CN109649997A - 一种矿用刮板运输机智能化高效驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种矿用刮板运输机智能化高效驱动系统，包括两组分控制系统，其中一组分控制系统为主控制系统，该主控系统用于控制刮板运输机主动电机的速度，另一组分控制系统为从控制系统，该从控系统用于控制刮板运输机从动电机的力矩，两组系统互为主从控制系统，每一组分控制系统均包括依次连接在一起的三电平PWM整流器、三电平逆变器和滤波器，双向DC/DC变流器的一端接入超电容组，另一端接入三电平PWM整流器与三电平逆变器之间。本发明的优点是：电路结构简单，造价低廉，控制容易且性价比高，实现电机及其电能的高效利用，与超级电容组的有机结合能更加有效的实现刮板运输机的各种特殊工况，实现对再生能量的有效利用。

Description

一种矿用刮板运输机智能化高效驱动系统

技术领域

本发明涉及一种矿用刮板运输机智能化高效驱动系统，属于矿用刮板运输机的控制领域。通过结合三电平PWM整流器、双向DC/DC变流器、超级电容组、三电平逆变器实现大功率矿用刮板运输机重载起动、同步控制、长电缆运行控制以及再生制动能量的吸收利用。

背景技术

随着矿山生产数量的增加，开采深度不断加大和运输的成本不断上升，同时传统的汽车运输方式会产生大量的汽车尾气严重污染井下环境。采用胶带运输系统一方面能节约大量运输成本，另一方面能够较少汽车尾气的排放从而改善井下作业的环境，相应地矿山用运输机也跟着发展起来。

运输机的种类有带式运输机，板式运输机，小车式运输机，刮板运输机和其他运输机。具有牵引件的运输机一般包括牵引件、承载构件、驱动装置、张紧装置、改向装置和支承件等。随着电机生产技术在煤矿开采方面的开发和利用，大大提高了煤矿开采的效率。与人工开采水平相比机械化自动化开采的效率高出十倍乃至百倍有余。所以说，机械化自动化的快速发展推动了人们生产生活质量水平的提高。

带式输送机是满足煤矿企业矿井运输的高效运输机械。与其他运输机械相比，带式输送机具有距离长、容量大、连续运输的优点，而且运行稳定，容易完成自动化和集中控制。对于高产的高效矿山，带式输送机已成为高效采煤机电一体化技术和设备的关键设备。煤矿用带式输送机主要是指用于煤矿开采、生产、运输和加工的皮带式输送机和刮板运输机。带式输送机具有运输能力强，适应多变的工作环境、长距离运输等优点。

矿山带式输送机不仅可用于煤炭生产加工过程中，还可用于其他矿物的生产和加工。在能源消耗方面，能有效降低能源消耗，提供经济效益，比传统汽车运输更能节约能源和环保。此外，具有维护成本小、维护简单等特点，也深受矿山生产加工企业的青睐。

在矿山的生产中刮板运输机和带式运输机虽然提高了运输效率，但也带来一些问题。其中，刮板运输机在启动或者停止时，动态张力较高，随之带来的便是传送带经常滑动，这会增加传送带的相对摩擦力进而产生更多的热量，使得刮板运输机的安全性大大降低，刮板运输机因此受到严重损坏。所以，迫切需要将变频系统应用到其中，对其进行调速控制。当刮板运输机动作后，传送带被迫发生振动很容易滑动，而变频器的原理是通过改变电源的频率，对其频率进行调节，通过变频器可以减少产生的无功损耗并大大提高运输效率。

