薛峰

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

1 引言

長(zhǎng)期以來(lái)，動(dòng)力制動(dòng)是國(guó)內(nèi)礦井交流提升機(jī)廣泛采用的電氣制動(dòng)方式之一，礦井提升機(jī)是煤炭、冶金、有色和黃金等礦山生產(chǎn)過(guò)程中非常重要的設(shè)備。全國(guó)在用的礦井提升機(jī)，僅煤炭行業(yè)統(tǒng)配礦就有上萬(wàn)多套，冶金、有色和黃金等行業(yè)的使用量也十分可觀。由于歷史的原因，這些提升機(jī)所用的電氣控制設(shè)備普遍存在技術(shù)落后、結(jié)構(gòu)龐大、連線復(fù)雜、故障率高、使用維護(hù)難度大等問(wèn)題，直接影響了礦井提升機(jī)的安全和效率，也阻礙了礦井自動(dòng)化和管理現(xiàn)代化的步伐，急需采用現(xiàn)代高新技術(shù)設(shè)備來(lái)更新?lián)Q代，也是廣大現(xiàn)場(chǎng)使用維護(hù)人員迫切要解決的技術(shù)問(wèn)題。

雖然自動(dòng)晶閘管控制動(dòng)力制動(dòng)電源發(fā)展己經(jīng)成熟，也得到了一定的應(yīng)用，但是由于晶閘管是半控型器件，因此控制效果往往不太理想，同時(shí)由于使用了低頻變壓器，從而使整個(gè)控制設(shè)備體積龐大。

2 礦井提升機(jī)動(dòng)力制動(dòng)

2.1 礦井提升機(jī)盤(pán)閘式制動(dòng)

盤(pán)閘式制動(dòng)系統(tǒng)如下圖所示，是通過(guò)給定速度信號(hào)和實(shí)際速度信號(hào)比較，經(jīng)磁放大器綜合、放大，來(lái)調(diào)節(jié)電液調(diào)壓裝置輸入電流的，達(dá)到改變油壓的目的。本系統(tǒng)中越大，盤(pán)形閘和制動(dòng)盤(pán)的壓力越小，制動(dòng)力矩越小?？梢钥闯觯菍C(jī)-電-液融為一體，環(huán)節(jié)多，慣性大。最為明顯的是該制動(dòng)為能耗制動(dòng)，又有閘瓦磨損，經(jīng)濟(jì)性差。

2.2 礦井提升機(jī)動(dòng)力制動(dòng)

礦井提升機(jī)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下圖所示

礦井提升系統(tǒng)

電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)定子回路通入的是三相交流電，在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，切斷定子交流電源，然后輸入直流電，此時(shí)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)定子繞組中將形成一個(gè)靜止的定子磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)在旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并由此產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流。靜止的定子磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子電流磁勢(shì)形成的合成氣隙磁通與轉(zhuǎn)子電流相互作用，產(chǎn)生制動(dòng)力矩，電動(dòng)機(jī)進(jìn)入制動(dòng)工作狀態(tài)，這種制動(dòng)方式稱為動(dòng)力制動(dòng)。動(dòng)力制動(dòng)過(guò)程中，定子磁場(chǎng)是靜止的，轉(zhuǎn)子速度就是轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割磁力線的速度。

3 系統(tǒng)的組成框圖及工作原理

該系統(tǒng)的基本工作原理是:三相工業(yè)電源首先經(jīng)過(guò)一次不可控整流，得到較為粗糙的一次直流，然后經(jīng)過(guò)PWM斬波控制，得到高質(zhì)量可調(diào)的二次直流電，再經(jīng)過(guò)變壓器變壓后就可以得到所需要的直流電。當(dāng)提升機(jī)進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，通過(guò)切除三相異步電機(jī)的定子交流電的同時(shí)，加入上述的二次直流電，進(jìn)行能耗制動(dòng)。本方案采用速度與電流雙閉環(huán)的形式進(jìn)行控制，來(lái)提高控制效果和精度。整個(gè)系統(tǒng)框圖如下所示。

一次整流包括系統(tǒng)的輸入電路、全橋整流器等，主要完成交流電網(wǎng)電壓的整流功能，使交流電變?yōu)檩^為粗糙的直流電。輸入整流濾波器將輸入電壓進(jìn)行整流濾波，因此整個(gè)系統(tǒng)的變壓器、輸出濾波器等部分的體積與傳統(tǒng)的相控整流裝置都要小的多。濾波品質(zhì)的高低直接關(guān)系到輸出直流電中交流分量的高低，即波紋系數(shù)，這項(xiàng)參數(shù)越小越好。另外濾波電容的容量和品質(zhì)也關(guān)系到電流變化時(shí)電壓的穩(wěn)定程度。輔助電源為IGBT的控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路、各種傳感器、控制系統(tǒng)等提供彼此隔離的且滿足一定技術(shù)要求的直流電壓，保證它們正?？煽康墓ぷ?。該系統(tǒng)的輔助電源采用的是穩(wěn)壓芯片來(lái)得到控制系統(tǒng)所需要的電壓。

