礦井提升機的現(xiàn)狀與發(fā)

1、1 緒 論1.1引言礦井提升機是煤礦、有色金屬礦中的重要運輸設(shè)備，是“四大運轉(zhuǎn)設(shè)備”之一。礦井提升系統(tǒng)具有環(huán)節(jié)多、控制復(fù)雜、運行速度快、慣性質(zhì)量大、運行特性復(fù)雜的特點，且工作狀況經(jīng)常交替轉(zhuǎn)換。雖然礦井提升系統(tǒng)本身有一些安全保護措施，但是由于現(xiàn)場使用環(huán)境條件惡劣，造成了各種機械零件和電氣元件的功能失效，以及操作者的人為過失和對行程監(jiān)測研究的局限性，使得現(xiàn)有保護未能達到預(yù)期的效果，致使提升系統(tǒng)的事故至今仍未能消除。一旦提升機的行程失去控制，沒有按照給定速度曲線運行，就會發(fā)生提升機超速、過卷事故，造成楔形罐道、箕斗的損壞，影響礦井正常生產(chǎn)，甚至造成重大人員傷亡，給煤礦生產(chǎn)帶來極大的經(jīng)濟損失。提升機電

2、氣控制系統(tǒng)在很大程度上決定了提升機能否實現(xiàn)平穩(wěn)、安全、可靠地起制動運行，避免了嚴重的機械磨損，防止較大的機械沖擊，減少機械部分維修的工作量，延長提升機械的使用壽命。所以，提升機電氣控制系統(tǒng)的研究一直是社會各屆人士共同關(guān)注的一個重大課題。隨著礦井提升系統(tǒng)自動化，改善提升機的性能，以及提高提升設(shè)備的提升能力等的要求，對電氣傳動方式提出了更高的要求。對礦井提升機電氣傳動系統(tǒng)的要求是：有良好的調(diào)速性能，調(diào)速精度高，四象限運行，能快速進行正、反轉(zhuǎn)運行，動態(tài)響應(yīng)速度快，有準確的制動和定位功能，可靠性要求高等。1.2 礦井提升機的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢隨著科學技術(shù)的進步和礦井生產(chǎn)現(xiàn)代化要求的不斷提高，人們對提升機工

3、作特性的認識進一步深化，提升設(shè)備及拖動控制系統(tǒng)也逐步趨于完善，各種新技術(shù)、新工藝逐步應(yīng)用于礦井提升設(shè)備中。特別是模擬技術(shù)、微電子技術(shù)、微電腦技術(shù)在提升機控制中的應(yīng)用已成為必然的發(fā)展方向。1.2.1國外礦井提升機的現(xiàn)狀1、晶閘管一電動機(SCRD)直流低速直聯(lián)拖動系統(tǒng)部分發(fā)達國家原有的交流提升機已基本上被晶閘管一電動機（以下簡稱SCRD)系統(tǒng)所取代。如德國、瑞典等國家已有90以上采用直流提升機，傳動系統(tǒng)大都采用低速直聯(lián)式(省去減速機)，使系統(tǒng)大為簡化。如AEG公司采用低速直聯(lián)的SCID系統(tǒng)，電機功率3000kW，額定轉(zhuǎn)速558r/min，滾筒直徑6.5m，提人速度17m/s，提物速度20m/s，

4、提升高度1200m，具有完善的保護系統(tǒng)；采用磁場反并聯(lián)，有平波電抗器及臥式深度發(fā)送裝置：采用積分給定與行程給定相結(jié)合的雙重給定信號；主回路采用兩組三相橋組成12脈動順抗整流，大大提高了功率因數(shù)。SIEMENS(西門子)公司、ABB公司、CEGELEC公司以及ASEA公司等都有相同類型的產(chǎn)品，其性能大同小異。此類系統(tǒng)的優(yōu)點在于：體積小，重量輕，占地面積小，安裝方便，建筑費用低；無減速器，總效率高，電能消耗少；維護工作量小，備件少，處理事故快；單機容量大，適用范圍廣；調(diào)速平滑，精度高；易于實現(xiàn)最佳控制和自動化，安全可靠；節(jié)電顯著，58年可回收設(shè)備投資，是礦井節(jié)電的有效途徑。其缺點在于：功率因數(shù)低，

5、如三相橋平均功率因數(shù)只有0.45左右；無功沖擊大，高次諧波對電網(wǎng)影響大。這些缺點可采用順序控制和多脈沖整流的方法以及在電網(wǎng)上加諧波濾波器等措施使其抑制在一定的允許范圍內(nèi)。2、交流變頻調(diào)速同步機驅(qū)動提升系統(tǒng)SCRD直流拖動系統(tǒng)趨于成熟，且采用了順控技術(shù)等措施來提高功率因數(shù)，但其功率因數(shù)仍然較低，從而從電網(wǎng)吸收大量的無功功率，且對電網(wǎng)品質(zhì)因數(shù)產(chǎn)生嚴重的影響，提升容量越大，問題越突出。再則，直流電機制造成本高，電樞回路的整流子限制了提升容量的進一步增加，且整流子，碳刷易磨損，加大了維護工作量，故障率高。因此換相整流子是個薄弱環(huán)節(jié)。由于存在上述兩個問題，迫使人們又重新考慮交流拖動方式。自80年代初以來

