盛 况,任传敏,贺志超,李 阳

(三一重型装备有限公司)

矿用梭车电气系统设计

盛 况①,任传敏,贺志超,李 阳

(三一重型装备有限公司)

介绍了以1 140 V交流电为动力的矿用梭车电气系统的设计。梭车电气系统包括供电系统、整车控制系统、变频调速系统、显示系统。整车采用CAN总线的通讯方式对车辆进行控制,并实时监控车辆的运行状态,显示车辆的各项运行参数。整车具有自动化程度高、性能安全可靠等优点,并且实现了零排放。

煤矿;梭车;电气系统;设计;控制;性能

伴随着我国煤炭产业的迅猛发展,煤矿机械化自动化水平不断提高。采用连采机作为采煤的机械设备逐渐增多,由于连采机在使用中需要不断在采煤区域中前进和后退,因此无法在后面布置皮带机,这就需要使用一种能够连接连采机与皮带机的短距离使用的矿用车辆。由于连采机工作的环境大多为封闭的空间,使用柴油机为动力的设备尾气污染严重,为此,三一重型装备有限公司根据这种情况开发出使用电缆提供交流电,使用电机进行驱动,车辆不用掉头即可完成接煤与卸煤的过程,能够双向操作,在连采机与皮带机之间来回穿梭工作的梭车。

1 梭车电气系统

梭车采用整体式车架结构,通过电缆卷筒从井下变电站引入1 140 V交流电,通过变频器给左右两侧隔爆型三相异步鼠笼式交流电机供电,带动各自的轮边减速机驱动车辆行驶;通过隔爆型电控箱内交流接触器给油泵电机供电,通过控制电磁阀实现车辆的转向与前车架的举升与下降;使用两个交流接触器控制刮板电机的正反转,控制梭车的卸煤和接煤。整车自重25 t,载重15 t,最高车速可达7 km/h。传动系统布置图见图1。

图1 梭车传动系统布置示意图

矿用梭车电气系统是整个车辆的核心,实现车辆的运行,如启动、前进、后退、转向以及车辆的照明控制、漏电检测、刮板转动、故障检测处理等功能,实时监测车辆运行时的各项参数,并通过显示屏进行实时显示,保证车辆运行在最佳工作状态。电气系统主要由整车控制系统、动力管理系统、变频调速系统、及数据显示系统组成。

2 动力管理系统

梭车的动力通过电缆卷筒从变电站引来,卷筒内电缆利用摆线器能够均匀排列,充分利用卷筒内的空间。通过电压器将AC1 140 V转换为AC220 V,通过开关电源与本安电源将AC220 V转换为DC24 V与本安型DC24 V。

AC1 140 V用来向变频器、油泵电机、刮板电机供电,通过变频器控制牵引电机的转动。AC220 V连接接触器线圈,DC24 V给控制系统、照明、电铃供电,本安型DC24 V向信号采集模块、手柄供电。

3 整车控制系统

控制系统选用工程机械车辆专用控制器,具有CANOpen、CAN2.0总线接口,I/0端口,具有性能可靠、抗干扰能力强等优点,特别适合应用于工况恶劣的场合。控制器是整个电气系统的大脑,实时接收外部的各种信息及数据,以实现对整车的控制。

只使用两个手柄就分前后对梭车行驶进行控制,方便操作人员使用。

梭车启动时,先通过漏电检测模块对电气系统进行检测,当漏电检测正常后,允许进行其它操作,若发现系统漏电,将会予以提示,并且对车辆各项控制功能进行锁定。检测完成后,控制器接收CAN总线上的信号采集模块的数据信息,包括液压系统的压力、液位、油温等数据信息,并对其分析计算,进行相应的处理。其中信号采集模块为本质安全型电路,其与整车的CAN总线通讯还需加装总线隔离模块。

