矿用电机车司控器（精选3篇）
矿用电机车司控器 篇1
0 引言
架线式矿用电机车因其牵引力大、维修费用小、便于调速、可改善劳动条件等优点而被广泛应用到煤矿井下巷道运输中[1,2,3]。多年来, 河南大有能源股份有限公司常村煤矿井下大巷及地面车场的运输均采用ZK7-6/550型电机车负责矿井辅助运输。常村煤矿作为一座300万t/a的大型矿井, 矿井运输距离远, 机车使用多, 井下一、二两个开采水平共使用机车10部, 地面3部。《煤矿安全规程》规定:“机车司机离开座位时, 必须切断电动机电源, 将控制手把取下, 扳紧车闸, 但不得关闭车灯”。正常情况下机车司机都能做到这点。但当电机车在运行过程中突然停电时, 机车司机往往会忽视这种操作, 当电机车在运行中出现突然断电, 架空线带电, 司机忘记将控制手把打到零位, 并离开操作室, 待恢复供电后, 电机车自动启动运转, 可能导致发生跑车撞伤人等严重事故[1,2,3,4,5,6,7]。
现有老式司控器设计存在各种问题, 给煤矿安全生产带来不利影响, 需要采取措施消除这些安全隐患。文献[4-7]对电机车防撞系统进行了研究, 文献[8]针对现有司控器存在的问题, 对电机车司控器进行了改造, 文献[9-10]研究了矿用电机车运行状态监测技术, 文献[11-16]对电机车调速技术进行了研究。
本文针对现有设备存在的问题, 基于PLC设计了一套新型电机车司控系统, 降低了工作强度, 提高了电机车自动化水平, 解决了现有设备存在的问题。
1 现有设备存在的问题
目前, 常村矿ZK7-6/550型电机车主回路如图1所示。
当集电弓子NG接通+550 V直流架空线路电源后, 操作转换开关控制器K, 使1K或者2K闭合, 电机车电源经过电感元件L1经1K或2K到电机再到负极形成闭合回路, 电机车运行。从上述电路可以看到当线路电源一旦接通, 不人为操作控制器打到零位时, 线路就不能自行断开。当机车停电时, 机车就停止运行, 一旦突然送电, 机车将自动运行。并且该系统自动化水平低, 对电流、电机运行速度、运行状态等信息没有实时检测[3,9,10]。
2 司控器控制方案设计
PLC是一种面向工业应用领域的专用计算机控制装置, 具有较强的电磁兼容性和抗震动冲击能力, 使用方便, 可靠性高, 抗干扰能力强。笔者采用三菱FX1N PLC设计了一种新型控制器, 完全摒弃了老式司控器的操作及控制方式, 增加了各种保护功能, 使电机车的操作更加安全可靠。系统组成框图如图2所示。
新型司控器主要由电源模块、PLC、电流检测模块、障碍物检测模块、速度检测模块、触摸屏、控制输出模块等组成。PLC实时检测电机的电压、电流、速度、障碍物等参数, 控制换向接触器、喇叭、照明灯等负荷。开关电源模块将电机车蓄电池电压转换成正负15 V电压, 为传感器供电, +24 V电压为PLC供电。整个电路设计简洁, 稳定可靠。
根据系统控制任务, 统计出PLC的数字量输入输出端子功能 (表1) 。
3 硬件电路设计
PLC接口电路如图3所示。它摒弃了传统的手柄调速换向方式, 采用按钮操作进行控制, 在操作面板上设计了停止、前进、后退、加速、减速、报警、急停等8个控制按钮。通过操作面板上的控制按钮, 可以实现对机车的换向、调速、停止、喇叭和灯开关控制。操作方便, 简单可靠。这种通过按钮实现对机车调速的功能, 可以彻底杜电绝机车“串挡”故障, 真正实现机车安全平稳启动和运行。
速度检测采用电感式接近开关, 成本低, 测量可靠。障碍物检测采用毫米波雷达, 用于探测井下机车前方障碍物距离, 根据车辆的速度计算障碍物的危险程度, 发给驾驶人员警示信息[4,10]。输出端对各类负载 (接触器、灯、喇叭等) 进行控制, 触摸屏用于显示电机车的电压、电流、各种工作状态和故障状态。接近开关以及触摸屏电路原理如图4所示。
改造后的电机车主回路如图5所示, KM1接触器闭合, 电机车前进, KM2接触器闭合, 电机车后退。在程序中还设计了各种闭锁保护功能, 无论司控器内各种元件出现什么故障, 都会在第一时间切断电源回路, 确保行车安全, 同时在触摸屏上显示故障部位, 提示维护人员更快更迅速地进行检修。
