矿用单轨吊机车驱动控制系统
阅读说明：本技术 矿用单轨吊机车驱动控制系统 (Driving control system of mining monorail crane ) 是由 应洋 钱军 许雷 雷鹏 史发慧 刘国芳 谢爽 于 2021-07-30 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种矿用单轨吊机车驱动控制系统,包括操作手柄、防爆电池箱、控制箱、显示屏、用于驱动单轨吊机车运行的2个以上的驱动单元、用于分别控制各驱动单元电源通断的电源通断控制器；每个驱动单元包括2台用于提供动力输出的变频一体机,用于减速增扭的2台大速比行星减速机,用于驱动的2个摩擦驱动轮,用于承重的2套行走轮以及用于刹车的2副制动装置；每个驱动单元的2台变频一体机的电源端并联与电源通断控制器的同一个电源输出端电连接,2台变频一体机的通信端分别与控制箱通信。本发明采用1拖1的控制方式,能有效解决现有1拖多的同类系统运行效率低、故障率高、单台电机故障时易造成其它电机过载二次损坏等技术问题。(The invention provides a driving control system of a mining monorail crane locomotive, which comprises an operating handle, an explosion-proof battery box, a control box, a display screen, more than 2 driving units for driving the monorail crane locomotive to operate and a power supply on-off controller for respectively controlling the on-off of the power supply of each driving unit; each driving unit comprises 2 frequency conversion integrated machines for providing power output, 2 large-speed-ratio planetary speed reducers for reducing speed and increasing torque, 2 friction driving wheels for driving, 2 sets of walking wheels for bearing and 2 pairs of braking devices for braking; the power ends of the 2 frequency conversion all-in-one machines of each driving unit are connected in parallel and are electrically connected with the same power output end of the power on-off controller, and the communication ends of the 2 frequency conversion all-in-one machines are respectively communicated with the control box. The invention adopts a 1-to-1 control mode, and can effectively solve the technical problems that the existing 1-to-many similar system has low operation efficiency and high failure rate, and other motors are easy to cause overload secondary damage when a single motor fails, and the like.)
技术领域
本发明涉及矿用单轨吊机车技术领域，具体涉及一种矿用单轨吊机车驱动控制系统。
