阅读说明：本技术 一种矿用刮板运输机驱动系统长电缆控制方法 (Control method for long cable of driving system of mining scraper conveyor ) 是由 邓永红 张全柱 孙英娟 马红梅 雷旻 薛伟宁 赵立永 于 2019-04-23 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种矿用刮板运输机驱动系统长电缆控制方法,其特征在于,包括以下步骤：在刮板运输机运行工况时,其中一组分控制系统为主控制系统,该主控制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,该从控制系统用于控制刮板运输机从动电机的力矩,总控制系统对刮板运输机的分控制系统的采样数据进行分析,根据采样数据,对各控制系统的运行工况进行控制调整,以达到实时监控实时调整,自动调整智能化运行。本发明的优点是：本发明电路结构简单,造价低廉,控制容易且性价比高,更加有效的实现刮板运输机驱动系统的各种特殊工况,实现对再生能量的有效利用。(The invention relates to a long cable control method for a driving system of a mining scraper conveyor, which is characterized by comprising the following steps of: when the scraper conveyer operates, one of the component control systems is a master control system, the master control system is used for controlling the speed of a driving motor of the scraper conveyer, the other component control system is a slave control system, the slave control system is used for controlling the torque of a driven motor of the scraper conveyer, the master control system analyzes the sampling data of the component control systems of the scraper conveyer, and controls and adjusts the operating conditions of the control systems according to the sampling data so as to achieve real-time monitoring and real-time adjustment and automatically adjust intelligent operation. The invention has the advantages that: the invention has simple circuit structure, low manufacturing cost, easy control and high cost performance, more effectively realizes various special working conditions of the driving system of the scraper conveyer and realizes the effective utilization of regenerated energy.)

一种矿用刮板运输机驱动系统长电缆控制方法

技术领域

本发明涉及一种矿用刮板运输机驱动系统长电缆控制方法。

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。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正弦波形脉冲宽度调制，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。

由于矿山开采的特殊性，刮板运输机输出侧必定存在变频器通过长电缆给电机供电，电缆长度从几百米到几千米不等。由于变频器输出的是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。

针对两电平变频器长电缆供电出现的问题，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。

但长电缆本身具有参数(电阻、电容、电感)对于大功率刮板运输机驱动系统，尤其是重载启动、负载突变、同步控制中不能忽略，这就需要研究刮板运输机驱动系统长电缆的控制方法。

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，研究刮板运输机驱动系统的长电缆控制方法是很有前景意义的。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种矿用刮板运输机驱动系统长电缆控制方法，本发明的技术方案是：

一种矿用刮板运输机驱动系统长电缆控制方法，包括以下步骤：在刮板运输机运行工况时，其中一组分控制系统为主控制系统，该主控制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，该从控制系统用于控制刮板运输机从动电机的力矩，总控制系统对刮板运输机的各分控制系统的采样数据进行分析，根据采样数据，对各控制系统的运行工况进行控制调整，以达到实时监控实时调整，自动调整智能化运行；所述的总控制系统通过电压闭环控制算法使刮板运输机始终在最佳状态运行；该电压闭环控制算法基于长电缆模型和检测的数据来实现，具体为：依据长电缆模型，采用电感L、电容C和电阻R来模拟长电缆参数，对于一个平衡的三相系统，三相电缆的电阻值、电容值和电感值相等：

R_{c_u}＝R_{c_v}＝R_{c_w}＝R_c (1)

L_{c_u}＝L_{c_v}＝L_{c_w}＝L_c (2)

C_{c_u}＝C_{c_v}＝C_{c_w}＝C_c (3)

令电感阻抗为Z_L＝jω₁L_c，电容阻抗为

则每公里电缆每相中的阻抗为：

Z＝R_c+Z_L+Z_c (4)

则得：

u_{c_uvw}＝Z*i_{INV_uvw} (5)

u_{cl_uvw}＝Z*i_{INV_uvw}*1 (6)

其中j表示的是复数；R_c-u、R_c-v、R_c-w分别为电缆每相电阻值，单位Ω；L_c-u、L_c-v、L_c-w分别为电缆每相电感值，单位H；C_c-u、C_c-v、C_c-w分别为电缆每相电容值，单位F；ω₁，u_{c_uvw}，i_{INV_uvw}分别是三电平逆变器输出的供电运行角频率，三电平逆变器输出长电缆的每一相电压压降和三相相电流值；

根据检测的三电平逆变器输出的三相相电流值i_{INV_uvw}，实际输出的角频率ω₁，根据公式(5)，计算出每公里电缆的每一相电压压降u_{c_uvw}；“I”为电缆的实际长度，u_{Cl_uvw}为实际电缆长度下每一相电压压降，通过公式(6)计算出刮板运输机实际电缆长度下每一相电压压降；