4 机车工作流程分析
(1) 启动。按下前进 (后退) 按钮, 前进 (后退) 换向接触器吸合, 车灯自动转换, 前 (后) 照明灯和后 (前) 红灯亮, 喇叭自动响5 s, 提示前方行人注意安全, 电机车做好启动准备。
(2) 运行。按下加速按钮, 电机车开始加速运行, 面板触摸屏显示电机工作电压和工作电流, 当电机车加速至合适状态时, 松开加速按钮, 电机车维持当前速度不变。当需要减速时, 按压减速按钮, 电机车开始减速, 直到电机车停止。
(3) 停止。只需按下停止按钮, 电机车停止运行。如果在机车高速运行时直接停车, 那么必须在5 s后确保机车停稳后才能重新进行换向调速。
(4) 换向。如果想从前进 (后退) 方向切换到后退 (前进) 方向, 可再次按下前进 (后退) 按钮, 前进 (后退) 接触器断开, 再重新按下后退 (前进) 按钮, 则后退 (前进) 接触器即吸合, 实现机车换向, 车灯随之换向。
5 机车各种保护和控制功能
为了保证系统的安全运行, 设计了各种保护和控制功能。
(1) 高速停车时延时5 s才允许机车换向调速。
(2) 为防止“打倒挡”停车, 机车在运行时不能换向, 必须在停止状态才可以。
(3) 面板按钮常闭故障保护及显示。
(4) 换向后警铃响3 s才能加速。
(5) 停车后, 如果5 min之内没有对车辆进行操作, 换向接触器会自动断开, 显示屏亮度降为正常亮度的1/5, 前后照明灯熄灭, 前后红灯开始闪亮 (节能模式) 。
(6) 电机过流保护。
(7) 防撞保护。在机车、井下操作人员或工程车相互接近时, 装备有雷达系统的PLC控制器能发出声音提示驾驶人员注意前方、左侧或右侧有危险目标。
6 结语
该新型司控器集成了各种保护和故障显示功能, 采用PLC控制器, 通过软硬件闭锁及保护, 避免了老式机车“串挡”的故障、人为“打倒挡”的现象, 避免了电机车突然停电后再次恢复送电而发生跑车事故, 起到了断电保护作用。由于它功能设计完善, 保护齐全, 大大提高了电机车无故障安全运行周期, 使矿用机车的行驶更加安全可靠, 有着巨大的市场发展潜力, 应用前景非常广阔。
矿用电机车司控器 篇2
关键词：晶闸管,斩波器,IGBT,矿用电机车司控器
前言
矿用电机车司控器采用晶闸管斩波调速的优点是:启动平稳、无极变速、效率高、损耗小。不足之处是晶闸管一旦导通, 关断比较困难, 只能通过换流电容和电感振荡产生的反压来实现。当电源电压下降时还会导致换流失败, 电机车承受全部电压而失去控制, 给生产和人身安全带来威胁。晶闸管斩波器的工作频率低 (150HZ~300HZ左右) , 电机上的力矩脉动和电流脉动比较严重, 滤波器件体积较大。晶闸管的开关时间受元件本身和换流电路参数的限制, 一般导通率不能过低, 否则在轻载时电流将出现断续, 使电机附加损耗增大。同时由于这种司控器无保护功能, 因而故障率高。
1 IGBT斩波器的工作原理
1.1 IGBT元器件介绍
IGBT的等效原理如图1所示, 在IGBT的栅极和发射极之间加上正向驱动电压, MOSFET管 (金属-氧化层半导体场效晶体管, 简称金氧半场效晶体管) 导通, 这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态, 晶体管导通;如果加在IGBT的栅极和发射极之间电压为0V, 则MOSFET截止, 晶体管截止。
1.2 IGBT组成的斩波器
如图2a所示为IGBT-PWM放大器, 在IGBT栅极G加上如图2 b所示的脉冲信号, 在0≤t≤ton时, IGBT导通, 集电极电流流过电动机电枢;在ton≤t≤T期间, IGBT关断, 续流二极管D续流, 电枢电压和电流波形如图2c和2d所示。电枢电压的平均值为:为占空比。如果栅极输入电压信号的频率一定, 改变脉冲宽度, 就改变了占空比, 电枢上的平均电压就改变了, 进而可以实现电机的调速。