背景技术
矿用单轨吊机车是煤矿重要的辅助运输工具之一。目前煤矿采用的单轨吊机车根据驱动动力的不同分为2种，一种采用柴油机为动力，另一种采用蓄电池为动力，其中柴油机单轨吊机车由于存在油耗高、噪声大、污染重且效率低等不足，逐渐被电驱动单轨吊机车取代。现有采用蓄电池为动力的矿用单轨吊机车的驱动控制系统如图1所示，其主要由操作手柄、防爆电池箱、控制箱、显示屏、防爆变频器以及n个驱动单元组成，其中，防爆电池箱内置蓄电池提供动力电源，操作手柄用于操控并向控制箱提供操作信号，控制箱用于系统的主控，显示屏用于信息显示，防爆变频器用于对n个驱动单元进行驱动控制，每个驱动单元包括1台用于驱动的电机（M1～Mn）、与电机传动连接用于减速增扭的大速比行星减速机、与大速比行星减速机传动连接用于驱动单轨吊机车行走的摩擦驱动轮、用于刹车的制动装置。现有电动的矿用单轨吊机车的驱动控制系统存在的问题有：其一，采用1台防爆变频器驱动控制M1～Mn共n台电机也即1拖多的驱动控制方式，工作时，防爆变频器只能检测到各电机运行扭矩、电流之和，不能检测到单台电机的电流、扭矩等参数，防爆变频器对各电机采取的是一种模糊控制手段，而不能对每台电机进行精准控制，其带来的问题是运行过程中当遇到单台电机过载时，极易烧毁电机，故障率相对较高；同时运行中由于各电机工况不同，各电机输出扭矩无法平衡，若有电机损坏时需要停车重新匹配防爆变频器的电机参数，否则若继续运行，由于电机参数过大，极易导致其它电机过载二次损坏，对煤矿井下运输、生产十分不利。其二，单台防爆变频器容错率低，若防爆变频器损坏，则单轨吊机车无法运行。其三，现有的1拖多的防爆变频器箱体体积大，重量重，不利于在车身相对狭长的单轨吊机车上节约安装空间和车辆合理配重，影响单轨吊机车运行性能。
发明内容
本发明的目的是：提供一种改进的矿用单轨吊机车驱动控制系统，解决现有技术的电驱动的矿用单轨吊机车驱动控制系统存在的技术问题。
本发明的技术方案是：本发明的矿用单轨吊机车驱动控制系统，包括用于提供操作信号的操作手柄，用于提供电源的防爆电池箱，用于系统主控的控制箱，用于信息交互的显示屏，上述操作手柄和显示屏均与控制箱电连接，其结构特点是：还包括用于驱动单轨吊机车运行的2个以上的驱动单元，用于分别控制各驱动单元电源通断的电源通断控制器；上述电源通断控制器设有电源输入端和不少于驱动单元数量的电源输出端以及控制端，电源通断控制器的电源输入端与防爆电池箱电连接，电源通断控制器的各控制端均与电控箱电连接；每个驱动单元设有的电源端与电源通断控制器的同一个电源输出端电连接，每个驱动单元的通信端分别与控制箱通信。
进一步的方案是：上述驱动单元包括2台用于提供动力输出的变频一体机，各与1台变频一体机传动连接的2台大速比行星减速机，各与1台大速比行星减速机传动连接的2个摩擦驱动轮，用于承重且随动于摩擦驱动轮的2套行走轮以及用于刹车的2副制动装置；2台变频一体机设有的电源端并联构成驱动单元的电源端，2台变频一体机设有的通信端共同构成驱动单元的通信端。
进一步的方案是：上述变频一体机由用于提供驱动动力的电机和对上述电机实施变频控制的防爆变频器一体组成。
进一步的方案是：上述防爆变频器包括箱体、前盖、电缆接头、控制线接头、穿墙接线柱、穿墙线座、散热器、控制器和IGBT驱动模块；上述箱体前端开口，后端壁体上设有走线孔，箱体内设有将箱体内的空间分隔成位于下方的主腔和位于上方的接线腔的中间隔板；前盖与箱体固定连接将箱体的前端开口封闭；电缆接头和控制线接头在箱体上部两侧各设有2个且分别与接线腔相通；穿墙接线柱在中间隔板上固定设有两根且穿墙接线柱的上下两端分别伸出于箱体的接线腔和主腔内；穿墙线座固定设于中间隔板上；散热器固定设于箱体的下方，控制器和IGBT驱动模块固定设于箱体的主腔内，且IGBT驱动模块与散热器贴合；IGBT驱动模块与控制器电连接，IGBT驱动模块和控制器各自的电源端共同构成上述变频一体机的电源端，变频一体机的电源端经穿墙接线柱通过电缆经电缆接头与上述电源通断控制器电连接；控制器设有的通信端构成上述变频一体机的通信端，变频一体机的通信端由通信线缆经上述穿墙线座和控制线接头与控制箱通信连接；上述电机与防爆变频器的IGBT驱动模块电连接。
