煤矿井下照明信号新型综保装置的建模与控制

第２７卷第６期　２０１４年１１月　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ＆Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｐｒｏｄｕｃｔｓ　机电产品开簋与钏新　Ｖｏ１．２７，Ｎｏ．６　Ｎｏｖ．，２０１４　文章编号：１００２－６６７３（２０１４）０６－１　１６－０３　煤矿井下照明信号新型综保装置的建模与控制　王瑛，徐焕超，段泽明　（中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，北京１０００８３）　摘　要：论文提出了一种采用电力电子变压器，替代工频变压器的煤矿井下照明信号新型综保装置。该装　置的电力电子变压器由整流环节、高频隔离环节、三相逆变环节构成。为了使其工作在较宽输入　电压范围内，针对其中的高频隔离环节进行了建模，并设计了校正环节。通过理论分析和仿真表　明．煤矿井下照明信号新型综保装置可以稳定的工作在较宽的输入电压范围内．适应煤矿井下各　类照明负载的需求。　关键词：煤矿井下；无工频变压器；照明信号综保装置；电力电子变压器　中图分类号：ＴＨ一３９　文献标识码：Ａ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｉ．ｉｓｓｎ．１ｏ０２—６６７３．２０１４．０６．０４５　Ｔｈｅ　Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ａ　Ｎｏｖｅｌ　Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅ　ｏｆ　Ｕｎｄｅｒ－　ｇｒｏｕｎｄ　Ｃｏａｌ　Ｍｉｎｅ　ＷＡＮＧ　Ｙｉｎｇ，ＸＵＨｕａｎ－Ｃｈａｏ，ＤＵＡＮＺｅ－Ｍｉｎｋ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａ１’Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＭｉｎｉｎｇ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｂｅ￣ｉｎｇ），Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ａ　ｄｅｓｉｇｎ　ｕｓｉｎｇ　ｐｏｗｅｒ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ　ｆｅｅＴ１　ｔｏ　ｒｅｐｌａｃｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｌｉｎｅ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ　ｉｎ　ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ　ｉｎｔｅ—　ｇｒａｔｅｄ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｄｅｖｉｃｅｓ．Ｔｈｅ　ＰＥＴ　ｉｎｖｏｌｖｅｄ　ｃｏｎｓｉｓｔｓ　ｏｆ　ｒｅｃｔｉｉｆｅｒ　ｕｎｉｔ．ｈｉｇｈ—ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｉｓｏｌａｉｔｏｎ　ｕｎｉｔ　ａｎｄ　ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｕｎｉｔ．Ｔｈｅ　ｈｉｈ—　ｇｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｉｆｓｏｌａｔｉｏｎ　ｕｎｉｔ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｔｈｒｅｅ—ｌｅｖｅｌ　ｈａｌｆ　ｂｒｉｄｇｅ　ｔｏ　ｍａｋｅ　ｔｈｅ　ｄｅｖｉｃｅ　ｔｏ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｈｉｇｈｅｒ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｌｅｖｅ１．Ｔｈｅ　ｎｅｗ　ｄｅｓｉｎ　ｉｓｇ　ｍｏｒｅ　ｃｏｍｐａｃｔ　ｉｎ　ｓｉｚｅ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｏｎｅ．Ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｅｓ　ａｎｄ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｌｔｕｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｄｅｖｉｃｅ　ｉｓ　ｃａｐａｂｌｅ　ｆｏｒ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｉｌ—　ｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ　ａｐｐｈｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｃｏａｌ　ｍｉｎｅ　ｉｎ　ｒｅｌａｔｉｖｅ　ｗｉｄｅ　ｒａｎｇｅ　ｏｆ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｌｅｖｅ１．