而在带式运输机中，传送带是一个弹性体，在静止或运行时储存了大量的能量。在它的起动过程中，若不加软启动装置，传送带内储藏的能量会很快释放，易形成张力波并沿着传送带传输出去，将皮带撕断。若不采用软启软停，启动电流会很大，一般为电机额定电流的4—7倍。在其起动瞬间会对电机机械内部造成严重磨损甚至损坏，这完全不符合创建一个节能型社会的需求。因此在带式运输机上采用变频调速是非常有必要的，这样做不仅可以缩小驱动装置的空间，还可以使设备实现软启动，这样既提高了运输效率又减少了耗电量，又节约了成本。同时矿山的生产过程中要用到很多种机械设备，而煤矿运输机必须用到变频器对其进行调级变速实现软启软停，这样既提高了运输效率，又节约了成本。

随着我国煤矿业高速发展，对煤矿井下作业的要求也是越来越高。因为作业的环境特殊，井下作业排在第一位的是安全，电气设备运行的要求是高效、可靠。井下作业不仅对矿工的身体素质是一个严峻的挑战，而且对于井下的所有设备也是一种挑战，想要获得十分出色的煤矿采集效果，所有设备的正确合理的使用就变成重中之重。在矿山运输机的运行过程当中必须十分注意控制电机运行的快慢，只有严格的控制电机运行的快慢才能确保设备运行完好无事和运行效率。这也给其拖动控制设备提出了更高的标准，需要具有较好的调速以及控制特性才能够更好的保证设备的安全正常运行。

随着我国煤炭工业生产自动化的不断发展，矿用变频器在煤矿井下机械设备的应用中起到了杰出的调速机能和节约能量、降低损耗的作用。矿用变频器在煤矿井中有着大量活跃的身影。矿用变频器归纳综合起来主要有能够去掉困扰大功率电机转矩控制需要高精准度的问题；可以实现大功率电动机的软起动、软停机和过程控制；多台电机一起运行时的功率平衡；运行过程当中有着再生制动和能量回馈的能力，可以实现能源节约和削减排放；削减能源损耗，安全性高，设备使用期限久等多个优点。

但如今大部分的矿用变频器都是使用的脉冲宽度调制技术，两电平变频器经由整流电路-直流电路-逆变电路的变换后，两电平变频器输出的波形并非完全的正弦波形，一般有着3次以上的谐波。由于两电平变频器的布局是6个IGBT，只用6路PWM脉冲，它的输入侧会对电网有很大的电磁干扰，有可能会滋扰到煤矿井下安全生产监测监控系统。对于刮板运输机输出侧存在变频器通过长电缆给电机供电，变频器输出的是PWM波且长电缆供电，存在的突出问题是：第一，谐波反射。谐波极其严重，主要谐波的次数、谐波电流含量复杂，且长电缆可形成LCR回路使输出电流易谐振，加上变频器电力电子器件产生的高次谐波对电机和电缆绝缘产生很大危害，同时谐波产生发射波与长距离电机侧电压叠加时，电机侧电压值供电电压值具有增大效应，其结果导致电机端电压过大，损坏绝缘。变频供电需要调速，输出频率工作点不固定，因而对应每个频率都有多种谐波，所以谐波分布在很宽的频域内，即使再好的滤波器不能有效滤除所有次频率下的谐波。更为复杂的是谐波存在“打鼹鼠”现象，即：某种谐波被抑制掉，另一种谐波又被加强。这样的困惑一直是该领域的难题。同时，由于谐波存在，当变频器长电缆供电时，造成供电电压电流不稳定，不能有效控制负载的工况。第二，变频器脉冲反射。其结果导致电机端电压过大，损坏电缆和电机绝缘。

针对两电平变频器出现的问题，三电平变频器可以完美的解决掉这些问题。相对于两电平变频器来，三电平变频器由于多加了一个电平，可以将开关器件的电压削减到二分之一。因为输出多出了一个电平，d_u/d_t的值可以削减二分之一，从而使输出电压谐波削减，并大大削减电机的发热量，削减了对电网的共模滋扰。这些优点十分适合应用在1140V及以上电压的矿山大容量调速系统中。

