路(11)和I号永磁同步电动机(12)，I号通讯模块（8）、II号通讯模块（9）均连接I号变频器控制模块（10），I号变频器控制模块（10）、I号功率电路（11）和I号永磁同步电动机（12）依序连接；
所述第二驱动部分包括II号变频一体机(38)、II号摩擦限矩器(39)、II号减速器(40)、II号移动变电站(43)和II号移相变压器(44)，其中II号变频一体机(38)包括III号通讯模块(33)、IV号通讯模块(34)、II号变频器控制模块(35)、II号功率电路(36)和II号永磁同步电动机(37) ，II号通讯模块（33）、IV号通讯模块（34）均连接II号变频器控制模块（35），II号变频器控制模块（35）、II号功率电路（36）和II号永磁同步电动机（37）依序连接；
所述控制装置包括主控制模块(32)和辅助控制模块(7)；
其中，所述主控制模块（32）包括依序连接的I号RS485收发器(16)、I号单片机(18)、I号CAN控制器(19)、I号CAN收发器(21)、CANH线(22)、CANL线(23)、II号CAN收发器(26)、II号CAN控制器(28)、II号单片机(29)和II号RS485收发器(31)；其中，所述II号通讯模块(9)的通讯端口A2、B2分别与I号RS485收发器(16)的通讯端口A3、B3相接，II号通讯模块(9)采集并传送I号永磁同步电动机(12)的转矩信号T1给I号RS485收发器(16)，经电平转换变成TTL电平后传送给I号单片机(18)进行处理，I号单片机(18)处理后的数据传送给I号CAN控制器(19)，I号CAN控制器(19)将数据打包传送给I号CAN收发器(21)，I号CAN收发器(21)的通讯端口H1、L1分别与CANH线(22)、CANL线(23)相接，I号CAN收发器(21)将逻辑电平转换成差分电平、把接收到的数据上传给CANH线(22)和CANL线(23)，CANH线(22)和CANL线(23)用来完成CAN的数据传输， CANH线(22)和CANL线(23)将数据传送给II号CAN收发器(26)，II号CAN收发器(26)的通讯端口H2、L2分别与CANH线(22)、CANL线(23)相接，II号CAN收发器(26)将差分电平转换成逻辑电平、把接收到的数据传送给II号CAN控制器(28)，II号CAN控制器(28)将接收到的数据拆包送给II号单片机(29)；所述III号通讯模块(33)的通讯端口A5、B5分别与II号RS485收发器(31)的通讯端口A4、B4相接，III号通讯模块(33)采集、传送II号永磁同步电动机(37)的转矩信号T2给II号RS485收发器(31)，经电平转换变成TTL电平后传送给II号单片机(29)；II号单片机(29)将接收到的I号永磁同步电动机(12)的转矩信号T1和II号永磁同步电动机(37)的转矩信号T2进行比较，若T1>T2，则II号RS485收发器(31)接收II号单片机(29)转速增加信号，经电平转换后传送给II号变频一体机(38)以增加其转速；若T1<T2，则II号RS485收发器(31)接收II号单片机(29)转速减少信号，经电平转换后传送给II号变频一体机(38)以减少其转速，实现刮板输送机(45)的I号变频一体机(13)和II号变频一体机(38)的功率动态平衡；
所述辅助控制模块(7)包括上位机(1)、PLC以太网模块(2)、PLC模块(3)、PLC串行通讯模块(4)、I号D/A模块(5)和II号D/A模块(6)，辅助控制模块(7)在主控制模块(32)因故障失效时启用，其中所述上位机(1)与PLC模块(3)通过PLC以太网模块(2)通信，实时显示辅助控制模块(7)接收到的I号变频一体机(13)和II号变频一体机(38)的运行状态数据，所述PLC串行通讯模块(4)的通讯端口A7、B7分别与I号通讯模块(8)的通讯端口A1、B1及IV号通讯模块(34)的通讯端口A6、B6相接，I号通讯模块(8)采集、传送I号永磁同步电动机(12)的转矩信号T1给PLC串行通讯模块(4)，IV号通讯模块(34)采集、传送II号永磁同步电动机(37)的转矩信号T2给PLC串行通讯模块(4)，PLC串行通讯模块(4)将转矩信号T1与转矩信号T2传送给PLC模块(3)进行处理，PLC模块(3)输出对应0~50Hz频率的4~20mA电流信号，用以控制变频器的输出频率，进而改变电机转速，I号D/A模块(5)接收PLC模块(3)电流信号，经数模转换后传送给I号变频器控制模块(10)以使I号变频一体机(13)运行于额定转速，PLC模块(3)将转矩信号T1与转矩信号T2进行比较，若T1>T2，则II号D/A模块(6)接收PLC模块(3)的电流增加信号，经数模转换后传送给II号变频器控制模块(35)以增加II号永磁同步电动机(37)的转速，若T1<T2，则II号D/A模块(6)接收PLC模块(3)的电流减少信号，经数模转换后传送给II号变频器控制模块(35)以减少II号永磁同步电动机(37)的转速，实现刮板输送机(45)的I号变频一体机(13)和II号变频一体机(38)的功率动态平衡。
2.根据权利要求1所述的变频一体机驱动刮板机的功率动态平衡冗余控制装置，其特征在于，I号高速光电耦合器(17)设置于I号RS485收发器(16)和I号单片机(18)之间，II号高速光电耦合器(20)设置于I号CAN控制器(19)和I号CAN收发器(21)之间，起电气隔离作用，III号高速光电耦合器(27)设置于II号CAN收发器(26)和II号CAN控制器(28)之间，IV号高速光电耦合器(30)设置于II号RS485收发器(31)和II号单片机(29)之间，起电气隔离作用。
3.根据权利要求1所述的变频一体机驱动刮板机的功率动态平衡冗余控制装置，其特征在于，设置I号终端电阻(24)和II号终端电阻(25)，连接于CANH线(22)和CANL线(23)之间，用于匹配总线阻抗、提高数据通信的抗干扰性和可靠性。
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