一种矿用变频绞车电气控制装置及其控制方法与流程

1.本发明涉及采矿设备技术领域，特别涉及到一种矿用变频绞车电气控制装置及其控制方法。


背景技术：

2.综采工作面液压支架和垛式支架回撤时，需要利用绞车进行牵引和调向，经调研，目前矿方使用绞车动力源多采用矿用三相交流感应工频电机输出，并采用矿用磁力启动器控制工频电机的启停和正反转，其高低速调节通过与电机相连的减速器实现。但是现有的绞车控制系统不仅不具备无极调速功能，而且存在启动电流大，电机发热、数据无法上传、无法实现远程控制、无法检测钢丝绳拉力等一系列问题。另外由于受井下综采工作面空间限制，导致绞车整机体积紧凑，总体布置存在困难。这就需在有限空间中设计一款集变频调速、远程智能监测、遥控控制、数据存储和上传等多种功能于一体的绞车电气控制装置及其相应的控制方法。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一，本发明实施例提出了一种矿用变频绞车电气控制装置，在有限空间中集变频调速、远程智能监测、遥控控制、数据存储和上传等多种功能于一体，不仅解决了变频绞车电控箱内变频器的散热问题同时也解决了工频绞车启动电流大、电机发热、数据无法上传、无法实现远程控制等问题；此外本发明实施例中的电气控制装置可通过实时检测绞车拉力，预防绞车过载及断缆事故的发生。
4.有鉴于此，本发明的实施例的一个方面提供了一种矿用变频绞车电控箱，所述电控箱包括箱体以及布置在所述箱体内的电气单元；
5.所述箱体包括相对设置的前板和后板、相对设置的上板和底板以及相对设置的左板和右板；所述前板、所述后板、所述上板、所述底板、所述左板和所述右板共同围成具有容纳空间的腔体；
6.所述电气单元包括两个接线腔，油泵主回路，本安电源单元，变频牵引单元，控制回路单元，断路器单元和急停及闭锁机构；两个所述接线腔将所述腔体分为主腔和所述接线腔；两个所述接线腔分别设置在所述左板和所述右板处，且两个所述接线腔均位于所述后板的上部；
7.所述油泵主回路设置在所述后板和所述底板的中部；所述本安电源单元单独布置在所述底板上；所述变频牵引单元设置在所述底板上且位于一个所述接线腔的前方；所述控制回路单元设置在所述前板上；所述断路器单元设置在所述腔体内，且所述断路器单元位于另一个所述接线腔的前方。
8.在一些实施例中，所述断路器单元包括断路器和实现所述断路器闭锁的急停及闭锁机构；所述断路器位于另一个所述接线腔的前方，且所述急停及闭锁机构通过所述断路
器固定于所述前板。
9.在一些实施例中，所述两个接线腔分别为变频回路接线腔和工频回路接线腔；所述变频牵引单元设置在所述变频回路接线腔的前方；所述断路器单元设置在所述工频回路接线腔的前方。
10.在一些实施例中，所述底板内部设置流体散热结构；所述流体散热结构为流体管道往复折叠形成迷宫式样。
11.在一些实施例中，所述流体管道的两端分别连接快插接头；所述快插接头位于所述底板的一侧上。
12.在一些实施例中，所述电控箱还包括接线单元；所述接线单元包括高压接线柱和低压接线盘；所述高压接线柱和所述低压接线盘均分别贯穿于所述主腔与所述接线腔之间。
13.根据本发明的实施例的另一个方面提出了一种矿用变频绞车电气控制装置，包含上述任一实施例中的所述电控箱和控制系统以及分别与所述电控箱的输出端连接的遥控装置、数据传输装置，变频电机，油泵电机和电气附件；
14.所述控制系统包括：
15.核心控制系统，通过倍福plc控制器接收各被控系统的运行参数并发送控制指令进行对应的操作；
16.遥控系统，其与所述核心控制系统连接，用于接收所述核心控制系统的控制指令并通过所述电控箱实现远程遥控；
17.数据在线监控系统，其与所述核心控制系统连接，用于对绞车工作状态、各执行机构运行数据存储及无线传输，实现远程智能监测；