进一步的方案是：上述电机包括壳体、端盖、转轴、定子、转子和2只轴承；上述壳体上设有过线孔和散热筋；电机由其壳体与防爆变频器的箱体固定连接形成一体，且电机的壳体上的过线孔与防爆变频器的箱体上的走线孔相通，电机的电源端通过电缆线穿过电机壳体上的过线孔和防爆变频器的箱体上的走线孔后与防爆变频器的IGBT驱动模块电连接。
进一步的方案是：上述防爆变频器的控制器包括电源转换模块、CPU模块、电压采集模块、电流采集模块和温度采集模块，其中：
电压采集模块，用于采集上述IGBT驱动模块的输入电压，并将信号发送给CPU模块；
电流采集模块，用于采集上述电机的工作电流并将信号发送给CPU模块；
温度采集模块，用于采集IGBT驱动模块的温度并将信号发送给CPU模块；
CPU模块，用于对电机运行状态进行监测并将监测信息上传给控制箱，接收控制箱所发的同步控制信号对IGBT驱动模块实施相应控制从而相应对电机实施电源通断及变频运行的控制；CPU模块分别与电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块以及IGBT驱动模块电连接，CPU模块具有的通信端即为上述控制器的通信端也即上述变频一体机的通信端；
电源转换模块，用于将防爆电池箱输出的DC320V电源转换为DC24电源给CPU模块供电。
进一步的方案是：上述防爆变频器的控制器还包括用于对防爆变频器11的输入电源进行滤波的滤波模块，以及用于切断防爆变频器的输入电源后放掉线路上的残留电压以保证母线上15分钟内无残留电压的放电模块。
进一步的方案是：上述IGBT驱动模块为用于将输入的DC320V直流电源逆变为三相交流电，并在CPU模块的控制下，使得上述电机能够在单轨吊机车轻载时在42～160Hz频率段运行，重载时在42Hz以下频率段运行的模块。
进一步的方案是：上述电源通断控制器基于不少于驱动单元数量的接触器构成，各接触器的电源输入端共同构成上述电源通断控制器的电源输入端，各接触器的电源输出端构成上述电源通断控制器的电源输出端，各接触器的控制端构成上述电源通断控制器的控制端。
本发明具有积极的效果：（1）本发明的矿用单轨吊机车驱动控制系统，其通过专门创新设计的变频一体机、各变频一体机与控制箱的交互方式以及专门设置电源通断控制器对各包括2台变频一体机的驱动单元的电源通断实施1拖1的控制等结构设计，使得矿用单轨吊机车的运输效率和运行稳定性能够明显提高，故障率明显降低，且在某一驱动单元故障时系统能够甩脱该故障驱动单元保障矿用单轨吊机车在降容的情况下仍能安全有效运行，从而能够有效解决现有技术中采用1台防爆变频器驱动控制n台电机也即1拖多的模糊控制驱动控制方式带来的运行效率低、故障率高、单台电机故障时易造成其它电机过载二次损坏等技术问题。（2）本发明的矿用单轨吊机车驱动控制系统，其采用的变频一体机中的电机由配套的防爆变频器控制，单台变频一体机中的防爆变频器或电机损坏均不影响矿用单轨吊机车的运行，从而有效解决了现有技术中采用单台防爆变频器1拖多电机的方式中若防爆变频器损坏则单轨吊机车无法运行的技术问题。（-3）本发明的矿用单轨吊机车驱动控制系统，其变频一体机为各个驱动单元的组成部分，与大速比行星减速机、摩擦驱动轮和行走轮组装在一起，从而可省略现有技术中体积大、重量重的防爆变频器箱体，有利于在单轨吊机车狭长车身上节约安装空间和车辆合理配重，提高单轨吊机车运行性能。
附图说明
图1为现有技术的矿用单轨吊机车驱动控制系统的结构示意框图；
图2为本发明的矿用单轨吊机车驱动控制系统的结构示意框图；
图3为图2中驱动单元的一种立体结构示意图。
图4为图2中变频一体机的结构示意图；
图5为图4的右视图；
图6为图4的俯视图；
图7为图5的A-A向剖视图；
图8为图3中变频一体机去掉变频器前盖后的立体结构示意图；
图9本发明的变频一体机的电路结构示意框图。
上述附图中的附图标记如下：
变频一体机1，防爆变频器11，箱体11-1，中间隔板11-1-1，主腔11-1-2，接线腔11-1-3，前盖11-2，电缆接头11-3，控制线接头11-4，穿墙接线柱11-5，穿墙线座11-6，控制器11-7，IGBT驱动模块11-8，散热器11-9；电机12，壳体12-1，过线孔12-1-1，散热筋12-1-2，端盖12-2，转轴12-3，轴承12-4，定子12-5，转子12-6；
