矿井提升机控制系统的电源设计

・６２・　煤矿机电　２０１０年第３期　矿井提升机控制系统的电源设计　林光，李传伟　（威海职业学院工业技术系，山东威海２６４２１０）　摘　要：　分析了矿井供电系统的隔离技术和冗余供电技术，从提升机控制系统抗干扰的角度出　发，介绍了提升机控制系统的电源设计方法以及注意事项。　关键词：　矿井提升机；抗干扰；冗余技术；隔离技术；电源供电　中图分类号：ＴＰ２３７；ＴＭ９１９　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１—０８７４（２０ｌｏ）０３—００６２—０４　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｕｐｐｌｙ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｍｉｎｅ　Ｈｏｉｓｔ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｌ／Ｎ　Ｇｕａｎｇ，ＬＩ　Ｃｈｌｔａｎ—ｗｅｉ　（Ｗｅｉｈａｉ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｗｅｉｈａｉ　２６４２１０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ｉｓｏｌａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ａｎｄ　ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ　ｏｆ　ｍｉｎｅ　ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ，ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｐｒｅｃａｕｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｏｆ　ｈｏｉｓｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ａｎｔｉ－ｊａｍｍｉｎｇ　ｐｏｉｎｔ　ｏｆ　ｖｉｅｗ　ｆｏｒ　ｈｏｉｓｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：　ｍｉｎｉｎｇ　ｈｏｉｓｔ；ａｎｔｉ－ｊａｍｍｉｎｇ；ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ；ｉｓｏｌａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ；ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　１提升机电控系统构成　动作，都由调速系统根据主控制系统发出的指令进　行控制。在系统中，调速系统主要由主ＰＬＣ根据程　序的运行情况进行控制。　２提升机电源系统的供电方式　提升机电控系统由主控系统、辅控系统、调速系　统、上位机监控系统等组成，提升机电控系统构成如　图１所示。　（１）分相供电方式　控制系统产生干扰的原因，常常是由于电源线　引入，因此在供电电源系统配置上，应把产生干扰较　大的设备与控制系统分开，由不同的线路供电，最好　直接从配电室用屏蔽电缆分开引出供电，如图２所　示。　图１提升机电控系统构成图　主控系统主要完成提升机由启动、加速、等速、　减速、爬行到停车整个运行过程的逻辑控制即开关　量控制。主控系统在控制过程中，要实时将提升机　运行中速度大小、电流情况等与其他控制子系统或　监视系统进行交互，以共同完成对提升机的控制。　