矿用刮板机主要用于运输采煤矿工作面的原煤生产，矿用刮板机属于散料输送机械。传统的刮板运输机直接会给电机配上1140V的电箱和软启动器进行启动，使得电机可以正常启动并平稳运行，如图1所示。但是这种设计方式存在很多问题：(1)在刮板机上原煤较多时，启动功率力矩变大，需要人工铲除，效率不高；(2)存在电缆损耗，矿井工作巷道比较长，需要较长的电缆，导致管压降很大，启动电压和运行电压不足。(3)难以做到同步控制，不利于实际生产的需求。(4)空载时会导致电能的浪费。(5)皮带受力不均匀，易产生打滑等现象，损伤运输机电机。针对这些问题，人们先期采用了简单的速度同步控制或功率同步控制，使其尽可能的做到同步控制。但是迫于技术限制只能解决一部分问题，刮板运输机还是存在高能耗，低效率及重载起动困难等问题。

从节能，灵活，可靠，高效等方面来讲，传统的软启动方式已经不能满足实际的生产需求，所以变频技术已经逐渐取代直接配电的方法。目前矿用刮板运输机也尝试采用及变频技术，如图2所示。刮板运输机采用变频技术在一定程度上减弱了传统配电方式的缺点，解决了空载消耗电能的情况，但还存在着以下问题亟待解决。(1)电机依旧不能做到同步控制，易损伤刮板运输机。(2)运输机上存在原煤较多时，重载启动时需要2.5倍以上电机额定功率的供电电源，会造成整个电网的不稳定，影响其它作业。(3)在制动或者空转时易造成电能的浪费。(4)依旧没有解决受力不均匀时带来的电机不能正常启动的问题。(5)不能做到远距离控制，仍然需要近距离控制，易发生安全事故。(6)两电平的变频器调速器电磁干扰大，影响电网。(7)刮板机运输机与变频器的连接线，长度从几百米到几千米不等，不利于变频器给刮板机运输机长电缆供电，容易产生过电压、发射波，损坏电机和电缆。(8)当供电电网波动的时候，输出不稳定，容易造成不必要的故障。综上所述，研究刮板运输机的智能化以及高效化是很有前景意义的。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本发明提出了一种矿用刮板运输机智能化高效驱动系统，采用两组分控制系统，其中一组分控制系统用于控制刮板机运输机主动电机的速度，另一组分控制系统用于控制刮板机运输机从动电机的力矩，两组互为主从控制，通过CAN总线通信交换数据，从而实现刮板运输机同步运行。发明的刮板运输机智能化高效驱动系统使用两个三电平整流器分别控制主动电机和从动电机。本发明提供了一种集电力电子技术，与远程控制于一身的智能化高效变频驱动系统。该驱动系统具有成本低廉，设计巧妙，运行稳定，特别是在低能耗，高效率以及远程控制等优点。本发明的技术方案是：

一种矿用刮板运输机智能化高效驱动系统，包括两组分控制系统，其中一组分控制系统为主控制系统，该主控系统用于控制刮板运输机主动电机的速度，另一组分控制系统为从控制系统，该从控系统用于控制刮板运输机从动电机的力矩，每一组分控制系统均包括依次连接在一起的三电平PWM整流器、三电平逆变器和滤波器，双向DC/DC变流器的一端接入超电容组，另一端接入三电平PWM整流器与三电平逆变器之间；两个三电平PWM整流器的输入端接入变压器的输出端，其中，主控制系统的滤波器的输出端通过电缆接入主动电机M1，从控制系统的滤波器的输出端通过电缆接入从动电机M2，两个双向DC/DC变流器、两个超电容组、两个三电平PWM整流器以及两个三电平逆变器均通过CAN总线与总控制系统连接，进行通信交换数据。