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｃｏａｌ　ｍｉｎｅ；ｎｏｎ—ｎｏｍｉｎａｌ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ；ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｉｎａｌｇ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｄｅｖｉｃｅ；ｐｏｗｅｒ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　ｔｒａｎｓｆｏｒｌＴｌｅｒ　０引言　我国煤矿井下目前使用的照明信号综保装置由于式　变压器、组合开关及综合保护装置组成，设计容量多为　４～１０ｋＶＡｔ－２１　传统综保装置利用工频变压器将６６０／１　１４０Ｖ　的三相输入降为三相１２７Ｖ交流输出，达到为负载供电　的目的。由于工频变压器庞大笨重、不利于搬运和安　１新型煤矿井下照明信号综保装置的组成　文献ｆ２１提出一种采用电力电子变压器，替代工频变　压器的煤矿井下无工频变压器的照明信号新型综保装置。　该装置分为功率部分及控制部分，其中功率部分的核心　即为电力电子变压器，负责将输入电压变换为适合照明　负载使用的三相１２７Ｖ输出电压，其原理如图１所示。　装，随着矿井设计规模的变大，巷道与采面的加长．这　一缺点尤为突出。并且传统综保装置只适用于两个输入　电压等级，当应用于其他电压等级时，需要重新设计，　当源电压与负载发生扰动时，也不具备稳压能力。另外　传统综保装置仍使用分立元件实现各种保护动作．集成　度不高，也不利于设计复杂完善的保护策略。　修稿日期：２０１４—０９—１９　作者简介：王瑛（１９７２一），女，工程师，毕业于北京师范大学，目　前就职于中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院。　１１６　・测试与控制・　针对高频ＤＣ／ＤＣ隔离环节进行分析。　ｄ　Ｄ　如　２高频半桥三电平Ｄｃ／ＤＣ隔离单元建模　本文所设计的电力电子变压器的高频ＤＣ／ＤＣ隔离　环节使用半桥三电平拓扑（ＨＢＴＬ）。为了实现软开关，提　式中：ｄ　不仅与占空比ｄ＝Ｄ＋ｄ有关，也与滤波电感　电流Ｉ　及输入电压Ｖ　的扰动有关，即：　ｊ　ａｖ＝　一　＾Ｌ＋　ａ　高开关频率，降低损耗，需要添加飞跨电容Ｃ　和辅助　电感Ｌ【３】，如图２所示。　该拓扑通过调整导通占空比Ｄ．可以实现调整输出电　令Ｌ＝０，得到Ｂｕｃｋ变换器的小信号模型。由小信　号电路模型可依次得到占空比到输出的传递函数为：　Ｖ　图２半桥三电平ＺＶＳ变换器　Ｆｉｇ．２　Ｈａｌｆ　ｂｒｉｄｇｅ　ｔｈｒｅｅ－ｌｅｖｅｌ　ＺＶＳ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　１　压Ｖ０ｕｒ的目的，即在变换器稳态工作时，ＶｏＵ１＝　Ｄ　Ｖ　。　ｎ　其中：Ｄ　副边有效导通占空比；ｎ一高频变压器的变　比，ｎ＝Ｎｒ／Ｎ　。　该变换器的典型工作波形如图３所示。由于原边电　Ｑ．１　Ｑ　：ＩＱ　　ＩＱ　Ｉ　Ｑ３　Ｉ：：Ｑ　Ｉ『　一　一｝　｝ｒ　～　：　Ｉ　Ｉ／ｌ　Ｉ　一一　一　ｌｒ　　＼　Ｉ　Ｉ　／　卜～～０　＼　Ｇ　）　百Ｖｏｔｒｒ（ｓ）ｉ　一＿　Ｖｎ￣　１　ｄ（ｓ）　）＝０“　Ｉｓ　＋（　＋Ｒｄｃｆ）ｓ＋　＋　其中：Ｒｄ＝－ｎ￣－　－１－为描述输入电压的变化引起等效占空　。　‰㈣ｄ（ｓ）　）　　—“　ＬＣ，ｓ％（Ｒ　ｄｃ　）ｓ＋　＋１　ｚ　Ｒｄ＋　Ｌｆｓ　（　ＲｄＣｒ）ｓ＋　＋１　（ｓ）：　＝｝。　裔Ｒａ＋１　系统参数如表１所示：根据系统参数及被控对象数　学模型进行补偿环节设计后，传递　函数分别为：　．室　譬至　墨．　ｃｌ（ｓ　２　２　ｃ：（ｓ）：—０．００５（ｓ。＋—　５７６１０）广　［工｛　ｆ，　１Ｉ＿　＿　２０ｋＨ　ｚ　ｌ　利用Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ进行仿真，Ｉ　Ｃ　ｌ　８００￣ＬＦ　Ｉ　仿真结果如图４、图５所示：输入电Ｌ＿＿　—Ｌ－三　压分别在０．０５ｓ、０．０９ｓ、０．１３ｓ、０．１７ｓ、　—　０．２１ｓ和０．２５ｓ处产生±２０％Ｉ￣波动．Ｌ—　—Ｌ　负载在０．１５ｓ处由１０ｋＷ变为２０ｋＷ。由图４可见，在电　源及负载发生波动时，高频隔离单元仍能输出稳定的直　流电压。　由图５可见，经过逆变滤波之后，逆变单元输出有　效值为１２７Ｖ的三相５０Ｈｚ交流电压，（下转第１０４页）　１１７　・制造业信息化・　所以对训练样本集有很强的识别能力。但其测试性能却　３　一删∈２　ｒ　－ｌ　＾　堡塑孽ｌ　相对较差。　姆　５结论　ｌ　下　Ｔ　下　丁　下　－丁　丁　３　５　ｌ０　１６　２Ｕ　Ｚ５　设计了模拟液压缸泄漏的实验用液压系统，提取压　力、位移信号的故障特征．采用ＰＮＮ网络对３种故障状　态进行诊断。ＰＮＮ网络的ｓｐｒｅａｄ值、训练样本的数量和　质量对网络的学习和训练有重要影响。只要选取的ｓｐｒｅａｄ　预测样本号　图４预测数据网络的分类结果　Ｆｉｇ．４　Ｃｌａｓｓｉｉｃａｔｆｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｆｏｒｅｃａｓｔ　ｄａｔａ　值合适、训练样本的数量足够大、故障特征代表性强，则　训练出的ＰＮＮ网络的故障诊断正确率就比较高，将ＰＮＮ　应用在液压缸泄漏的故障状态识别是可行的。　