在ＴＫＤ系统中，包括主控制回路、安全回路等。辅　控系统是由可调闸速度闭环回路、动力（低频）制动　速度、闭环回路、测速回路、深度指示器回路和各供　电电路等组成，属于模拟量控制。调速系统是控制　系统的执行者，主电动机的启动、加速、减速、爬行等　图２分相供电方式示意图　（２）监控系统与动力设备分别供电方式　计算机监控系统中的被控设备，如交流电机、变　流装置、电磁阀、加热器等所用的交流电源容量较　大，各种负载变化较大，对系统产生的影响大，干扰　严重，而且对于不对称负载时，中性点会发生偏移。　监控系统使用的交流低压电源容量小，但要求电压　２０１０年第３期　煤矿机电　・６３・　尽量稳定，干扰尽量小，因此，两种电源不易合一供　电，可以采用以下两种方式供电。　１）配电箱分开供电方式。当测控装置较少且　集中时，可直接从矿区或矿井主配电箱敷设专用电　缆向电子控制电源配电箱配电，该配电箱专用来向　测控系统供电，不可带任何动力负载。而动力负载，　应从动力配电箱供电，即应避免从动力配电箱向监　侧的噪声电压、电流直接传输到二次侧，有隔离作　用，但由于分布电容（绕组与铁芯之间、绕组之间、　层匝之间和引线之间）的存在，交流电网中的噪声　会通过分布电容耦合到二次侧，却不能完全起到抗　干扰的作用，为了抑制噪声，必须在绕组间加屏蔽　层，即采用电源隔离变压器，这样就能有效地抑制噪　声，消除干扰，提高设备的抗干扰性。图５ａ、５ｂ所示　控系统及其它电子设备装置供电，如图３所示。　电　源　空　主　厂叫控制器配电系统Ｉ　变　压　开　电　—＋　—气　●　＿配　＿１ｌ　器　关　箱　　动力负载配电系统　图３配电系统分开供电图　２）电源变压器分开供电。当电子控制装置较　多时，因大量的低压动力负载频繁操作所产生的干　扰，经过电网的隔离传递后将有很大的衰减，故较高　电压的母线与低压动力电网比较，其噪声相对少些。　可配备专用的电子控制装置变压器，最好用高压的　母线供电。如图４所示。　电　源　变　压　Ｈ茎　母　器　＿——　线　＿——　电　源　空　配电柜卜＋Ｉ　１号控制室　变　气　压　开　器　关　配电柜Ｈ　号控制室　图４　电源变压器分开供电　无论交流还是直流供电，都必须注意空气开关　的分层设置和容量的大小，防止出现越级跳闸引起　更大面积断电的情况。　（３）电源功率容量　为了使测控装置能适应负载较大范围变化和防　止通过电源造成的内部干扰，整机电源必须留有较　大的储备量，并有较好的动态特性。当然，电源容量　增加太多，势必会造成体积过大，成本增加，一般应　选取０．５—１倍裕量。　３提升机控制系统电源系统的隔离技术　（１）交流供电系统的隔离　交流电网中因存在着大量的谐波、雷击浪涌、高　频干扰等噪声，对由交流电源供电的控制装置和电　子电气设备，都应采取抑制措施。普通变压器即使　一次绕组和二次绕组之间是绝缘的，能够阻止一次　为不加屏蔽层和加屏蔽层的隔离变压器分布电容的　情况。在图５ａ中，隔离变压器不加屏蔽层，Ｃ　：是一　次侧和二次侧之间的分布电容，在共模电压Ｕ。　的　作用下，二次绕组所耦合的共模噪声电压为　，Ｃ　是二次侧的对地电容，则由图可知二次侧的共模噪　声电压　为：　Ｌ］２ｃ＝Ｕ１ｃＣ１２／（Ｃｌ２＋Ｃ２Ｅ）　在图５ｂ中，隔离变压器加屏蔽层，其中Ｇ　ｃ加　分别代表一次侧和二次侧对屏蔽层的分布电容，ｚ　是屏蔽层的对地阻抗，Ｃ　是二次侧的对地电容，则　由图可知，二次侧的共模噪声电压Ｕ　为：　ｃ＝［ＵＩｃＺＥ／（ＺＥ＋１／ｊｗＣ１０）］［Ｃ２Ｅ／（Ｃ２０＋Ｃ２Ｅ）］　由于Ｃ：是屏蔽层的对地阻抗，在低频范围内，　Ｚ　《（１／ｊ￣Ｃ　。），故　一０。由此可见，采取屏蔽措　施后，通过隔离变压器的共模噪声电压被大大地削　弱了。　