2 IGBT矿用电机车伺控器电路原理分析
2.1 电源部分
电源部分由蓄电池组、隔离二极管D1、平波电容C1和C2。直流断路器闭合, 驱动板获得直流电压, 同时经过DC/DC变换得到+24V电源。
2.2 驱动电路板
驱动板采用STC12C5A系列单片机做为整机电路的核心元件, 用来给换向接触器、喇叭、IPM、照明灯等负荷提供各种控制信号。STC12C5A系列单片机是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机, 其内部设置有专用复位电路, 2路PWM, 8路10位高速A/D转换, 很适合电机控制和强干扰场合使用。
驱动板中的IPM把功率开关器件和驱动电路集成在一起, 有过电压、欠电压、过电流和过热保护功能, 并可将检测信号送CPU进行中断处理。同时由于IPM具有自关断能力, 不需强迫换流电路, 从而简化了主电路, 体积大大减小, 它是一个电流控制元件, 不存在换流失败问题;IPM工作频率超过音频 (1000HZ~4000HZ) , 供电给串激电动机可大大减少滤波器的容量, 为实现256档无级调速。IPM接口电路也极其简单, 更换起来十分方便, 只需将5芯插头一拔, 卸下固定螺丝即可取下模块进行更换。
2.3 电机控制主电路
驱动板接可接瓦斯监控器, 接有七组控制开关, 6个接触器, 4个信号灯, 一个扬声器。
电机车前进时:首先闭合直流断路器QF, 按下SB2开关, 接触器KM1和KM3闭合, S1-1、C2-1闭合, 前后直流电动机正向转动。按下加速按钮SB4电机车加速, 按下SB5减速, 当接触器KM5闭合时电机车由于承受全压全速运行。同时还设有KM1和KM3的反馈监视信号, 通过驱动板X7监视接触器的工作状态。电机车后退时按下SB3开关, 接触器KM2和KM4闭合, S1-2、C2-2闭合, 前后直流电动机反向转动。按下加速按钮SB4电机车加速, 按下SB5减速, 当接触器KM5闭合时电机车由于承受全压全速运行。按下SB1开关, 接触器KM6闭合, 电机车停止转动。SB6闭合, 电子喇叭发出声音。前白灯、后白灯, 由Y0、Y2输出口控制。前红灯后红灯由Y1、Y2控制。
3 结束语
IGBT属于全控性器件, 晶体管的导通和关断很容易实现。它将P-MOSFET (功率场效应晶体管) 和GTR (大功率晶体管) 的优点集合在一体, 既有输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的特点, 又具有通态电压低、耐压高和承受电流大等优点, 因此发展很快, 备受青睐。
参考文献
[1]段浩均, 彭世生, 高延民, 甘行建.矿山电力拖动于控制[M].中国矿业大学出版社, 2004.
[2]魏德育.电容对矿用电机车脉冲调速系统性能的影响[J].中国矿业.2007 (10) .
矿用电机车司控器 篇3
1.1 功能
司机控制器是机车的主令控制电器, HXD1C型机车司控器采用M3919b型。司机控制器主要用来转换机车的牵引与制动工况, 改变机车的运行方向, 设定机车运行速度, 实现机车的起动和调速等工况。
1.2 结构及用途
主要有牵引/制动单元、方向转换开关、钥匙开关及油浸电位器等组成。司机通过操纵司控器各个手柄来控制机车电路中的低压电器, 以达到控制主电路中电气设备的目的, 操纵既方便又安全可靠, 司控器的牵引制动手柄位可前后推动, 具有“牵引”、“0”和“制动”3个区域, 速度设定手柄用于设定机车某一特定速度, 方向转化开关有“向前”、“0”和“向后”3个位置, 每个位置之间开关的转动角度为300。
2 主要工作原理
2.1 牵引/制动单元
牵引/制动单元 (图1, 序4) 位于司机控制器左侧, 用于调节机车的牵引和制动工况。可前后推动, 具有“牵引”、“0”、“制动”三个区域。牵引/制动单元手柄 (图1, 序4) 垂直时为“0”位, 向前推进入“牵引”区, 推动55°后到达“牵引”最大位;向后拉进入“制动”区, 拉动55°后到达“制动”最大位。
