一种电励磁同步电机提升机储能式应急供电及驱动控制方法及装置与流程

本发明涉及机电设备传动控制领域，尤其涉及一种电励磁同步电机提升机储能式应急供电及驱动控制方法及装置。

背景技术：

1、电励磁同步电机提升机是矿山的关键设备之一，承担着提升下放人员和物料的任务，是矿山的咽喉部位。尤其运输人员的副井提升机，一旦井下发生异常时，第一时间将人员从井下运输至地面。然而，当矿山供电系统受损时，电励磁同步电机提升机无法工作，井下人员因无法上井而面临危险，后续救援工作亦非常困难。

2、为解决电励磁同步电机提升机在矿山供电系统受损情况下的应急提升问题，目前通用的方法是采用柴油机作为矿山的第三路应急电源。但柴油机作为后备供电电源存在以下缺点：供电系统与提升机电机驱动系统相互配合度差，常发生因提升机加减速造成供电部分网压波动大，进而恶化提升机调速性能；逆功率流影响严重，提升机下放时回馈的制动能量通过电阻消耗，造成电机制动失败等问题；大量油料储备造成安全隐患，噪音、振动及排烟等污染较大。启动时间长、运行效率低，同时可靠性无法保障。

3、随着储能技术的发展，利用储能装置实现应急供电方案逐渐被引起重视。然而矿井提升机系统过程控制复杂，且安全性要求高。且电励磁同步电机较异步电机增加了转子励磁绕组，导致其驱动控制系统复杂。基于上述原因，限制了储能装置在基于电励磁同步电机的提升机工业现场的应用。

4、针对上述情况，为解决矿山供电的可靠性，降低全矿停电涉险的风险，本专利采用新能源储能与变流技术相结合的方式，替代原柴油机应急发电系统。通过改变电励磁同步电机励磁绕组控制方式，将储能应急供电方式应用于电励磁同步电机的提升机中。当电励磁同步电机提升机的供电系统发生异常时，通过本专利所发明的系统及控制方法，能够迅速建立应急救援提升通道，为矿山人员及生产提供安全保障。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，提供一种电励磁同步电机提升机储能式应急供电及驱动控制方法及装置，解决了系统低压控制部分的供电问题，实现了应急供电下的能量回收及高性能调速，提高了提升机系统的安全性。

2、本发明提供了一种电励磁同步电机提升机的应急提升控制方法，该方法包括：

3、实时采集市电回路1与市电回路2的工作状态；

4、根据市电回路1和2的工作异常状态判断是否切除市电供电模式投入应急供电模式；

5、投入应急供电模式，将提升机由市电供电切换至应急供电；所述应急供电的电能由电池提供；

6、将电池储存的直流电转换成三相交流控制电；

7、启动提升机辅助单元和电控单元，并判断提升机是否具备运行条件；

8、接收提升机运行指令，启动电机励磁直流变换，按照运行指令控制提升机运转；所述启动励磁直流变换环节，包括：

9、根据应急提升电机运行状态规划励磁电流指令；

10、通过pid控制算法，获得励磁调节电压，与载波比较产生pwm信号，触发励磁变流环节的电路。

11、根据市电回路1和2的工作正常状态判断是否退出应急供电模式；

12、退出应急工作模式，将提升机由应急供电切换至市电供电，将励磁变流环节的电路切换至原电路。

13、在一些实施例中，所述将电池储存的直流电转换成三相交流控制电包括：

14、检测电池工作状态是否正常；所述电池工作状态包括：电池电压、电量及温度；

15、利用电池储存的电能，产生启动电源进入电源转换环节；

16、所述电源转换环节根据直流侧电压是否大于应急电源线电压有效值或是否需要三相动力电源选择出将电池储存的直流电转换成三相交流电的转换方式；

17、根据选择的转换方式将直流电能转换成三相交流电能。

18、在一些实施例中，所述根据选择的转换方式将直流电能转换成三相交流电能，包括：

19、当直流侧电压大于应急电源线电压的有效值倍时,选择直接将直流电能转换成三相交流控制电的转换方式；

20、当直流侧电压小于应急电源线电压的有效值倍时,选择先将输出直流电压升压至第一直流电压设定值，再将直流电能转换成交流控制电的转换方式；

21、当需要三相动力电源时，选择先将直流电能转换成交流控制电，再将输出电压升压至第二直流电压设定值的转换方式；所述第二直流电压设定值为提升机动力电源的线电压有效值的倍；所述第二直流电压设定值大于等于第一直流电压设定值；