6、，交流變頻供電的同步機拖動異軍突起，在大型提升機中發(fā)展成為技術(shù)、經(jīng)濟均優(yōu)的拖動方式。如SIEMENS公司1979年投運的2×4200kW、1×2650kw，額定轉(zhuǎn)速55.8r/min； CEGELEC公司1983年投運的l×5480kw，額定轉(zhuǎn)速69.5r/min；AEG公司1985年投運的l×3000kW，額定轉(zhuǎn)速558r/min，ABB公司投運的l×4200kW額定轉(zhuǎn)速4586r/min；SIEMAG公司投運的2×4600kw等變頻調(diào)速同步機拖動的提升機，經(jīng)過多年的運行，均獲得成功。這種拖動系統(tǒng)主要有如下優(yōu)點：提升容量幾乎不受限制

7、，最大達10000kw，提升速度可達20m/s以上，提升高度1200m以上，滾筒直徑達6.5m，這是直流系統(tǒng)難以達到的；沒有整流子和碳刷這一薄弱環(huán)節(jié)，保證了電機的可靠運行和降低了運行消耗；功率因數(shù)高，可達0.9l，極大地節(jié)省了電能：動態(tài)品質(zhì)好(和直流系統(tǒng)相同)，系統(tǒng)可在四象限平滑過渡和無級調(diào)速；由于機械特性好，故起動轉(zhuǎn)矩大。同步機的價格和有色金屬的消耗低于直流機；調(diào)速范圍寬。因此，多數(shù)專家認為，變頻同步機拖動調(diào)速系統(tǒng)是大型提升機拖動的必然發(fā)展方向。這種拖動系統(tǒng)的缺點是：必須有專用的變頻電源；在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時，低速段電機的過載倍數(shù)有所降低；高次諧波對電網(wǎng)有影響，需在電網(wǎng)上加濾波器等補償措施加以緩解

8、。3、微機控制在提升機上的應(yīng)用從70年代開始，隨著微機技術(shù)的發(fā)展，微機控制技術(shù)已逐步應(yīng)用于礦井提升機中。目前，國外己達到相當成熟的階段，使整個拖動控制產(chǎn)生一次重大的變革。其應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾方面：(1) 提升工藝過程微機控制在交流變頻裝置中，提升工藝過程大都采用微機控制。由于微機功能強，使用靈活，運算速度快，監(jiān)視顯示易于實現(xiàn)，并具有診斷功能，這是采用模擬控制無法實現(xiàn)的。如AEG公司采用CP一80微機、ABB公司采用MASTER200和SIEMENS公司采用S5一150等微機實現(xiàn)的變頻控制，都獲得了相當成功。它們把控制、監(jiān)視、基準值預(yù)測以及模擬控制等組合在公共的微機控制總線上組成靜止變流器的傳

9、動控制，計算機實現(xiàn)速度及多個變量的調(diào)節(jié)。(2) 提升行程控制提升機的控制從本質(zhì)上說是一個位置控制，要保證提升罐籠在預(yù)定地點準確停車，要求準確度高，目前可達±2cm。采用微機控制，可通過采集各種傳感信號，如轉(zhuǎn)角脈沖變換、鋼絲繩打滑、井筒位置、滾筒及鋼絲繩磨損等信號進行處理，計算出罐籠準確的位置而施以控制和保護。在罐籠提升時可實現(xiàn)無爬行提升，大大提高了提升能力。如AEG、ABB、SIEMENS等公司已采用32位微機來構(gòu)成行程給定器，并還提供性能不盡相同的機械行程控制器。一般過程控制用微機不同時用于監(jiān)視，行程控制也采用單獨微機完成，從而大大提高了系統(tǒng)的可靠性。(3) 提升過程監(jiān)視由于近代提

10、升機控制系統(tǒng)的設(shè)計特別強調(diào)安全可靠性，所以提升過程監(jiān)視與安全回路一樣，是現(xiàn)代提升機控制的重要環(huán)節(jié)。提升過程采用微機主要完成如下參數(shù)的監(jiān)視：提升過程中各工況參數(shù)（如速度、電流）監(jiān)視；各主要設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)視；各傳感器（如位鼉開關(guān)、停車開關(guān)）信號的監(jiān)視。其目的在于使各種故障在出現(xiàn)之前就得以處理，防止事故的發(fā)生，并對各被監(jiān)視參數(shù)進行存貯、保留或打印輸出，甚至與上位機聯(lián)網(wǎng)，合并于礦井監(jiān)測系統(tǒng)中。(4) 安全回路安全回路旨在出現(xiàn)機械、電氣故障時控制提升機進入安全保護狀態(tài)。為確保人員和設(shè)備的安全，對不同故障一般采用不同的處理方法，大致分為以下四種情況：報警顯示，如冷卻器溫度過高等；二次不能開車，如電機繞組過