2.2 牵引/制动单元与方向转换开关之间机械联锁关系
2.2.1 方向转换开关 (图1, 序6) 在“0”时, 转换手柄才能插入或取出。
2.2.2 当方向转换开关 (图1, 序6) 在“0”位时, 牵引/制动单元手柄 (图1, 序4) 被锁在“0”位。
2.2.3当方向转换开关 (图1, 序6) 在“向前”位或“向后”位时:牵引/制动单元手柄 (图1, 序4) 从“0”位向前推动进入牵引区域时需按下该单元手柄头部红色警惕按钮。牵引/制动单元手柄 (图1, 序4) 从“0”位向后拉动进入制动区域时无需按下该单元手柄头部红色警惕按钮。
2.2.4 牵引/制动单元手柄 (图1, 序4) 在“0”位时, 方向转换开关 (图1, 序6) 可在“向前”、“0”、“向后”之间转换。
2.2.5牵引/制动单元手柄 (图1, 序4) 在“牵引”或“制动”区域时, 方向转换开关 (图1, 序6) 被锁在“向前”位或“向后”位。
3 司控器常见故障
通过对公司承修的二年检HXD1C型机车司控器故障情况进行统计分析, 发现主要故障情况有以下两种:一是牵引制动 (或调速) 手柄晃动量大、定位不稳;二是司控器手柄卡滞。
3.1 牵引制动 (或调速) 手柄晃动量大、定位不稳
3.1.1 现象描述:
在机车运行过程中, 司机进行牵引制动 (或调速) 操作时, 手柄过松、不能自锁、晃动量大, 联锁杠杆与限位滑块在换向手柄为0位时, 无法正常咬合。
3.1.2 原因分析:
控制牵引制动手柄锁定量的机构有些变形, 或经长期磨损, 限位滑块有一定量的磨损。此零件变形是导致牵引手柄定位不准的主要原因之一。经过多方面分析认为是由于联锁杠杆在使用一段时间后会出现变形的情况, 由于零件变形, 出现一定的误差, 会导致出现晃动量大的。当变形到一定程度后, 或者限位滑块孔出现误差, 则会出现手柄不能自锁。
3.1.3 解决措施:
(1) 更新部分联锁杠杆与限位滑块, 保证手柄晃动量很小, 并且能够消除由于变形而产生的无法锁死故障。 (2) 与厂家技术人员沟通后, 将滑块厚度改变, 由此可以降低由于转动手柄头无法到位所引起的手柄卡滞。
3.2 司控器手柄卡滞
3.2.1 现象描述:
换向手柄处于0位时, 牵引制动手柄锁死在牵引制动的零位, 无法进行牵引或者制动动作。滑块与司控器摩擦严重, 造成换向手柄转动卡位。联锁杠杆端部高度过高, 挡住滑块滑动, 造成定位凸轮、凸轮1等无法转动, 因此方向转换单元手柄无法转动, 造成手柄卡滞。
3.2.2 原因分析:
控制定位轮转动的定位弹簧力偏小, 造成定位轮在弹力的压迫下无法顺畅与联锁杠杆底部凹槽完全贴合。联锁杠杆由于转轴摩擦力较大, 同时由于弹簧的压力小, 因此联锁杠杆在弹簧力和自重的作用下仍无法保证转动灵活, 使得底部凹槽无法与定位轮完全贴合, 因此联锁杠杆的顶部抬高, 与滑块之间无间隙, 阻碍滑块自由滑动, 造成手柄转动卡滞。另外速度设定手柄卡滞的原因为滑块与挡片发生干涉导致卡滞。已知速度设定手柄手柄头逆时针方向转动40°后在不松开的情况下能前后推动85°, 速度设定从V0到Vmax, 鼓轮上的限位装置使速度设定手柄头只能逆时针转动40°, 即速度设定手柄杆逆时针方向转动40°, 从而使手柄杆端部的φ3插销孔带动插销转动40°。根据模拟插销运动得知, 插销转动14.7°后带动滑块向上运动, 从而使速度设定弹簧压缩带动速度设定杆工作。当转动角度不足时, 速度设定杆的提升高度不够, 会导致手柄卡滞。
3.2.3 解决措施:
根据以上现象, 建议增大联锁弹簧和控制定位轮转动的定位弹簧两个弹簧力。同时组装联锁杠杆时, 保证其能灵活绕转动轴转动。
4 结束语
经过对司机控制器内部拆解检修及采取相应的应对措施后, 司机控制器故障已显著降低, 用户反馈减少, 运用效果良好。
参考文献
[1]TB/T1391-2007, 机车司机控制器[S]
[2]HXD1C型机车司机控制器检修手册