Ｃｌ２　：　：　ａ）无屏蔽隔离变压器　ｃｌｏ　０　ｂ）隔离变压器的屏蔽　图５变压器的隔离示意图　电源变压器是电源部分的主要元件，为了抑制　电网中的干扰，一般选用隔离变压器，且变压器容量　应比实际需要要大１．２—１．５倍左右。在使用中应　要求变压器的屏蔽层良好接地，次级线圈连接线要　・６４・　煤矿机电　２０１０年第３期　使用双绞线，以减少电源线问干扰。对于提升机的　控制器电源，如果条件许可，还可在隔离变压器前加　入滤波器，此时变压器的初级和次级连接线均要使　变压器（简称ＮＣＴ），这是一种绕组和变压器整体都　有屏蔽层的多层屏蔽变压器。这类变压器的结构，　铁芯材料、形状及其线圈位置都比较特殊，它可以切　用双绞线，如图６所示。这样干扰信号经滤波隔离　后可大大减弱，增强了系统的可靠性。　隔离屏蔽变压器　断高频噪声漏磁通和绕组的交链，从而使差模噪声　不易感应到二次侧，故这种变压器既能切断共模噪　声电压，又能切断差模噪声电压，是比较理想的隔离　变压器。　Ｉ　围　（２）直流供电系统的隔离　图６滤波器和隔离变压器的连接　提升机控制系统供电系统可采用如图７方式，　控制器和Ｉ／Ｏ系统分别由各自的隔离变压器供电，　并与主电路电源分开。当某一部分电源出了故障　时，而不会影响其它部分，如输入、输出供电中断时，　控制器仍能继续供电，提高了系统的可靠性。对于　供电质量缺乏保证时（非长时间停电），控制器可利　用ＵＰＳ不间断电源供电，即将控制器前面的屏蔽变　压器改为ＵＰＳ不间断稳压电源；对于一些重要的设　备，为了提高系统的可靠性，交流供电电路还可采用　双路供电系统。　主电源　隔离屏蔽变压器　源　…源　图７使用隔离变压器的供电系统图　图８为交流电源抗干扰的综合方案。为了将测　控系统和供电电网电源隔离开，消除因公共电阻引　起的耦合，减少负载波动的影响，同时也为了安全，　常在电源变压器和低通滤波器之前增加一个１：１隔　离变压器。　隔　滤Ｉ　Ｉ低通　器波　电　稳缸　直源流压　目前，国外已研制成功了专门抑制噪声的隔离　隔离直流电源的方法是使用ＤＣ－ＤＣ变换器，图　９ａ给出了利用ＤＣ．ＤＣ变换器对被光电隔离器隔离　的单元进行供电电路，光电隔离器的输入回路和输　出回路的供电系统电源已被隔离，这样可以较好地　提高系统对电磁干扰的抑制能力。　当控制装置和电气设备的内部子系统之间需要　相互隔离时，它们各自的直流供电电源间也应该相　互隔离，其隔离方式如图９ｂ所示。　ａ）ＤＣ—ＤＣ变换器的直流隔离　ｂ）直流电源的隔离　图９直流电源隔离技术　４提升机系统电源的冗余设计技术　（１）双交流电源冗余设计　为了提高供电系统工作的可靠性，交流供电系　统最好采用双路冗余供电技术，两路电源分别引自　不同的变电站，当一路供电线路出现故障时，要能自　动切换到另一条供电线路。如图ｌ０所示是双路冗　余供电系统的典型结构，保护电路主要有欠压保护、　切换互锁等方法。　（２）使用ＵＰＳ的冗余设计　不问断电源ＵＰＳ是计算机控制系统的有效保　护装置，ＵＰＳ虽然可靠性很高，但由于供电条件的变　化，ＵＰＳ本身电器装置的老化，个别元件过早失效等　都会引起ＵＰＳ故障。由于ＰＬＣ控制系统属于整个　设备系统的心脏，为了保证其稳定及高可靠地工作，　２０１０年第３期　煤矿机　电　・６５・　可采用双机热备份，即冗余技术，把备用机ＵＰＳ的　否则，当出现一个二极管故障时无法进行处理，还会　输出端接至主机ＵＰＳ的“旁路电源”输入端，而两台　造成两个电源负荷不均匀的情况。　ＵＰＳ的交流电源输入端可接至同一市电电源。　