11、熱、制動油過熱等；立即進行電氣制動，如停車終點設(shè)備出現(xiàn)故障時本次提升應(yīng)盡快停下來；立即進行安全制動，如過卷、超速等。安全回路極為重要，它是保護的最后環(huán)節(jié)之一，英，德等公司都采用兩臺PC微機構(gòu)成安全回路，使安全回路具有完善的故障監(jiān)視功能無論是提升機還是安全回路本身出現(xiàn)故障時都能準確地實施安全制動。(5) 制動系統(tǒng)的控制與監(jiān)視制動(可調(diào)閘)控制系統(tǒng)除要可靠地完成工作制動和安全制動外，還要完成對液壓站的控制以及各環(huán)節(jié)參數(shù)(如油壓、閘瓦磨損等)的監(jiān)視，其技術(shù)要求與安全回路相似。如西門子公司采用兩套可編程控制器(PLC)的雙重控制與保護系統(tǒng)。(6) 全數(shù)字化調(diào)速控制系統(tǒng)德國AEG公司的Logidyn D

12、(32位機)、西門子公司的Siemadyn D(16位機)以及ABB公司的Tyrak(16位機)系統(tǒng)都已應(yīng)用于提升機上。全數(shù)字化系統(tǒng)具有硬件結(jié)構(gòu)單一，參數(shù)穩(wěn)定且調(diào)整方便，可方便地與上位機聯(lián)網(wǎng)等優(yōu)點。當然此類系統(tǒng)要求維護人員有更高的技術(shù)水平和計算機知識。4、內(nèi)裝式提升機AEG公司生產(chǎn)的內(nèi)裝式提升機，將提升主電機與滾筒合為一體，即轉(zhuǎn)子固定，轉(zhuǎn)動的定子充當滾筒，使機構(gòu)大為簡化，占地面積小，制造成本低。1.2.2國內(nèi)提升機的現(xiàn)狀與發(fā)展趨向1、國內(nèi)提升機電氣傳動系統(tǒng)現(xiàn)狀對于大型礦井提升機，主要采用晶閘管變流器直流電動機傳動控制系統(tǒng)和同步電動機矢量控制交一交變頻傳動控制系統(tǒng)。這兩種系統(tǒng)大都采用數(shù)字控制方式

13、實現(xiàn)控制系統(tǒng)的高自動化運行，效率高，有準確的制動和定位功能，運行可靠性高，但造價昂貴，中小礦井難以承受。對于中、小型提升機，則多采用交流繞線式電動機轉(zhuǎn)子切換電阻調(diào)速的交流電氣傳動系統(tǒng)，即TKD電控系統(tǒng)。這種電氣傳動系統(tǒng)設(shè)備簡單，但屬于有級調(diào)速，提升機在減速和爬行階段的速度控制性能較差，特別在負載變動時很難實現(xiàn)恒加減速控制，經(jīng)常會造成過放或過卷事故。提升機頻繁的啟動和制動工作過程會使轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速產(chǎn)生相當嚴重的能耗，另外轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速控制電路復(fù)雜，接觸器、電阻器、繞線電機電刷等容易損壞，影響生產(chǎn)效益。2研制與發(fā)展(1) 國產(chǎn)大型直流提升機及電控系統(tǒng)正在逐步完善和推廣使用。(2) 在國內(nèi)高壓變頻器

14、應(yīng)用領(lǐng)域，國產(chǎn)廠家占總供應(yīng)商的比例在80%以上，但國產(chǎn)產(chǎn)品的應(yīng)用基本集中在300KVA3000KVA容量段，而在5000KVA以上超大功率產(chǎn)品基本上被ABB、西門子、東芝、三菱等跨國公司所壟斷。前段時間智光電氣成功研制7000KVA級超大功率高壓變頻器，將會改變未來市場競爭格局。(3) 可編程控制器（PLC）在提升機電控系統(tǒng)的應(yīng)用可編程控制器（PLC）具有可靠性高、抗干擾能力強、實現(xiàn)繼電邏輯容易，基本免于維護等獨特優(yōu)點，特別適用于對我國占大部分的交流提升機繼電一接觸器電控系統(tǒng)進行技術(shù)改造。目前，已用可編程控制器（PLC）對TKD電控系統(tǒng)進行改造后顯示出了很強的生命力。這是今后一段時期對我國占絕