PWM發(fā)生電路接收保護(hù)控制電路的信號(hào)，產(chǎn)生脈沖信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)IGB通斷的頻率，從而來(lái)控制高頻逆變環(huán)節(jié)工作時(shí)的占空比，使開(kāi)關(guān)電源即使處于不同的負(fù)載下，也能通過(guò)反饋來(lái)調(diào)節(jié)占空比來(lái)維持輸出電壓的穩(wěn)定。保護(hù)控制電路檢測(cè)系統(tǒng)的輸出電壓和電流，和參考電壓電流相比較，產(chǎn)生誤差信號(hào)，送給PWM產(chǎn)生電路，即調(diào)整輸出脈沖的寬度，從而達(dá)到控制系統(tǒng)占空比的目的。同時(shí)當(dāng)系統(tǒng)的輸入輸出產(chǎn)生錯(cuò)誤，比如過(guò)壓、過(guò)流、缺相等，可以立刻封閉脈沖產(chǎn)生信號(hào)，使系統(tǒng)停止工作，達(dá)到保護(hù)系統(tǒng)的目的。

4 速度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

對(duì)電機(jī)的速度進(jìn)行測(cè)量的方法主要有兩種，一種是采用測(cè)速發(fā)電機(jī)，另一種是采用光電編碼器。采用測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速存在非線性和死區(qū)問(wèn)題且精度較差，需要的外圍硬件電路較多;而采用光電編碼器則可達(dá)到較高的測(cè)量精度，不易受外界環(huán)境的影響;本設(shè)計(jì)中采用的是增量式光電編碼器，輸出的兩路脈沖信號(hào)加到TMS320F2812的QEP3和QEP4引腳上，通過(guò)測(cè)得的脈沖個(gè)數(shù)很容易就能算出電機(jī)轉(zhuǎn)速，同時(shí)還可以根據(jù)兩路脈沖的先后順序確定出電機(jī)的轉(zhuǎn)向。

5 電流檢測(cè)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

在本論文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，電流的檢測(cè)也是必不可少的，比如輸出濾波電感(實(shí)際上是輸出變壓器的漏感)上電流的采樣，逆變器輸出電流的采樣，負(fù)載電流的采樣等。電流信號(hào)的處理和電壓信號(hào)的處理有所不同，它首先要轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)才能對(duì)其進(jìn)行處理?？梢杂袃煞N方法獲得，即在電路中串聯(lián)一個(gè)采樣電阻獲得與采樣電流成正比的電壓信號(hào);也可以采用霍爾電流互感器將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成和其成線性關(guān)系的電壓量。

6 制動(dòng)系統(tǒng)控制流程

為了滿足提升機(jī)在減速段的減速度的要求，需采用雙閉環(huán)調(diào)速方案。如下圖所示，ACR為電流調(diào)節(jié)器。速度給定U*由給定積分器產(chǎn)生。給定積分器輸出電壓U*變化率與提升機(jī)的減速度相對(duì)應(yīng)。在提升容器到達(dá)減速點(diǎn)后，切除定子高壓電源。制動(dòng)電源接觸器合閘，其輔助接點(diǎn)閉合，DSP得到此信號(hào)，U*按給定的減速度減小。

7 移相角的產(chǎn)生方法

全橋移相PWM變換器，利用超前橋臂和滯后橋臂的相移來(lái)調(diào)節(jié)占空比。對(duì)所產(chǎn)生的PWM信號(hào)的要求如下:

(1)上下橋臂兩管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)180度互補(bǔ)導(dǎo)通;(2)4路驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比均設(shè)置為50%，由于死區(qū)時(shí)間的影響實(shí)際輸出較小;(3)兩組橋臂之間有相位差，相位超前的信號(hào)作為超前橋臂信號(hào)，相位滯后的信號(hào)作為滯后橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

驅(qū)動(dòng)信號(hào)生成可通過(guò)DSP的事件管理模塊EVA或EVB產(chǎn)生。事件管理器EVA或EVB有3個(gè)全比較單元，每個(gè)全比較單元都有兩個(gè)互補(bǔ)的PWM脈沖輸出，因此可以使用其中兩個(gè)比較單元提供4路驅(qū)動(dòng)信號(hào);設(shè)置定時(shí)器為連續(xù)增減計(jì)數(shù)模式，在定時(shí)器下溢中斷和周期中斷時(shí)分別設(shè)置比較寄存器的值，同時(shí)保證同一個(gè)比較寄存器在定時(shí)器下溢中斷和周期中斷設(shè)置參數(shù)之和等于周期寄存器的值T，這樣就可以使產(chǎn)生的PWM脈沖為 50%的占空比。死區(qū)時(shí)間由死區(qū)控制寄存器產(chǎn)牛。利用DSP的全比較單元可以方便地產(chǎn)生各種對(duì)稱或者不對(duì)稱的PWM波形。本文使用E VA中的通用定時(shí)器GPI實(shí)現(xiàn)采樣周期，由于所設(shè)計(jì)的變換器的功率開(kāi)關(guān)的工作頻率為20kHz，所以采樣周期為50微妙。

8 總結(jié)

目前，礦井交流提升機(jī)大都采用動(dòng)力制動(dòng)或低頻電源制動(dòng)方式。由于動(dòng)力制動(dòng)為能耗制動(dòng)，以及制動(dòng)可靠性差等因素，一直是制約動(dòng)力制動(dòng)電源發(fā)展的一個(gè)瓶頸。本設(shè)計(jì)所采用的DC/DC變換技術(shù)應(yīng)用到制動(dòng)電源上，從而提高了制動(dòng)電源的效率和可靠性，并縮小了制動(dòng)電源的體積:尤其是DSP的運(yùn)用，讓系統(tǒng)的控制精度進(jìn)一步提高。

[1]郝建功，張耀成，礦井提升機(jī)動(dòng)力制動(dòng)過(guò)程中的模糊控制，煤炭學(xué)報(bào)2003年

[2]王聰，吳宏杰，魏偉華，用于DC/D全橋變換器的全數(shù)字式PWM控制器，電力電子技術(shù)，2000年