22、所述将直流电能转换成三相交流电能，包括三个阶段：

23、第一阶段，控制输出交流电压频率为设定频率；

24、第二阶段，交流电压幅值按斜坡上升至交流电压幅值设定值；

25、第三阶段，进行电源电压幅值和频率的外环闭环控制，该外环闭环控制输出有功电流和无功电流的给定值；采样获得有功电流和无功电流反馈值，进而对有功电流和无功电流进行内环闭环控制，最终输出幅值及频率稳定的应急电源。

26、在一些实施例中，接收提升机运行指令，启动电机励磁直流变换，按照运行指令控制提升机运转前，还包括：

27、根据电池荷电状态及载荷质量，预判是否允许本次提升或下放。

28、在一些实施例中，所述预判是否允许本次提升或下放，包括：

29、控制电机零速运行，计算提升机载荷及上提该载荷消耗能量或下放该载荷回馈的能量；

30、根据上提或下放有效载荷所消耗或者回馈的能量及电池荷电状态，判断电池剩余可用电量能否完成本次提升；

31、若电池能够满足本次提升，则计算提升机最大允许运行速度，控制提升机实际运行速度小于等于最大运行速度，继续进行提升或下放流程。

32、若电池无法满足本次提升，则发出停车或紧急停车命令；当接收到停车命令，控制提升机减速停车；当接收紧急停车命令，控制提升机立即抱闸停车。

33、在一些实施例中，所述根据电机运行状态规划励磁电流指令，包括：

34、设定电机运行状态，所述电机运行状态包括：首次启动定位状态、定位后等待运行状态、电机运转状态、停车状态，停止励磁状态；

35、根据电机运行状态及提升机运行指令，分别规划不同的励磁电流指令：

36、首次启动定位状态励磁电流指令：通过向励磁绕组输入直流电流对电励磁同步电机进行初始定位，采用k1倍空载励磁电流作为励磁电流的给定，并采用阶跃给定的方式对电机强激励磁；

37、定位后等待运行状态励磁电流指令：待初始定位结束，将励磁电流降至k2倍空载励磁电流，等待接收电机运行指令；

38、电机运转状态励磁电流指令：当接收到电机运转指令后，第一阶段将励磁电流阶跃提升至k3倍额定空载电流；第二阶段，动态跟踪电机磁链控制所需的励磁电流；

39、停车状态励磁电流指令：当接收到电机停车指令时，将励磁电流以k4倍斜率将励磁电流降至k2倍额定励磁电流；

40、停止励磁状态励磁电流指令：当接收到电机停车指令时，将励磁电流以k4倍斜率将励磁电流降至0。

41、在一些实施例中，所述电励磁同步电机提升机储能式应急供电及驱动控制方法还包括：在市电供电状态下对非应急工作状态下电池进行充电管理；所述在市电供电状态下对非应急工作状态下电池进行充电管理，包括：

42、检测提升机系统是否由市电供电；

43、判断电池是否需要充电；所述判断方法为在电池的荷电状态指示电荷量低于第一充电电荷时，启动电池充电；所述第一充电电荷与电池满充电荷之间留有裕量；所述第一充电电荷设定为电池组满电量减去单次下放提升容器的势能；所述单次下放提升容器的势能为：

44、ep＝mgh

45、其中，ep为重力势能，m为提升容器的质量，g为地球表面重力加速度，h为井深；

46、根据电源装置与电池装置之间是否有充放电装置选择充电方式；若电源装置与电池装置之间无充放电装置，控制电源装置工作于整流模式，向电池装置充电，充电至电池的荷电状态指示电荷量大于等于第一充电电荷时，则停止向电池充电；

47、若电源装置与电池装置之间有充放电装置，控制电源装置工作于整流模式，控制充放电装置工作于降压模式向电池充电；

48、充电至电池的荷电状态指示电荷量大于等于第一充电电荷时，则停止向电池充电；

49、控制充放电装置工作于降压模式向电池充电的工作过程包括：第一阶段，控制充电电流按照恒流方式充电；第二阶段，控制充电电压按照恒压充电方式对电池充电。

50、在一些实施例中，该方法还包括对电力电子设备进行基于模型预测的散热调节，所述电力电子设备包括电机的励磁回路和电枢回路的电能变换部分，以及应急电源装置中所使用的电力电子器件，散热调节过程包括：