15、大多數(shù)采用繼電控制的交流提升系統(tǒng)進行技術(shù)改造的必由之路。1.3本論文選題依據(jù)及主要研究內(nèi)容1.3.1選題依據(jù)傳統(tǒng)控制系統(tǒng)使提升機運行的可靠性和安全性不能得到有效的保障。因此，需要研制更加安全可靠的控制系統(tǒng)。在提升機控制系統(tǒng)中應(yīng)用計算機控制技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)，對原有提升機控制系統(tǒng)進行升級換代。可編程控制器（PLC）是目前工業(yè)控制最理想的機型。而在PLC電控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上配合變頻調(diào)速裝置，運用先進的矢量控制技術(shù)，不但適合提升機運行工藝的要求，還將解決整套提升機系統(tǒng)的電力拖動方面的一系列問題。變頻裝置取代復(fù)雜的串聯(lián)電阻切換裝置，對提升機運行速度曲線、轉(zhuǎn)矩大小的要求都由變頻器來完成，簡化了控制操作流程，

16、提高了控制精度。經(jīng)過調(diào)研和論證，開發(fā)研制基于 PLC 控制的礦井提升機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)對提高礦井提升機的安全性、可靠性、以及運輸效率具有重要的現(xiàn)實意義。1.3.2本論文承擔的任務(wù)本課題擬解決的關(guān)鍵問題是控制策略研究，提升機是礦山生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，它屬于大轉(zhuǎn)動慣量機-電-液系統(tǒng)，提升機要按所要求的速度圖運行，否則在系統(tǒng)中容易產(chǎn)生大的慣性力，降低機器的壽命，甚至產(chǎn)生脫軌等惡性事故?？刂撇呗匝芯烤褪且ㄟ^電液控實時地、準確地使提升機按給定的速度圖運行，使控制系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性滿足提升機運行的要求。本論文研究目標是以潞安王莊煤礦副斜井提升機電氣改造為背景，將可編程控制器（PLC）與變頻器相結(jié)合對現(xiàn)有的

17、提升機電控系統(tǒng)進行改造設(shè)計。設(shè)計中充分考慮到保護系統(tǒng)惡劣的使用環(huán)境，采用控制功能強大的PLC來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的大型交流接觸器，簡化了控制線路，并應(yīng)用各種現(xiàn)場抗干擾措施，包括采用電抗器、空氣開關(guān)、及RC防浪涌震蕩電路等。本論文承擔的主要任務(wù)如下：1提升機電控系統(tǒng)主電路部分設(shè)計；2控制系統(tǒng)軟件部分設(shè)計；3行程控制算法分析和S形速度給定曲線的算法分析；4保護及抗干擾措施；1.4小結(jié)本章詳細介紹了當前國內(nèi)外礦井提升機的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，闡述了本論文選題依據(jù)，在此基礎(chǔ)上提出了本文所承擔主要任務(wù)和研究的主要內(nèi)容為：提升機電控系統(tǒng)主電路設(shè)計部分設(shè)計、控制系統(tǒng)軟件部分設(shè)計、行程控制算法分析和S形速度給定曲線的算法分析

18、、保護及抗干擾措施。在完成以上設(shè)計內(nèi)容時，此調(diào)速控制系統(tǒng)才能成為一個有機的整體，才能安全可靠的工作，并達到預(yù)期的控制效果。2 礦井提升機調(diào)速控制系統(tǒng)分析2.1引言 潞安王莊煤礦副斜井擔負著全礦物料以及特殊時期的人員提升的重要任務(wù)，電控系統(tǒng)采用交流繞線式電機串電阻調(diào)速系統(tǒng)，電阻的投切用繼電器交流接觸器控制。這種控制系統(tǒng)由于調(diào)速過程中交流接觸器動作頻繁，設(shè)備運行的時間較長，交流接觸器主觸頭易氧化，引發(fā)設(shè)備故障。另外，提升機在減速和爬行階段的速度控制性能較差，經(jīng)常會造成停車位置不準確；提升機頻繁的起動調(diào)速和制動，在轉(zhuǎn)子外電路所串電阻上產(chǎn)生相當大的功耗，節(jié)能較差；這種交流繞線式電機串電阻調(diào)速系統(tǒng)屬于有

19、級調(diào)速，調(diào)速的平滑性差；低速時機械特性較軟，靜差率較大；起動過程和調(diào)速換擋過程中電流沖擊大；中高速運行震動大，安全性較差。鑒于此有必要對提升機的控制方式及調(diào)速性能做進一步的分析。2.2提升機工作原理及對電氣控制系統(tǒng)的要求2.2.1提升機工作原理礦井提升機是以電動機為動力源，通過減速器將動力傳給纏繞鋼絲繩的滾筒，實現(xiàn)容器的提升下放，通過電氣傳動實現(xiàn)調(diào)速，盤型制動器由液壓和電氣控制進行制動，通過位置指示系統(tǒng)實現(xiàn)容器的深度指示，通過各種傳感器、測速發(fā)電機控制元件，組成安全保護系統(tǒng)。礦井提升的整個過程可以分為五個階段加速階段、等速階段、減速階段、爬行階段、停車抱閘階段。加速階段是提升機從靜止狀態(tài)起動加