18.变频调速系统，其与所述核心控制系统连接，用于接收所述核心控制系统的控制指令并通过所述电控箱实现对所述变频电机及所述油泵电机的控制；
19.人机界面hmi及报警系统，其与所述核心控制系统连接，用于接收所述核心控制系统的控制指令实现人机交互和自动保护及报警功能。
20.在一些实施例中，所述电气附件包括电磁阀组、各类检测传感器、防爆灯、报警器、显示器及保护器和急停开关及控制按钮。
21.根据本发明的实施例的又一个方面提出了一种矿用变频绞车钢丝绳拉力的检测方法，利用上述任一实施例中的所述的电气控制装置进行变频绞车钢丝绳拉力的检测，具体步骤为：
22.采集所述变频电机的转速、电压和电流信号通过编程计算出钢丝绳的拉力，并将所述拉力数据写入所述电控箱中变频器的寄存器；
23.读取所述寄存器中的数据，实时显示工作状态下钢丝绳拉力。
24.在一些实施例中，钢丝绳拉力计算公式为：f＝i
·
t/r；
25.其中f为绞车牵引力；i为传动系统总传动比；r为钢丝绳缠绕平均半径；t为变频电机输出转矩；
26.其中t＝9550p/n；
27.其中p为变频电机功率；n为变频电机转速；
28.p＝1.732uicosφ
29.其中u为变频电机工作电压；i为变频电机工作电流；cosφ为变频电机功率因素。
附图说明
30.本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
31.图1为本发明一个实施例提供的电控箱布置示意图。
32.图2为本发明一个实施例提供的电控箱剖面图。
33.图3为本发明一个实施例提供的电控箱俯视图。
34.图4为本发明一个实施例提供的底板结构示意图。
35.图5为本发明一个实施例提供的变频绞车电气控制装置的系统图。
36.图6为图5中电气控制装置的控制方法系统图。
37.附图标记
38.1-油泵主回路；2-本安电源单元；3-变频牵引单元；4-控制回路单元；5-断路器；6-急停及闭锁机构6；7-工频回路接线腔；8-变频回路接线腔；9-高压接线柱；10-低压接线盘；11-底板；12-电抗器；13-变压器；14-变频器；15-风扇；16-真空接触器；17-引线喇叭嘴；18-接线腔门板把手；19-主腔门板拉手；20-主腔门板；21-变频回路接线腔门板；22-工频回路接线腔门板；23-控制器。
具体实施方式
39.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
40.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
41.实施例1
42.如图1到图6所示，本发明实施例提供了一种矿用变频绞车电控箱，电控箱包括箱体以及设置在箱体内的电气单元。本实施例中的电控箱为隔爆兼本安型电气控制箱，整个电控箱内部结构紧凑，层次分明。电气单元安装为模块式结构，各个单元模块之间通过接插件连接组成完整电气控制回路，并严格按照煤矿电气设计标准严格设计。
43.为便于理解，其中箱体的前板和后板分别对应前后方向，上板和底板11分别对应上下方向，左板和右板分别对应左右方向，具体图1所示。
44.具体的如图1-图3所示，箱体包括在前后方向上相对设置的前板和后板，在上下方向上相对设置的上板和底板11以及在左右方向上相对设置的左板和右板；其中前板、后板、上板、底板11、左板和右板共同围成具有容纳空间的腔体。可理解的，电气单元均设置在腔体内，其中腔体为隔爆型腔体。
45.其中，电气单元包括两个接线腔，油泵主回路1，本安电源单元2，变频牵引单元3，控制回路单元4，断路器单元和急停及闭锁机构6；两个接线腔将腔体分为主腔和接线腔；两个接线腔分别设置在左板和右板处，且两个接线腔均位于后板的上部。