当电缆卷筒放尽时,通过卷筒内的行程开关通知控制器实现自动停车,防止梭车继续行动造成事故。

通过接收手柄前后动作的信号,控制变频器输出使梭车前进或后退。通过接收手柄左右方向动作的信号,由控制器向电磁阀输出电压使用梭车转向。

梭车电气控制按钮连接到信号采集模块开关量输入口,通过数据线连接到控制器,控制器根据接收到的信号控制相对应的继电器,实现各种功能。

通过接收变频调速系统的数据,获得牵引电机运行时的电流、频率等参数,以对电机进行故障保护。

同时,控制器将计算处理后的数据信息按照预定好的通讯协议通过CAN总线发送给显示器,在显示器上对整车各参数进行显示。

车辆系统上电后,控制器实时接收甲烷检测报警仪的输入信息,当瓦斯浓度超标时,断开变频调速系统的供电电路,实现瓦斯超标的保护。梭车整车电气原理框图见图2。

图2 电气系统原理框图

4 变频调速系统

变频调速系统采用ABB公司的ACS800变频器,变频器先将交流电转换成直流电,再根据需要将直流电通过大功率IGBT元件逆变成三相交流电源,驱动交流牵引电机以提供牵引动力,控制采用无速度传感器的DTC直接力矩控制技术,使三相异步电动机能达到直流电动机的起动转矩和牵引特性[1]。

根据异步电动机的数学模型,电机的电磁转矩可表示为定子磁链矢量和转子磁链矢量之间的交叉乘积形式:

式中:

Lσ—漏电感;

ψs—定子磁链矢量;

ψr—转子磁链矢量;

θ—磁通角。

根据上面的公式,改变定子磁链与转子磁链的磁通角θ,就能改变电机的电磁转矩。直接转矩控制就是根据需要对电机的输出转矩进行直接控制。同时考虑在电机控制中,为保证对电机铁心的充分利用,需要保持定子磁链幅值恒定;此时转子磁链幅值由负载决定而不可控。由于转子磁链的旋转角速度不会突变,从而可以通过调整定子磁链在空间的旋转速度来最终控制转矩,进而可以控制电机的转速。而定子磁链旋转的速度,可以通过定子电压空间矢量的切换控制来实现,即通过定子电压空间矢量的工作状态和零状态的交替切换来控制定子磁链旋转的平均速度。当定子磁链旋转速度大于转子磁链旋转速度时,磁通角θ加大,转矩增大;反之θ减小,转矩减小,从而实现转矩控制[2]。直接转矩控制变频调速系统见图3。

图3 直接转矩控制变频调速系统示意图

异步电动机的转矩通过逆变器输出电压矢量来控制,控制逆变器的开关策略由开关选择单元给出。电动机的定子电流、母线电压通过检测单元测出后,经坐标变换器变换到模型所用的d-q坐标系下,再和转速信号一起作为电动机模型的输入,计算出磁链和转矩;模型磁链幅值、转速值、转矩值同给定的输入量比较后送入各自的调节器,经过两点式调节输出相应的磁链和转矩开关量,这个量做为开关信号选择单元的输入,以选择适当开关状态,使电机能按控制要求调节输出转矩,最终达到调速目的。

DTC直接力矩控制系统与传统的V/F及矢量控制变频器比较,低频(0.1 Hz)时能驱动额定负载平稳运行;理想正弦电流波输出,电机发热小,无振动;考虑铁损补偿,根据负载变化调整输出实现优化节能,在制动、减速、下坡等工况运行时产生的再生电力将回馈蓄电池。并且完全能够使三相鼠笼异步电动机达到和超过直流电动机的起动转矩,DTC直接转矩控制技术是目前最先进的交流异步电机的控制方式。这对井下环境恶劣、路面坑洼不平、长距离爬坡的工况非常有利。

5 车辆显示系统

车辆显示系统采用了车辆专用液晶显示屏。该显示器主控软件采用C语言编写。在液晶屏图形显示子程序中采用汇编语言编写,以加快响应速度。系统初始化过程中,对时钟、通讯接口、液晶屏等进行初始化。在通讯中断子程序中,接收数据并对监控参数对应的变量进行实时更新。在主程序中对键盘与监控参数进行判断,根据不同的情况控制显示屏显示不同的内容或界面。车辆显示系统主界面见图4。

6 结束语

图4 梭车主界面示意图

梭车以交流电为动力,采用工程车辆专用控制器通过CAN总线对整车进行控制,使用了先进的无速度传感器的直接转矩控制变频调速技术,实现了车辆的无级调速。经过厂内试验,梭车电气系统满足了设计要求,并且性能可靠、自动化程度高,通过实时监测车辆运行时的各项参数并进行相应处理,保证了车辆运行于最佳状态,提高了生产效率,同时实现了无污染、零排放、高效节能,彻底解决了煤矿井下柴油机类车辆尾气污染严重的问题。

[1] 韩安荣.通用变频器及其应用[M].北京:冶金工业出版社,2004:95-102.

[2] 郑益飞.基于DSP的直接转矩控制变频器的研究[J].电气传动自动化,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 况 男 1976年出生 1998年毕业于沈阳大学 工程师 沈阳 110027