大速比行星减速机2；摩擦驱动轮3；行走轮4；制动装置5。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
（实施例1）
见图2和图3，本实施例的矿用单轨吊机车驱动控制系统，其主要由操作手柄、防爆电池箱、控制箱、显示屏、电源通断控制器以及2个以上的驱动单元组成。每个驱动单元包括2台变频一体机1、2台大速比行星减速机2、2个摩擦驱动轮3；2套行走轮4和2副制动装置5。
操作手柄用于单轨吊机车的操控并向控制箱提供操作信号，单轨吊机车在使用时，通过操作手柄向控制箱发送启停、方向、复位、以及0～10V模拟量控制信号给控制箱，操作手柄的结构、作用和工作原理同于现有技术，不作详述。
防爆电池箱内置蓄电池，为矿用单轨吊机车驱动控制系统提供总电源，其同于现有技术，不作详述。
显示屏用于系统的参数、运行状态、故障等信息的显示，显示屏用于系统信息显示功能与现有技术相同，与现有技术不同的是，本实施例中的显示屏在使用时还用于直接切断发生故障的驱动单元电源的操作，保证在某一驱动单元发生故障时矿用单轨吊机车在降容的情况下仍能保持正常运行。
控制箱用于本驱动控制系统的主控，与现有技术1拖多控制方式不同，本系统中控制箱对每个驱动单元中的每台变频一体机1实现1拖1分布式控制，控制箱与各变频一体机1之间以及各变频一体机1相互之间采用CAN通信连接。前述操作手柄和显示屏与控制箱电连接。
电源通断控制器，用于在控制箱的控制下相应控制各驱动单元电源的通断。电源通断控制器基于不少于驱动单元数量的接触器构成，各接触器的电源输入端均与防爆电池箱电连接得电，各接触器的电源输出端各与1个驱动单元的电源输入端电连接，各接触器的控制端均与控制箱电连接。工作时，若某一驱动单元发生故障，控制箱控制与该故障驱动单元电连接的接触器断开，从而切断该故障驱动单元的电源，此时矿用单轨吊机车在降容的情况下仍能保持正常运行。
参见图4至图8，变频一体机1主要由防爆变频器11和电机12一体组成。
防爆变频器11主要由箱体11-1、前盖11-2、电缆接头11-3、控制线接头11-4，穿墙接线柱11-5、穿墙线座11-6、控制器11-7、IGBT驱动模块11-8以及散热器11-9组成。
参见图8和图4，箱体11-1前端开口，后端壁体上设有走线孔，箱体11-1内设有中间隔板11-1-1，中间隔板11-1-1将箱体11-1内的空间分隔成位于下方的主腔11-1-2和位于上方的接线腔11-1-3，前盖11-2与箱体11-1固定连接将箱体11-1的前端开口封闭。电缆接头11-3和控制线接头11-4在箱体11-1上部两侧各设有2个且分别与接线腔11-1-3相通。穿墙接线柱11-5在中间隔板11-1-1上固定设有两根，穿墙接线柱11-5的上下两端分别伸出于箱体11-1的接线腔11-1-3和主腔11-1-2内；穿墙线座11-6固定设于中间隔板11-1-1上。控制器11-7和IGBT驱动模块11-8固定设于箱体11-1的主腔11-1-2内，散热器11-9固定设于箱体11-1的下方，IGBT驱动模块11-8与散热器11-9贴合，以利工作时散热。
电机12主要由壳体12-1、端盖12-2、转轴12-3、2只轴承12-4、定子12-5和转子12-6组成；电机12为三相交流电机，其结构基本同于现有技术，不作详述。壳体12-1上设有过线孔12-1-1和散热筋12-1-2。电机12由其壳体12-1与防爆变频器11的箱体11-1固定连接形成一体，且电机12的壳体12-1上的过线孔12-1-1与防爆变频器11的箱体11-1上的走线孔相通，用于电机12的电源线走线。
参见图9，防爆变频器11的控制器11-7主要由电源转换模块、CPU模块、电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块、滤波模块和放电模块组成。
电源转换模块，用于将防爆电池箱输出的DC320V电源转换为DC24电源给CPU模块供电，电源转换模块的输入端与穿墙接线柱11-5电连接，穿墙接线柱11-5通过电缆经电缆接头11-3与电源通断控制器电连接。电源转换模块本身为成熟的现有技术，其电路结构不作详述。