46.具体的如图1所示，两个接线腔设置在腔体内，将腔体分为主腔和两个接线腔；其中油泵主回路1，本安电源单元2，变频牵引单元3，控制回路单元4，断路器单元和急停及闭锁机构6均设置在主腔内；而两个接线腔分别位于腔体后方上部的左右两侧。
47.有利的，两个接线腔分别为变频回路接线腔8和工频回路接线腔7；变频牵引单元3设置在变频回路接线腔8的前方；断路器单元设置在工频回路接线腔7的前方。
48.具体的如图3所示，本实施例中的电控箱还包括主腔门板20以及两个接线腔门板；其中主腔门板20开设在前板上，为方便电控箱的开合，主腔门板20上设置主腔门板拉手19。两个接线腔门板分别为变频回路接线腔门板21和工频回路接线腔门板22且变频回路接线腔门板21和工频回路接线腔门板22均设置在上板上，两者分别与变频回路接线腔8和工频回路接线腔7上下对应。为方便两个接线腔的开合可在接线腔门板上设置接线腔门板把手18。
49.本实施例中的电控箱采用双接线腔设计的思想，其中左侧的接线腔为电源进线接线腔，右侧的接线腔为变频电机的出线腔。接线腔为螺栓紧固开门，采用双接线腔设计，将工频回路和变频回路分别布置于两个独立的接线腔内，有效减小变频回路谐波对工频回路正常工作造成影响。
50.本实施例中油泵主回路1设置在后板和底板11的中部；本安电源单元2单独布置在底板11上；变频牵引单元3设置在底板11上且位于一个接线腔的前方；控制回路单元4设置在前板上；断路器单元设置在腔体内，且断路器单元位于另一个接线腔的前方。
51.具体的如图1到图3；油泵主回路1单元位于后板及底板11中部，其主要包括变压器13，真空接触器16和电动机保护继电器；其中变压器13包括主变压器和隔离变压器；本安电源单元2位于主腔内且单独布置在底板11上，其中本安电源单元2包括本安电源和隔离栅模块；变频牵引单元3紧贴在底板11上安装，其主要包括变频器模块和电抗器12；其中电抗器12为三相电抗器12，变频器模块中包括变频器14；将变频器14和三相电抗器12紧贴在底板11上安装可以有效提高散热效果；其中需要说明的是变频器14位于变频回路接线腔8的前部，这样不仅易于接线，而且可以有效降低变频回路高次谐波对工频回路的影响。在前板上安装有控制回路单元4，其中控制回路单元4由倍福plc控制器23、保护模块、风扇15、驱动继电器、显示器组成，这样既有利于线路集中布置，又避免了高频谐波信号干扰。
52.断路器单元独立安装于主腔内的工频回路接线腔7的前面。其中断路器单元包括断路器5和实现断路器5闭锁的急停及闭锁机构6；断路器5位于另一个接线腔的前方，且急停及闭锁机构6设置在断路器5上。具体的如图2所示，断路器5位于工频回路接线腔7的前面，且急停及闭锁机构6设置在断路器5上用于控制断路器5的制动。
53.在一些实施例中，底板11内部设置流体散热结构；流体散热结构为流体管道往复折叠形成迷宫式样。
54.具体的如图4所示，底板11可采用厚度25mm的q345钢板，内部加工成往复式迷宫散热结构，流体管道具体为水道，其中水道直径为ф15mm，外部通过堵板焊接。示例性的水道从底板11的前侧进入，在前后方向上纵向延伸并到达底板11的后侧，后侧的水道弯折并在前后方向上纵向延伸并到达底板11的前侧，依次往复，实现水道在底板11内在前后方向上并排往复。
55.需要说明的是，本领域技术人员可选择不同的往复式迷宫散热结构，利用这种冷
却散热方式，既避免了冷却系统压力突然增大导致散热系统串液或损坏，又提高了电控箱整体的美观。