ｌ　电源进线　２　电源进线　Ｐｌ　图ｌ１直流双电源供电示意图　５结语　图１０交流双电源供电示意图　矿井提升机控制系统的供电设计技术在系统可　正常工作时，由主机ＵＰＳ提供负载电源，当主　靠性设计中占有重要地位，有效地抑制外界对系统　机内部出现故障，此时主机ＵＰＳ的输出端静态开关　造成的干扰，在实际设计中只有根据应用系统的具　会自动切换到旁路，备用机ＵＰＳ的输出端提供负载　体特点和应用环境的具体条件，综合地考虑系统的　所需电源。当异常状况消除后，静态开关会自动从　要求，从整体上灵活地选择可靠的供电技术来提高　旁路备用ＵＰＳ转入主机ＵＰＳ的逆变器输出端，此时　控制系统的可靠性。　由主机ＵＰＳ继续为负载提供电源。静态开关的切　参考文献：　换有严格的电路控制，保证不会在切换时有任何断　［１］许中．备用电源自动投入装置在煤矿井下中央变电所中的应　用［Ｊ］．煤矿机械，２００９（７）．　电情况发生。上述原理说明，停电时，一部ＵＰＳ故　［２］藏大进，刘增良．矿井提升机安全技术综述［Ｊ］．煤矿机械，　障，另一部仍可供电；维护时，仍保持ＵＰＳ功能；两　２００９（９）．　部ＵＰＳ寿命皆延长，热备份机的结构可确保负载设　［３］　陈子平．浅谈控制系统冗余控制的实现．自动化仪表，２００５　备不会在市电停电时因主机故障而断电，确保负载　（９）．　设备不会产生数据丢失、设备损害、系统崩溃等问　［４］王燕妮，李传伟．ＰＬＣ控制系统的抗干扰设计［Ｊ］．机械工人，　２００４（５）．　题。　［５］石磊，张洛平，王会良．ＰＬＣ在ＴＫＤ．Ａ系列矿井提升机电控系　（３）双直流电源冗余　统改造中的应用［Ｊ］．煤矿机械，２００９（８）．　采用两个直流电源经过二极管并接的方法，可　作者简介：林光（１９６６一），女，一级实习指导教师。１９８７年毕业于　以提高直流供电系统的可靠性，如图１１所示。当一　威海市技术学院，现主要从事维修电工一体化教学等工作，发表文章　个直流电源出现故障时系统仍能继续工作。这时，　９篇。　要注意选用两个独立的、导通电压很接近的二极管，　（收稿日期：２００９—１１—２５；责任编辑：姚克）　（上接第６ｌ页）　［３］Ｈｉｔｏｓｂｉ　Ｓａｓａｋｉ，Ｓａｄａｔｓｕｇｕ　Ｓａｋａｎｅ，Ｔａｋｕｙａ　Ｉｓｈｉｄａ，ｅ１．ａ１．Ｓｕ—　ｐｒａｔｈｒｅｓｈｏｌｄ　Ｓｔｏｃｈａｓｔｉｃ　Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　ｉｎ　Ｖｉｓｕａｌ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ『Ｊ］．　３结语　Ｂｅｈａｖｉｏｕｒａｌ　Ｂｒａｉｎ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ，２００８（１９３）．　［４］冷永刚，王太勇．二次采样用于随机共振从强噪声中提取弱信　经过仿真和数值分析，将随机共振理论应用到　号的数值研究［ＪＪ．物理学报，２００３，５２（１Ｏ）．　煤矿井下瓦斯浓度的检测，可以避免噪声影响，获取　［５］周关林，李钢虎，成静．随机共振在水声信号检测中的应用　较为精准的瓦斯浓度信息，为瓦斯检测的研究提出　［Ｊ］．计算仿真，２００９，２６（１０）．　一种新思路。　［６］　李强，王太勇，冷永刚，等．基于变步长随机共振的弱信号检测　参考文献：　技术［Ｊ］．天津大学学报，２００６，３６（４）．　［１］杨祥龙，汪乐字。随机共振技术在弱信号检测中的应用［Ｊ］．电　作者简介：付华（１９６２一），女，教授。１９８４年毕业于辽宁工程技术　路与系统学报，２００１，６（２）．　大学，２００６年获博士学位，长期从事煤矿瓦斯检测、多传感器检测和　［２］刘军．传感器阵列中阅上随机共振现象的仿真研究［Ｊ］．传感　数据融合技术方面的教学与研究，发表论文６ｏ余篇。　技术学报，２００６，１９（３）．　（收稿１３期：２００９—１２—２８；责任编辑：陶驰东）