所述的三电平PWM整流器输出稳定的可调整的直流电压，提供给三电平逆变器，智能化自动调整直流电压的值。

刮板运输机起动运行时，供电电网和三电平PWM整流器结合双向DC/DC变流器先给超级电容组充电，充电结束后，供电电网和三电平PWM整流器联同双向DC/DC变流器以及超级电容组形成两供电电源协调并联运行。

刮板运输机的主动电机和从动电机产生的再生制动能量通过双向DC/DC变流器能够存储到超级电容组，实现储能，或通过三电平PWM整流器快速回馈电网。

所述的总控制系统对刮板运输机智能化高效驱动系统的采样数据进行分析，根据采样数据对智能化高效驱动系统的运行工况进行控制调整、优化控制和故障诊断。

所述的主控制系统与从控制系统可以互为主从控制。

本发明的优点是：电路结构简单，造价低廉，控制容易且性价比高，运用电力电子技术、全数字化智能化技术，实现电机及其电能的高效利用，与超级电容组的有机结合能更加有效的实现刮板运输机的各种特殊工况，实现对再生能量的有效利用，电机起动瞬间和重载情况下，能量的及时补充，延长了电机的使用寿命和使用效率，避免了供电电网的不稳定。超级电容组具有的能量存储功能，避免了能源的浪费，实现节能环保，提高了整个产品的隔爆性能和使用安全性能。同时具有的远程控制在很大程度上避免了人身危险。

附图说明

图1为传统矿用刮板运输机驱动系统的示意图。

图2为传统矿用刮板运输机变频器驱动系统的示意图。

图3是本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

参见图3，本发明涉及一种矿用刮板运输机智能化高效驱动系统，包括两组分控制系统，其中一组分控制系统为主控制系统，该主控系统用于控制刮板运输机主动电机的速度，另一组分控制系统为从控制系统，该从控系统用于控制刮板运输机从动电机的力矩，这两组分控制系统互为主从控制，每一组分控制系统均包括依次连接在一起的三电平PWM整流器1、三电平逆变器2和滤波器3，双向DC/DC变流器5的一端接入超电容组6，另一端接入三电平PWM整流器1与三电平逆变器2之间；两个三电平PWM整流器1的输入端接入变压器8的输出端，其中，主控制系统的滤波器的输出端通过电缆4接入主动电机M1，从控制系统的滤波器的输出端通过电缆4接入从动电机M2，两个双向DC/DC变流器5、两个超电容组6、两个三电平PWM整流器1以及两个三电平逆变器2均通过CAN总线与总控制系统7连接，进行通信交换数据。

所述的三电平PWM整流器输出稳定的可调整的直流电压，提供给三电平逆变器，智能化自动调整直流电压的值。能够智能化自动适应电网的波动和因长电缆输出带来的压降，或者负载变化引起的电压波动，智能化自动调整直流电压的值。

刮板运输机起动运行时，供电电网和三电平PWM整流器结合双向DC/DC变流器先给超级电容组充电，充电结束后，供电电网和三电平PWM整流器联同双向DC/DC变流器以及超级电容组形成两供电电源协调并联运行，通过控制三电平PWM整流器在恒流工况工作，不至于输出过高的电流而造成电网不稳定，超级电容组和双向DC/DC变流器工作在恒压工况，保持输出稳定的直流电压供给三电平逆变器，实现重载起动。

刮板运输机的主动电机和从动电机产生的再生制动能量通过双向DC/DC变流器能够存储到超级电容组，实现储能，或通过三电平PWM整流器快速回馈电网，无需外加充电电阻单元和制动电阻单元，提高了矿用刮板运输机智能化高效变频驱动系统的控制性能、隔爆性能和可靠性以及提高驱动系统的效率。