总控制系统通过CAN总线发出控制指令，其中一个分控制系统为主控制系统，另外一个分控制系统为从控制系统，刮板机运行速度(频率)通过主控制系统控制；主控制系统计算出运行的力矩，通过CAN总线传给分控制系统，进而控制刮板运输机的力矩；刮板运输机实际运行时，总控制系统根据给定的刮板运输机的额定频率和实际运行频率，计算出电机所需要的电压，

其中，f(t)为刮板运输机实际运行频率，U_N为电机的额定电压，f_N为电机的额定频率，U_S为通过公式(7)在不考虑电缆长度计算出来的刮板运输机电机运行的相电压；考虑长电缆长度的影响，在实际运行频率和实际运行相电流下，通过公式(6)计算电缆压压降为u_{lc_uvw}，与U_S相加，则可以计算出刮板运输机电机运行实际需要的相电压为而u_uvw为实际检测的三电平逆变器输出的三相相电压值，和u_uvw的差值作为刮板运输机驱动系统长电缆控制算法PI的输入值，PI的输出值为三电平PWM整流器输出直流电压给定值U^*，也即三相逆变器的输入直流电压值U^*；这样在电缆的长度为“I”下，不同的运行速度ω₁和不同工况下，总控制系统通过控制算法计算出直流电压给定值U^*，控制三相PWM整流器和双向DC/DC变流器的输出直流电压值，使得刮板运输机驱动系统始终工作在最佳状态；这样通过刮板运输机驱动系统长电缆控制算法计算出所需要的中间直流电压U^*，通过CAN总线提供给三电平PWM整流器和双向DC/DC变流器输出稳定所需的中间直流电压，这个中间直流电压提供给三电平逆变器，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。

所述的分控制系统包括依次连接的三电平PWM整流器、三电平逆变器和滤波器，双向DC/DC变流器的一端与超级电容组连接，另一端接入三电平PWM整流器和三电平逆变器之间，主控制系统的滤波器通过长电缆与主动电机连接，从控制系统的滤波器通过长电缆与从动电机连接；所述的三电平逆变器的准正弦波输出，通过滤波器后为三相正弦波电压输出，通过长电缆给刮板运输机供电，实现了刮板运输机的同步控制，同时实现了长电缆供电。

所述的三电平逆变器的准正弦波输出，通过滤波器后为三相正弦波电压输出，其中，主控制系统以及从控制系统的控制实现了刮板运输机的同步控制。

三电平PWM整流器输出稳定的可调整的中间直流电压，提供给三电平逆变器，其中，三电平PWM整流器结合与超级电容组连接的双向DC/DC变流器适应负载的突变和重载启动，能够不断控制调整刮板运输机同步运行。

两三电平逆变器、两三电平PWM整流器和两双向DC/DC变流器均通过CAN总线与总控制系统连接，进行数据交换。

6、根据权利要求2所述的一种矿用刮板运输机驱动系统长电缆控制方法，其特征在于，三电平PWM整流器结合双向DC/DC变流器先给超级电容组瞬间充电，充电结束后，三电平PWM整流器联同双向DC/DC变流器和超级电容组组成的电源协调运行，通过控制三电平PWM整流器工作在恒压限流工况。

主动电机以及从动电机产生的再生制动能量通过双向DC/DC变流器存储到超级电容组，实现储能或者通过三电平PWM整流器回馈电网。

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：本发明电路结构简单，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，与超级电容组和双向DC/DC变流器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和长电缆运行，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和瞬间大电流放电功能，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是传统矿用刮板运输机驱动系统示意图。

图2是传统矿用刮板运输机变频器驱动系统示意图。

图3是本发明的流程示意图。

图4是图3中长电缆模型图。

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至图4，本发明涉及一种矿用刮板运输机驱动系统长电缆控制方法，其特征在于，包括以下步骤：在刮板运输机运行工况时，其中一组分控制系统为主控制系统，该主控制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，该从控制系统用于控制刮板运输机从动电机的力矩，总控制系统对刮板运输机的分控制系统的采样数据进行分析，根据采样数据，对各控制系统的运行工况进行控制调整，以达到实时监控实时调整，自动调整智能化运行；所述的总控制系统通过电压闭环控制算法使刮板运输机始终在最佳状态运行；该电压闭环控制算法基于长电缆模型和检测的数据来实现，具体为：依据长电缆模型，采用电感L、电容C和电阻R来模拟长电缆参数，对于一个平衡的三相系统，三相电缆的电阻值、电容值和电感值相等：

L_{c_u}＝L_{c_v}＝L_{c_w}＝L_c (2)