20、速到最高速度；等速階段是提升機的主要運行階段，提升機以最高速度穩(wěn)速運行；減速階段是提升機從最高速度減速到爬行速度；爬行階段是罐籠定位和準備安全停車階段。2.2.2礦井提升機對電氣控制系統(tǒng)的要求綜合提升機的運行特點以及礦山生產(chǎn)固有的特點，提升機工藝對提升機電控系統(tǒng)的要求如下：1)加(減)速度符合國家有關(guān)安全生產(chǎn)規(guī)程的規(guī)定。2)具有良好的調(diào)速性能。要求速度平穩(wěn)，調(diào)速方便，調(diào)速范圍大，能滿足各種運行方式及提升階段(如加速、減速、等速、爬行等)穩(wěn)定運行的要求。3)有較好的起動性能。提升機不同于其他機械，不可能待系統(tǒng)運轉(zhuǎn)后再裝加物料，因此，必須能重載啟動，有較高的過載能力。4)特性曲線要硬。要保證負載變

21、化時，提升速度基本上不受影響，防止負載不同時速降過大，影響系統(tǒng)正常工作。5)工作方式轉(zhuǎn)換容易。要能夠方便的進行自動、半自動、手動、驗繩、調(diào)繩等工作方式的轉(zhuǎn)換，操作方便，控制靈活，不至于因工作方式的轉(zhuǎn)換影響正常生產(chǎn)。6)采用新技術(shù)和節(jié)能設(shè)備，易于實現(xiàn)自動化控制和提高整個系統(tǒng)的工作效率。具備必要的連鎖和安全保護環(huán)節(jié)，確保系統(tǒng)安全運行。盡量節(jié)約能源和降低運轉(zhuǎn)費用。潞安王莊煤礦副斜井提升機資料：提升機于1960年投入使用，型號2BM2500/12002，生產(chǎn)廠家系洛陽礦山機械廠；電機功率160KW；滾筒直徑2.5m；最大提升速度3.82m/s；提升距離487m，傾角25°；減速機速比20。副

22、斜井提升機的機械傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖21所示：2.3提升機調(diào)速控制方式及調(diào)速性能分析礦井提升機電力拖動部分有直流調(diào)速和交流調(diào)速兩種調(diào)速控制方式。其各有優(yōu)缺點，下面分別敘述。2.3.1提升機直流調(diào)速性能分析直流電動機的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速可表示為：式中：轉(zhuǎn)速（r/min）；電摳電壓（V）：電摳電流（A）；電摳回路總電阻（）；勵磁磁通（Wb）；由電機結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù)。由上式可以看出，有三種調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速的方法： 1） 調(diào)節(jié)電摳供電電壓； 2） 減弱勵磁磁通； 3） 改變電摳回路電阻R。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電摳供電電壓的方式為最好。改變電阻只能有級調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)

23、速，但調(diào)速范圍不大，往往只能配合調(diào)壓方案，在基速（額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以變壓調(diào)速為主。根據(jù)系統(tǒng)供電形式的不同，變壓調(diào)速系統(tǒng)可分為以下三種：發(fā)電機電動機調(diào)速系統(tǒng)、晶閘管整流器電動機調(diào)速系統(tǒng)及直流脈寬調(diào)制（PWM）系統(tǒng)。1、發(fā)電機電動機調(diào)速系統(tǒng)（G-M系統(tǒng)）發(fā)電機電動機系統(tǒng)是以旋轉(zhuǎn)變流機組作為可控電源的供電的直流調(diào)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)的主要部件為直流發(fā)電機G，直流電動機M，故簡稱GM系統(tǒng)。國際上通稱為WandLeonand系統(tǒng)。直流發(fā)電機G由原動機M（交流異步電動機或同步電動機）拖動，和分別是發(fā)電機和電動機勵磁回路的磁通。系統(tǒng)由原動機拖動直流發(fā)電機，改變發(fā)電