56.流体管道的两端分别连接快插接头，流体管道的两端的接快插接头均设置于底板的后侧。快插接头可选为g1螺纹快插接头，其中利用g1螺纹快插接头可以利用现有水泵或油泵装置，将冷却水通过底板11水道实现电控箱内变频器14、三相电抗器12等部件有效冷却。变频器14及三相电抗器12均直接安装于底板11位置，通过三维虚拟样机设计手段，可以在保证底板11强度的基础上，合理布置了底板11元件安装孔及散热水道。
57.在一些实施例中，电控箱还包括接线单元；接线单元包括高压接线柱9和低压接线盘10；高压接线柱9和低压接线盘10均分别贯穿于主腔与接线腔之间。
58.示例性的如图2所示，高压接线柱9的数目为九个，六个高压接线柱9贯穿安装于主腔与工频回路接线腔7之间，三个高压接线柱9贯穿安装于主腔与变频回路接线腔8之间；低压接线盘10有七个，其中四个低压接线盘10贯穿安装于主腔与工频回路接线腔7之间，另外三个贯穿安装于主腔与变频回路接线腔8之间。
59.有利的，电控箱还包括引入装置，示例性的引入装置为引线喇叭嘴17分别为低压电缆引线，高压电缆引线以及控制引线；其中如图3所示引线喇叭嘴17的数目为十四个，主回路接线腔为十个，变频回路接线腔8为四个。
60.根据本发明的实施例的另一个方面提出了一种矿用变频绞车电气控制装置，包含上述任一实施例中的电控箱和控制系统以及分别与电控箱的输出端连接的遥控装置、数据传输装置，变频电机，油泵电机和电气附件；
61.核心控制系统，通过倍福plc控制器接收各被控系统的运行参数并发送控制指令进行对应的操作；
62.遥控系统，其与核心控制系统连接，用于接收核心控制系统的控制指令并通过电控箱实现远程遥控；
63.数据在线监控系统，其与核心控制系统连接，用于对绞车工作状态、各执行机构运行数据存储及无线传输，实现远程智能监测；
64.变频调速系统，其与核心控制系统连接，用于接收核心控制系统的控制指令通过电控箱实现对变频电机及油泵电机的控制；
65.人机界面hmi及报警系统，其与核心控制系统连接，用于接收核心控制系统的控制指令实现人机交互和自动保护及报警功能。
66.具体的如图5-图6所示，本实施例中的电气控制装置包括电控箱和控制系统以及分别与电控箱的输出端连接的遥控装置、数据传输装置，变频电机，油泵电机和电气附件；其中控制系统包括核心控制系统，遥控系统，数据在线监控系统，变频调速系统和人机界面hmi及报警系统。
67.其中核心控制系统接收各被控系统的运行参数并发送控制指令进行对应的操作；其中核心控制系统与遥控系统通过modbus总线的方法进行连接；其中遥控装置包括发射器及接收机。核心控制系统与数据在线监控系统通过modbus tcp总线的方法进行连接；其中核心控制系统与变频调速系统通过modbus总线的方法进行连接；核心控制系统与人机界面hmi及报警系统通过rs485总线的方法进行连接。本实施例中的控制系统的整体化设计是选用具备较强数据运算、处理和存储以及实时控制功能的倍福工业控制器为控制核心。将绞
车的变频调速、远程智能监测、遥控和远程控制等一系列控制功能都通过核心控制器实现。
68.在一些实施例中，电气附件包括电磁阀组、各类检测传感器、防爆灯、报警器、显示器及保护器和急停开关及控制按钮。
69.具体的如图5所示，各类检测传感器包括前柱、后柱、制动、蓄能等各类压力传感器；急停开关及控制按钮包括急停、加油、油泵控制、制动等各类手动控制按钮；防爆灯包括照明灯、信号灯、荧光灯等；报警器可理解为声光报警器。电气附件还包括矿用隔爆接线盒，其中电控箱通过多个矿用隔爆接线盒分别与电磁阀组、各类检测传感器、防爆灯、报警器和急停开关及控制按钮连接。
70.本实施例中的矿用变频绞车电气控制装置可通过控制系统利用电控箱的控制器实现高低速变频调速及变频电机及油泵电机的制动控制；将绞车工作状态、各执行机构运行数据存储及无线传输；实现电气控制装置安全保护与安全闭锁且控制器23具有自动断电保护功能；闲时矿用变频绞车自动停机，节约能耗；对立柱油缸压力实时检测，并在低于规定值2mp时，自动补液至规定压力；对钢丝绳实时拉力检测与保护功能；实现当接触器粘连时，plc自动断电保护的功能；以及实现对工作面遥控和远程实时监控。