矿用刮板运输机智能化高效驱动控制系统在整个工作程中，供电电网结合三电平PWM整流为主要的供电电源，当电网供电功率足够驱动刮板运输机工作时候，工作在恒压限流模式，保持中间直流电压稳定，单独给刮板运输机供电。当供电电网功率不足以驱动刮板运输机工作的时候，电网和三电平PWM整流器工作在限流的恒功率模式，保证功率不变，此时结合超级电容组和双向DC/DC变流器一起给刮板运输机供电，通过控制三电平PWM整流器工作在恒流工况保证电网的稳定而双向DC/DC变流器工作在恒压工况，保持输出稳定的直流电压供给三电平逆变器，能够实现刮板运输机的重载起动、负载突变等工况。

超级电容组瞬间大电流放电和双向DC/DC变流器的恒压控制，能够给刮板运输机提供足够的起动力矩，适应负载的突变等工况，同时在一些特殊工况下，能够实现短期重载运行。

所述的总控制系统对矿用刮板运输机智能化高效驱动控制系统的采样数据进行分析，根据采样数据对矿用刮板运输机智能化高效驱动控制系统的运行工况进行控制调整。

总控制系统能够进行智能识别、故障诊断。与三电平PWM整流器、三电平逆变器通过CAN总线进行数据交换，合理控制刮板运输机运行，可以有效应付不同的工作状况和恶劣环境，使刮板运输机始终工作在最高的运行效率，提高了其使用的寿命。尤其是在再生制动的过程中，快速存储再生制动能量或快速回馈再生制动能量，起动的瞬间快速补充能量，能够重载起动刮板运输机，不会造成供电电网的不稳定，还提高了刮板运输机驱动控制系统的寿命，节能环保。三电平PWM整流器的稳压限流功能结合超级电容组的瞬间大电流放电以及双向DC/DC的恒压工作模式，能够适应电网的较大波动和负载的突变，保证刮板运输机可靠运行。

Claims (6)

1.一种矿用刮板运输机智能化高效驱动系统，其特征在于，包括两组分控制系统，其中一组分控制系统为主控制系统，该主控系统用于控制刮板运输机主动电机的速度，另一组分控制系统为从控制系统，该从控系统用于控制刮板运输机从动电机的力矩，每一组分控制系统均包括依次连接在一起的三电平PWM整流器、三电平逆变器和滤波器，双向DC/DC变流器的一端接入超电容组，另一端接入三电平PWM整流器与三电平逆变器之间；两个三电平PWM整流器的输入端接入变压器的输出端，其中，主控制系统的滤波器的输出端通过电缆接入主动电机M1，从控制系统的滤波器的输出端通过电缆接入从动电机M2，两个双向DC/DC变流器、两个超电容组、两个三电平PWM整流器以及两个三电平逆变器均通过CAN总线与总控制系统连接，进行通信交换数据。

2.根据权利要求1所述的一种矿用刮板运输机智能化高效驱动系统，其特征在于，所述的三电平PWM整流器输出稳定的可调整的直流电压，提供给三电平逆变器，智能化自动调整直流电压的值。

3.根据权利要求1所述的一种矿用刮板运输机智能化高效驱动系统，其特征在于，刮板运输机起动运行时，供电电网和三电平PWM整流器结合双向DC/DC变流器先给超级电容组充电，充电结束后，供电电网和三电平PWM整流器联同双向DC/DC变流器以及超级电容组形成两供电电源协调并联运行。

4.根据权利要求1所述的一种矿用刮板运输机智能化高效驱动系统，其特征在于，刮板运输机的主动电机和从动电机产生的再生制动能量通过双向DC/DC变流器能够存储到超级电容组，实现储能，或通过三电平PWM整流器快速回馈电网。

5.根据权利要求1所述的一种矿用刮板运输机智能化高效驱动系统，其特征在于，所述的总控制系统对刮板运输机智能化高效驱动系统的采样数据进行分析，根据采样数据对智能化高效驱动系统的运行工况进行控制调整、优化控制和故障诊断。

6.根据权利要求1所述的一种矿用刮板运输机智能化高效驱动系统，其特征在于，所述的主控制系统与从控制系统可以互为主从控制。