24、機勵磁回路的磁通即可改變發(fā)電機的輸出電壓也就改變了直流電動機的電樞電壓，從而實現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速的目的。這種調(diào)速系統(tǒng)，設(shè)備多、體積大、費用高、效率低、安裝需打地基、運行有噪聲、維護不方便。目前僅在尚未更新設(shè)備的地方應(yīng)用。2、晶閘管整流器電動機調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）晶閘管電動機系統(tǒng)是由晶閘管可控整流電路給直流電動機供電的系統(tǒng)，簡稱VM系統(tǒng)，又稱靜止的WandLeonand系統(tǒng)。這類系統(tǒng)通過改變給定電壓來改變晶閘管整流裝置的觸發(fā)脈沖的相位，從而可改變晶閘管整流器的輸出電壓的平均值，進而達到改變直流電動機轉(zhuǎn)速的目的。與G-M系統(tǒng)相比，此系統(tǒng)在經(jīng)濟性、可靠性及技術(shù)性能上也有較大的優(yōu)勢。其設(shè)備簡單，調(diào)速更快。但

25、此系統(tǒng)只允許電機在I、IV象限運行，不能滿足提升機四象限運行的要求；且低速運行時，產(chǎn)生較大的諧波電流，引起電網(wǎng)電壓小型畸變，形成污染。3、直流脈寬調(diào)制（PWM）系統(tǒng)直流脈寬式調(diào)速系統(tǒng)，核心是脈沖寬度調(diào)制器（Pulse Width Modulation ，縮寫為PWM），它是通過改變脈沖寬度的控制方式對直流電源進行調(diào)制，從而改變輸出電壓平均值的方法，是在VM調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，以脈寬調(diào)制式直流可調(diào)電源取代晶閘管相控整流電源后構(gòu)成的直流電動機速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。與V-M系統(tǒng)相比，直流PWM調(diào)速系統(tǒng)性能更優(yōu)越：a、低速運行平穩(wěn)，調(diào)速精度高，調(diào)試范圍寬b、快速響應(yīng)性能好，動態(tài)抗干擾能力強；c、電機損耗及發(fā)熱小

26、。2.3.2提升機交流調(diào)速性能分析 根據(jù)被控對象一交流電動機的種類不同，交流調(diào)速系統(tǒng)可分為異步電動機調(diào)速系統(tǒng)和同步電動機調(diào)速系統(tǒng)。1、同步電動機調(diào)速系統(tǒng)的基本類型由同步電動機轉(zhuǎn)速公式，(為定子供電頻率，為電動機極對數(shù))可知，同步電動機唯一依靠變頻調(diào)速。根據(jù)頻率控制方式的不同，同步電動機調(diào)速系統(tǒng)可分為兩類，即他控式和自控式同步電動機調(diào)速系統(tǒng)。 他控式同步電動機調(diào)速系統(tǒng)用獨立的變頻裝置作為同步電動機的變頻電源叫做他控式同步電動機調(diào)速系統(tǒng)。他控式恒壓頻比的同步電動機調(diào)速系統(tǒng)目前多用于小容量場合，例如永磁同步電動機、磁阻同步電動機。 自控式同步電動機調(diào)速系統(tǒng)采用頻率閉環(huán)方式的同步電動機調(diào)速系統(tǒng)叫做自控

27、式同步電動機調(diào)速系統(tǒng)，是用電機軸上所裝轉(zhuǎn)子位置檢測器來控制變頻裝置觸發(fā)脈沖，使同步電動機工作在自同步狀態(tài)。自控式同步電動機調(diào)速系統(tǒng)可分為兩種類型：負載換向自控式同步電動機調(diào)速系統(tǒng)(無換向器電機)、交一交變頻供電的同步電動機調(diào)速系統(tǒng)。2、異步電動機調(diào)速系統(tǒng)的基本類型由異步電動機工作原理可知，從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率?？煞譃閮刹糠郑阂徊糠质峭蟿迂撦d的有效功率；另一部分是轉(zhuǎn)差功率，與轉(zhuǎn)差率s成正比。轉(zhuǎn)差功率如何處理，是消耗掉還是回饋給電網(wǎng)，可衡量異步電動機調(diào)速系統(tǒng)的效率高低。因此按轉(zhuǎn)差功率處理方式的不同可以把異步電動機調(diào)速系統(tǒng)分為三類。 轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)將轉(zhuǎn)差功率全部轉(zhuǎn)換成熱能的形式而消耗掉。

28、晶閘管調(diào)壓調(diào)速屬于這一類。這類系統(tǒng)的效率最低，是以增加轉(zhuǎn)差功率的消耗為代價來換取轉(zhuǎn)速的降低。但是由于這類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最簡單且易實現(xiàn)自動控制，所以對于要求不高的小容量（100KW以下）場合還有一定的用途。 轉(zhuǎn)差功率回饋型調(diào)速系統(tǒng)將轉(zhuǎn)差功率一小部分消耗掉，大部分則通過變流裝置回饋給電網(wǎng)。轉(zhuǎn)速越低，回饋的功率越多。繞線式異步電動機串級調(diào)速和雙饋調(diào)速屬于這一類。顯然這類調(diào)速系統(tǒng)效率最高，但系統(tǒng)的功率因數(shù)低。 轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)差功率中轉(zhuǎn)子銅損部分的消耗是不可避免的，但在這類系統(tǒng)中，無論轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)差功率的消耗基本不變，因此效率很高。變頻調(diào)速屬于此類。變頻調(diào)速是改變電動機定子電源的頻率，從而改變其同步