71.根据本发明的实施例的又一个方面提出了一种矿用变频绞车钢丝绳拉力的检测方法，利用上述任一实施例中的的电气控制装置进行变频绞车钢丝绳拉力的检测，具体步骤为：
72.采集变频电机的转速、电压和电流信号通过编程计算出钢丝绳的拉力，并将拉力数据写入电控箱中变频器14的寄存器；
73.读取寄存器中的数据，实时显示工作状态下钢丝绳拉力。
74.具体的cn110127546a公开了一种自支撑变频牵引绞车，其中钢丝绳、绞磨、减速器、摆线器和多盘湿式制动器的设置见cn110127546a，在此不再赘述。其中变频电机启动后，动力通过减速箱传递到绞磨驱动其转动，同时绞磨通过链传动驱动摆线器，实现绞磨转动一圈摆线器驱动钢丝绳移动一个绳距。因此可在变频电机内部安装转速传感器，控制器23采集变频电机转速信号，再根据检测的电压、电流信号，通过编程计算出钢丝绳拉力，并通过程序将实时拉力数据写入变频器14的寄存器。
75.矿用变频绞车钢丝绳拉力的检测方法采集关键数据：变频电机输出转矩t、传动系统总传动比i、减速器输出齿轮半径r1、绞盘齿轮半径r2、钢丝绳直径d1、绞盘滚筒直径d2。通过以上的几个关键数据进行计算后，最后得出的钢丝绳拉力计算公式为：
76.f＝i
·
t/r；
77.其中f为绞车牵引力；i为传动系统总传动比，系统总传动比是结构总体的固有参数，例如本系统中i的取值为158；r为钢丝绳缠绕平均半径是动态变化值，其为综合考虑减速器输出齿轮半径、绞盘齿轮、钢丝绳直径、绞盘滚筒直径预估得出的综合参数，并根据实验数据和实际测量数据进行调整后得到，本系统中的r的取值为0.417m；t为变频电机输出转矩；
78.其中t＝9550p/n；
79.其中t为变频电机输出转矩，单位是nm；p为变频电机功率，单位是kw；n为变频电机转速，单位是(r/min)；
80.p＝1.732uicosφ
81.其中u为变频电机工作电压；i变频电机为工作电流；cosφ为变频电机功率因素。
82.通过显示屏通过读取变频器14内的寄存器数据，实时显示工作状态下钢丝绳拉力。通过对实时拉力数据的检测，可以判断绞车的实际工作状态，有效防止过载及断缆事故的发生。根据拉力测试录像以及绞车数据记录对比发现：液压支架出列时拉力测试结果(工况为一组动滑轮)，需要的拉力一般为500-600kn；而钢丝绳最小破断力大于700kn。
83.钢丝绳拉力保护：同时满足变频电机变频输出转矩大于700kn和变频器14输出频率小于-7hz(频率为负值，表示收缆)时，延时500ms，变频器14收到停机信号，开始减速停机。
84.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
85.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
86.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
87.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
88.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“实施例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行结合和组合。
89.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。