CPU模块分别与电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块、IGBT驱动模块11-8以及控制箱电连接，CPU模块与控制箱电连接的具体方式为由通信线缆经穿墙线座11-6和控制线接头11-4与控制箱通信连接，CPU模块用于对电机12运行状态进行监测并将监测信息上传给控制箱，接收控制箱所发的同步控制信号对IGBT驱动模块11-8实施相应控制从而相应对电机12实施电源通断及变频运行的控制。
电压采集模块，用于采集IGBT驱动模块11-8的输入电压，并将信号发送给CPU模块；电流采集模块，用于采集IGBT驱动模块11-8的输出电流也即压电机12的工作电流并将信号发送给CPU模块；温度采集模块，用于采集IGBT驱动模块11-8的温度并将信号发送给CPU模块。
滤波模块和放电模块作为优选方式设置，滤波模块和放电模块均与防爆变频器11的电源输入端电连接；滤波模块由电容构成，用于对防爆变频器11的输入电源进行滤波；放电模块由电阻构成，用于切断防爆变频器11的输入电源后放掉线路上的残留电压，保证母线上15分钟内无残留电压以保证防爆变频器11开盖安全。
IGBT驱动模块11-8的输入端与穿墙接线柱11-5电连接，IGBT驱动模块11-8的输出端由电缆穿过防爆变频器11的箱体11-1上的走线孔以及电机12的壳体12-1上的过线孔12-1-1与电机12的电源端电连接，IGBT驱动模块11-8的控制端与控制器11-7的CPU模块电连接。IGBT驱动模块11-8用于将输入的DC320V电源逆变为三相交流电，并在CPU模块的控制下，使得电机12能够在额定频率以下（0～42Hz）恒功率运行、42～130Hz恒功率运行和在130～167Hz降功率运行，从而使得防爆单轨吊机车运行效率最大化。
参见图3，每个驱动单元中的2台变频一体机1的电源输入端并联后与电源通断控制器的同一个接触器的电源输出端电连接，每台变频一体机1的电机12的转轴12-3各通过1台大速比行星减速机2与1个摩擦驱动轮3传动连接，2套行走轮4分别与2台大速比行星减速机2固定连接在2个摩擦驱动轮3的两侧各设置1套；2副制动装置5在2套行走轮4上各固定设置1套。使用时，2个摩擦驱动轮3安装于用于矿用单轨吊机车运行的吊轨轨道上的两侧，通过摩擦驱动轮3转动驱动矿用单轨吊机车运行；2套行走轮4挂在吊轨轨道上，2套行走轮4与单轨吊机车连接。2副制动装置5作为驱动单元中摩擦驱动轮3打滑或超速飞车等意外情况下的保护装置；大速比行星减速机2用于对电机12减速增扭实现摩擦驱动轮3额定牵引力输出。
本实施例的矿用单轨吊机车驱动控制系统，其工作原理和过程简述如下：
安装有本实施例的矿用单轨吊机车驱动控制系统的矿用单轨吊机车，其在使用时，通过操作手柄输入单轨吊机车的启停、方向、复位等控制信号至控制箱，控制器通过同步通讯将控制信号发送给在用每一台变频一体机1，各变频一体机1的防爆变频器11同步接收到控制信号，驱动本变频一体机1的电机12运行，从而使得各台变频一体机1同步驱动矿用单轨吊机车运行，并且使得各变频一体机1之间扭矩输出一致，即如果某一驱动单元的两台变频一体机1上坡导致有扭矩增大需求，其他驱动单位的在线变频一体机1扭矩同步增大，实现多台变频一体机1既独立运行又保持扭矩同步的目的；使用中可根据矿用单轨吊机车不同负载工况，轻载时变频一体机1在42～160Hz频率段运行，重载时在42Hz以下运行，使矿用单轨吊机车运行效率最大化，通过变频一体机1转速调节，可使整个单轨吊机车实现调速运行。运行过程中，各变频一体机1的参数、运行状态、故障等信息实时上传给控制箱并由控制箱发送至显示屏进行显示；运行过程中，控制箱对每台变频一体机1的电机12的电流、扭矩等参数实时监控，若某一台变频一体机1的电机12出现故障，控制箱通过断开电源通断控制器中与该出现故障的变频一体机1所在驱动单元的接触器从而断开该驱动单元的2台变频一体机1的电源，使得矿用单轨吊机车在降容的情况下仍能保持正常运行。
以上实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换和变化而得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应该归入本发明的专利保护范围。
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