29、轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。目前在交流調(diào)速系統(tǒng)中，變頻調(diào)速應(yīng)用最多、最廣泛，可以構(gòu)成高動態(tài)性能的交流調(diào)速系統(tǒng)。變頻調(diào)速技術(shù)及其裝置仍是21世紀的主流技術(shù)和主流產(chǎn)品。綜上所述，直流調(diào)速的電樞和勵磁是分開的，能夠精確控制；且直流調(diào)速轉(zhuǎn)矩速率特性好并能在大范圍內(nèi)平滑地調(diào)速，因此在礦井提升系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。機械式換向器和電刷是直流電動機的重要部件。機械式換向器表面線速度及換向電流、電壓有極限容許值，這就限制了電機的轉(zhuǎn)速和功率。如果要超過極限容許值，則大大增加電機制造的難度和成本，以及調(diào)速系統(tǒng)的復(fù)雜性。因此，在工業(yè)生產(chǎn)中，對轉(zhuǎn)速要求高、大功率的場合則根本無法采用直流調(diào)速方案；在實際應(yīng)用中，電刷磨損嚴重，且在負載工

30、作條件下，出現(xiàn)打火現(xiàn)象，甚至形成環(huán)火，極易造成電樞兩極短路，危及整個系統(tǒng)的安全。由此可見，這將使得直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用也相應(yīng)受到了限制。然而，采用無換向器的交流電動機組成的交流調(diào)速系統(tǒng)代替直流調(diào)速系統(tǒng)可以突破這些限制，滿足生產(chǎn)發(fā)展對調(diào)速傳動的各種不同的要求。交流電動機是多變量、非線性、強耦合的被控對象，采用參數(shù)重構(gòu)和狀態(tài)重構(gòu)的現(xiàn)代控制理論概念可以實現(xiàn)交流電動機定子電流的勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量之間的解耦，實現(xiàn)了將交流電動機的控制過程等效為直流電動機的控制過程，使交流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能得到了顯著的改善和提高，從而使交流調(diào)速最終取代直流調(diào)速成為可能。目前對調(diào)速性能要求較高的生產(chǎn)工藝已較多的采用了矢量控制型

31、的變頻調(diào)速裝置。實踐證明，采用矢量控制的交流調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)越性高于直流調(diào)速系統(tǒng)。2.4 提升機調(diào)速控制方案分析提升機在選用調(diào)速控制系統(tǒng)時要按負載的特性要求，并結(jié)合礦井的生產(chǎn)規(guī)模，以達到經(jīng)濟、實用為目的。常用的控制方案主要有：轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速、模糊控制、直接轉(zhuǎn)矩等。2.4.1繞線型異步電動機轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速系統(tǒng)傳統(tǒng)礦井提升機交流拖動系統(tǒng)中選用繞線型異步電動機作為主拖動電動機，電動機的轉(zhuǎn)子回路串接電阻或頻敏變阻器，可以改善動態(tài)性能，不但可以減小啟動電流，還可以增加啟動轉(zhuǎn)矩，并能在一定范圍內(nèi)進行調(diào)速。提升機轉(zhuǎn)子串入五段電阻調(diào)速原理如圖2-2所示。圖2-2 提升機五段轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速原理圖這種調(diào)速方法

32、的電動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是通過改變轉(zhuǎn)子回路串聯(lián)的附加電阻來實現(xiàn)的。顯然這是有級調(diào)速，并且調(diào)速時能耗很大，屬轉(zhuǎn)子功率消耗型調(diào)速方案。在加速階段和低速運行時，大部分能量以熱能的形式消耗掉了，因此電控系統(tǒng)的運行效率較低。在加速過程中，交流接觸器 KM1、KM2、KM3、KM4、KM5逐級吸合，轉(zhuǎn)子回路電阻依次減小，以保證加速力矩的平均值不變。如果要求提升機低速運行，則需在轉(zhuǎn)子回路串較大電阻。為了解決減速段的負力要求，通常采用動力制動方案，即將定子側(cè)的電源切除，施加直流電壓，或在定子繞組上施加低頻電源，讓電動機工作在發(fā)電狀態(tài)。這種拖動方案存在的問題是：1）開環(huán)有級調(diào)速，加速度難以準確控制，調(diào)速精度差；2）觸點