参考文献：　［１］周京干．液压油缸亚健康状态评估理论方法及实验研究［Ｄ】．燕山　大学，２０１３，３．　训练数据网络对２１组检测样本的分类结果。分类结果　统计如表２所示。　表２分类结果统计　Ｔａｂ．２　Ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ　ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉＯｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　无泄漏７个　无泄漏　７　轻微泄露７个　严重泄漏７个　１　Ｏ　［２】张德丰，等．ＭＡＴＬＡＢ神经网络应用设计［Ｍ］．北京：机械工业出版　社．２００９．　轻微泄露　Ｏ　５　ｌ　严重泄漏　识别率　Ｏ　１ｏ０％　１　７１．４３％　６　８５．７１％　【３】ｔ４，ＪＩＩ，史峰，郁磊，等．ＭＡＴＬＡＢ神经网络４３个案例分析［Ｍ】．北　京：北京航空航天大学出版社．２０１３．　对于所有测试样本，平均识别率为１８／２１＝８５．７１％，　分类基本准确，说明利用ＰＮＮ神经网络对液压缸的泄　漏进行分类识别是可行的。进一步的仿真结果表明，尽　【４】苏亮，宋绪宁．基于Ｍａｔｌａｂ的概率神经网络的实现及应用［Ｊ］．计算　机与现代化，２０１１，１１．　【５】石磊，王兴成．概率神经网络在发动机故障诊断中的应用　．自动　化仪表，２０１Ｉ，３．　管ＰＮＮ对训练样本有很高的分类准确率，而对测试样　本的分类准确性却受训练样本的质量影响很大。如所选　取的故障特征覆盖面不够广、典型性不够强，则诊断结　果就会比较差。其主要原因是ＰＮＮ采用一种自监督的　前馈网络分类方法．这种分类方法由给定的训练样本直　接构成ＰＮＮ的隐单元。而不需要训练网络的连接权值，　（上接第１１７页）　４ｏ０　３５Ｏ　。【６］王秋勤．基于概率神经网络的发动机故障诊断研究［Ｄ］．西南林业　大学，２０１０，２１．　【７】张卫兵．基于信息融合的液压缸故障模式识别方法研究［Ｄ】．武汉　理工大学．２０１２．　［８】严文娟，林凌，赵静，等．概率神经网络用于舌诊的近红外光谱分　类【ＪＪ．激光与红外，２０１０，１１　功能；②该装置在电源扰　动及负载扰动的情况下仍　能输出稳定的三相ｌ２７Ｖ交　变电压。　综上所述，本文为构　建功能完善的煤矿井下照　ｆ　．；　３００　２５Ｏ　　ｉ　｝２００　一ｌ５０　　１脚１００　５０　Ｏ　明信号新型综保装置提供　０Ｏ５　０．１　Ｏ．１５　０．２　０．２５　０．３　０　了理论依据．奠定了基础。　参考文献：　图５三相逆变单元输出电压仿真波形　Ｆｉｇ．５　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｗａｖｅｆｏｒｍ　ｏｆ　ｔｈｒｅｅ－－ｐｈａｓｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｏｆ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｓｔａｇｅ　工程，２０１２，８．　时间（ｓ）　图４高频隔离单元直流输出电压仿真波形　Ｆｉｇ．４　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｗａｖｅｆｏｒｍ　ｏｆ　ｏｕｔｐｕｔ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｏｆ　ｌｌｉｇｈ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｉｓｏｌａｔｉｏｎ　ｓｔａｇｅ　『１１崔义森，李德俊，等．井下照明　电源的新型单级三相高频隔　离ＡＣ／ＤＣ变换器设计　．煤炭　当Ｏ．１５ｓ负载发生波动时，输出电压仍能保持稳定不变。　Ｉ　　Ｉ　Ｉ４结论　　１【２】李德俊，王聪，等．煤矿井下无工频变压器照明电源的探讨［Ｊ］，煤　炭科学技术．２０１０．１．　本文通过对半桥三电平ＤＣ／ＤＣ变换器的建模与控制　：　【３】阮新波．三电平直流变换器及其软开关技术，科学出版社，２００６．　方法进行讨论。设计了可用于煤矿井下照明信号新型综　ｌ　①该装置可以取代传统工频变压器实现降低电压等级的　：　１０４　【４】Ｖ．Ｖｌ￣ｋｏｖｉｃ，Ｊ．Ａ．Ｓａｂａｔｅ，Ｓｍａｌ－１Ｓｉｇｎａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｐｈａｓｅ—　Ｓｈｉｆｔｅｄ　ＰＷＭ　Ｃｏｎｖｅｒｔ０ｄＪ】．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓｏｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，１９９２，１．　保装置的控制系统，通过仿真与验证，得出以下结论：　ｌ　［５］Ｌ．Ｈ．Ｄｉｘｏｎ，Ａｖｅｒａｇｅ　Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｍｏｄｅｌ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｕｐｐｌｉｅｓ．Ｕｎｉｔｒｏｄｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｕｐｐｌｙ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｓｅｍｉｎａｒ　Ｈａｎｄｂｏｏｋ．１９９０．