C_{c_u}＝C_{c_v}＝C_{c_w}＝C_c (3)

令电感阻抗为Z_L＝jω₁L_c，电容阻抗为

则每公里电缆每相中的阻抗为：

Z＝R_c+Z_L+Z_c (4)

u_{c_uw}＝Z*i_{INV_uww} (5)

u_{cl_uvw}＝Z*i_{INV_uvw}*1 (6)

其中j表示的是复数；R_c-u、R_c-v、R_c-w分别为电缆每相电阻值，单位Ω；L_c-u、L_c-v、L_c-w分别为电缆每相电感值，单位H；C_c-u、C_c-v、C_c-w分别为电缆每相电容值，单位F；ω₁，u_{c_uvw}，i_{INV_uvw}，分别是三电平逆变器输出的供电运行角频率，三电平逆变器输出长电缆的每一相电压压降和三相相电流值；

根据检测的三电平逆变器输出的三相相电流值i_{INV_uvw}，实际输出的角频率ω₁，根据公式(5)，计算出每公里电缆的每一相电压压降u_{c_uvw}；“I”为电缆的实际长度，u_{cl_uvw}为实际电缆长度下每一相电压压降，通过公式(6)计算出刮板运输机实际电缆长度下每一相电压压降；

总控制系统通过CAN总线发出控制指令，其中一个分控制系统为主控制系统，另外一个分控制系统为从控制系统，刮板机运行速度频率通过主控制系统控制；运行的力矩信号通过分控制系统控制，进而控制刮板运输机的力矩；刮板运输机实际运行时，总控制系统根据给定的刮板运输机的额定频率和实际运行频率，计算出电机所需要的电压，

其中，f(t)为刮板运输机实际运行频率，U_N为电机的额定电压，f_N为电机的额定频率，U_S为通过公式(7)在不考虑电缆长度计算出来的刮板运输机电机运行的相电压；考虑长电缆长度的影响，在实际运行频率和实际运行相电流下，通过公式(6)计算电缆压压降为u_{lc_uvw}，与U_S相加，则可以计算出刮板运输机电机运行实际需要的相电压为而u_uvw为实际检测的三电平逆变器输出的三相相电压值，和u_uvw的差值作为刮板运输机驱动系统长电缆控制算法PI的输入值，PI的输出值为三电平PWM整流器输出直流电压给定值U^*，也即三相逆变器的输入直流电压值U^*；这样在电缆的长度为“I”下，不同的运行速度ω₁和不同工况下，总控制系统通过控制算法计算出直流电压给定值U^*，控制三相PWM整流器和双向DC/DC变流器的输出直流电压值，使得刮板运输机驱动系统始终工作在最佳状态；这样通过刮板运输机驱动系统长电缆控制算法计算出所需要的中间直流电压U^*，通过总线提供给三电平PWM整流器和双向DC/DC变流器输出稳定所需的中间直流电压，这个中间直流电压提供给三电平逆变器，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。

所述的分控制系统包括依次连接的三电平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的一端与超级电容组6连接，另一端接入三电平PWM整流器和三电平逆变器之间，主控制系统的滤波器通过长电缆与主动电机M1连接，从控制系统的滤波器通过长电缆与从动电机M2连接；所述的三电平逆变器的准正弦波输出，通过滤波器后为三相正弦波电压输出，通过长电缆给刮板运输机供电，实现了刮板运输机的同步控制，同时实现了长电缆供电。

所述的三电平逆变器的准正弦波输出，通过滤波器后为三相正弦波电压输出，其中，主控制系统以及从控制系统的控制实现了刮板运输机的同步控制。

三电平PWM整流器输出稳定的可调整的中间直流电压，提供给三电平逆变器，其中，三电平PWM整流器结合与超级电容组连接的双向DC/DC变流器适应负载的突变和重载启动，能够不断控制调整刮板运输机同步运行。

两三电平逆变器、两三电平PWM整流器和两双向DC/DC变流器均通过CAN总线与总控制系统连接，进行数据交换。

三电平PWM整流器结合双向DC/DC变流器先给超级电容组瞬间充电，充电结束后，三电平PWM整流器联同双向DC/DC变流器和超级电容组组成的电源协调运行，通过控制三电平PWM整流器工作在恒压限流工况。

主动电机以及从动电机产生的再生制动能量通过双向DC/DC变流器存储到超级电容组，实现储能或者通过三电平PWM整流器回馈电网。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。

所述的主控制系统与从控制系统可以互为主从控制。

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、双向DC/DC变流器、三电平逆变器、超级电容组通过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智能化高效变频器驱动系统的寿命，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以及长电缆供电和同步控制，保证刮板运输机可靠运行。