51、采集电力电子设备温度，并对温度值进行压频变换成频率信号；

52、接收电力电子设备温度的频率信号，通过解码该频率信号获得电力电子设备的温度值，并对该温度值进行通信编码；

53、将数字温度值进行数据拟合，获取电力电子设备的实时散热模型；

54、根据电力电子设备的实时散热模型，预测下一时刻的电力电子装置温度；

55、根据预测的电力电子设备温度及散热模式，控制散热设备执行机构转速的变化。

56、在一些实施例中，所述电源装置的实时散热模型为：

57、

58、其中，t代表电源装置的温度矩阵；x代表二维变量矩阵，x＝[i t]t,其中i代表三相电流有效值，t代表系统运行的时间；为回归系数估计值；

59、所述散热模式包括：高性能散热模式和低功耗散热模式；所述高性能散热模式是指期望运行温度固定，将预测温度与设定温度进行实时比较获得散热设备执行机构的运行转速指令，进而控制散热设备执行机构按照指令转速运行；所述低功耗散热模式是指期望运行温度不固定，通过期望运行温度曲线获取与该曲线线性相关的期望运行温度tref，根据期望运行温度tref获得散热设备执行机构的运行转速指令，进而控制散热设备执行机构按照指令转速运行；

60、所述通过期望运行温度曲线获取期望运行温度tref，包括：

61、当电力电子设备温度低于环境温度t0，第一期望运行温度tref1为环境温度；

62、当电力电子设备温度在第一运行温度t1与第二运行温度t2之间时，设定电力电子设备期望温度为第二期望运行温度tref2；

63、当电力电子设备温度在第二运行温度t2与第三运行温度t3之间时，设定电力电子设备期望温度为第三期望运行温度tref3；

64、当电力电子设备温度大于第三运行温度t3，强制散热设备执行机构工作于最大速度运行，并发出报警信号；

65、当期望运行温度tref在期望运行温度之间穿越时，期望运行温度tref采用一次斜坡函数进行过渡；

66、所述预测的下一时刻的电力电子装置温度为：

67、设定二维变量矩阵x＝[i(k),t+nδt]t，计算二位变量矩阵情况下的电源装置的预测温度值；

68、其中，i(k)为采用数字信号处理芯片本次计算时刻的三相给定电流的有效值，δt设定为由电力电子器件传递到温度采集点的热传导时间，n为预测步长；

69、所述转速指令由下式获得：

70、ifnref＜0,nref＝0

71、其中，nref为电源装置执行机构的期望运行速度，nset为电源装置执行机构的预设速度；t为预测的电源装置温度，tref为设定的电源装置的期望运行温度，tmax为允许的最大电源装置的运行温度，tmin为允许的最小电源装置的运行温度，nn为电源装置执行机构的额定转速；限定nref>0。

72、本发明还提供了一种电励磁同步电机提升机储能式应急供电及驱动控制装置，该装置包括：

73、采集模块，用于实时采集市电1回路与市电2回路的工作状态；

74、第一判断模块，用于根据市电回路1和2的工作异常状态判断是否切除市电供电模式投入应急供电模式；所述应急供电的电能由电池提供；

75、电源启动模块，用于将电池储存的直流电转换成三相交流控制电；

76、辅助及电控启动模块，用于启动提升机辅助单元和电控单元，并判断提升机是否具备运行条件；

77、提升机运行及励磁控制模块，用于接收提升机运行指令，启动励磁直流变换模块，按照运行指令控制提升机运转；所述励磁直流变流模块采用具有直流-直流变换功能的变流电路；

78、第二判断模块，用于判断是否退出应急供电模式；

79、切换模块，与第一判断模块、第二判断模块相连，用于根据第一判断模块、第二判断模块的判断结果对提升机的供电模式进行切换。

80、本发明有益效果：

81、1.本发明实现了对矿山电励磁同步电机提升机的储能式应急供电及应急驱动，采用电池储能的方式解决了提升机系统电源的问题，可完全替换现有采用柴油机作为应急供电的方案，解决了柴油机供电方案中供电系统与提升机电机驱动系统相互配合度差，网压波动大，调速性能差，逆功率流影响严重，提升机下放时无法回馈电能的问题。避免了大量油料储备造成安全隐患，实现了提升机应急驱动的低噪音，低振动，低污染。通过改进电励磁同步电机励磁绕组供电方式及控制方法，实现了储能式供电模式下，电励磁同步电机励磁系统的可靠工作，进而为实现电励磁同步电机储能式应急供电下的高性能驱动。并且本发明较柴油机供电方案具有启动时间短，运行效率高，可靠性高的优点。另外，本系统由于大量采用电力电子器件，系统的损耗较大，为此采用基于电力电气器件散热模型预测的方法，降低了系统的发热损耗，提高了系统的效率，增加了储能式应急供电下提升机的运行时间。

82、2.本发明完善了提升机储能式应急供电的控制流程，解决了系统低压控制部分的供电问题，改进了电励磁同步电机转子励磁方式，实现了电励磁同步电机提升机储能式应急供电下的安全可靠运行。

83、3.本发明改进了直流电机励磁绕组及电枢绕组供电方式，实现了直流电机提升机储能式应急供电下的安全可靠运行。