33、控制，大量使用大容量開關(guān)，系統(tǒng)維護工作量大，可靠性差；3）運行效率低，在低速時大部分功率都消耗在電阻上；4）電機的機械特性偏軟，一般電阻上消耗的功率約為電動機輸出功率的 2030%。雖然這種調(diào)速方案存在著調(diào)速性能差，運行效率低、運行狀態(tài)的切換死區(qū)大及調(diào)速不平滑等缺點，但控制方式簡單、初期設(shè)備投資小、維護容易、操作方便，目前在我國中小型礦井這種方案使用得相當普遍，以后將面臨著技術(shù)改造的問題。2.4.2 模糊控制調(diào)速系統(tǒng)1、模糊控制的基本思想模糊控制（Fuxxy Control）的基本思想是把人類專家對特定的被控對象或過程的控制策略總結(jié)成一系列以“IF（條件）THEN（作用）”表達式形式表示的控制

34、規(guī)則，通過模糊推理處理得到控制作用集，作用于被控對象或過程控制，作用集為一組條件語句，狀態(tài)條件和控制作用均為一組被量化了的模糊語言集，如“正大”、“負大”、“高”、“低”、“正常”等。一般的模糊算法包括以下五個步驟： 定義模糊子集，建立模糊控制規(guī)則； 由基本論域轉(zhuǎn)化為模糊集合論域； 模糊關(guān)系矩陣運算； 模糊推理合成，求出控制輸出模糊子集； 進行逆模糊運算、模糊判決，得到精確控制量；在模糊控制系統(tǒng)中，模糊控制器是整個控制系統(tǒng)的核心。模糊控制器主要由模糊化接口、知識庫、模糊推理、清晰化(解模糊接口)四部分組成。模糊化接口接受的輸入只有誤差信號e，由e再生成誤差變化率模糊化接口主要完成論域變換和模糊

35、化兩項功能。知識庫中存貯著有關(guān)模糊控制器的一切知識，它們決定著模糊控制器的性能，是模糊控制器的核心。模糊控制應(yīng)用的是廣義前向推理，它具有模擬人的基于模糊概念的推理能力。由模糊推理結(jié)果產(chǎn)生模糊控制器的輸出，解模糊接口主要完成以下兩項工作:解模糊和論域反變換。2、提升機模糊控制系統(tǒng)原理圖在對電機的轉(zhuǎn)速控制中，采用二維的輸入變量即使用誤差和誤差的變化率。實現(xiàn)模糊控制的原理框圖如圖23所示：PLC通過采樣獲取被控量的精確值，然后將此量與給定值進行比較得到誤差信號e、誤差變化率de/dt，把誤差信號和誤差變化率的精確量模糊化變成模糊量E、Ec再經(jīng)過模糊推理得到模糊控制量U，進行解模糊處理得到控制信號u，

36、送入變頻器從而對被控對象實施控制。3、模糊控制的特點模糊控制與常規(guī)控制相比，具有以下優(yōu)點: 它是一種非線性的控制方法，工作范圍寬，適用范圍廣，特別適合于非線性系統(tǒng)的控制。 模糊控制完全是在操作人員控制經(jīng)驗基礎(chǔ)上實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制，無需建立被控對象的數(shù)學模型，是解決不確定系統(tǒng)的一種有效途徑。 模糊控制具有較強的魯棒性，被控對象參數(shù)的變化對模糊控制的影響不明顯，可用于非線性、時變、時滯系統(tǒng)的控制。 模糊控制的機理符合人們對過程控制作用的直觀描述和思維邏輯，由工業(yè)過程的定性過程出發(fā)，較易建立語言變量控制規(guī)則。 由離線計算得到控制查詢表，提高了控制系統(tǒng)的實用性。 由不同的觀點出發(fā)，可以設(shè)計幾個不同的指標

37、函數(shù)，但對一個給定的系統(tǒng)而言，其語言控制規(guī)則分別獨立，通過整個控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)，可以取得總體的協(xié)調(diào)控制。模糊控制的主要缺陷是: 信息簡單的模糊處理導致系統(tǒng)的控制精度降低和動態(tài)品質(zhì)變差，若要提高精度則必然增加量化級數(shù)，從而導致規(guī)則搜索范圍擴大，降低決策速度，甚至不能實時控制。 模糊控制的設(shè)計尚缺乏系統(tǒng)性，無法定義控制目標，控制規(guī)則的選擇、論域的選擇、模糊集的定義、量化因子與比例因子的選取等大多采用試湊法，這對復(fù)雜系統(tǒng)的控制是難以奏效的。為了使模糊控制器的參數(shù)或者規(guī)則在控制過程中能夠自動地調(diào)整、修改和完善，模糊控制器的設(shè)計自然而然地向著自適應(yīng)、自校正的方向發(fā)展。2.4.3 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制

38、系統(tǒng)簡稱DTC(Direct Torque Control)是在20世紀80年代中期繼矢量控制技術(shù)之后發(fā)展起來的一種高性能異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)。1977年美國學者A.B.Plunkett在IEEE雜志上首先提出了直接轉(zhuǎn)矩控制理論，1985年由德國魯爾大學Depenbrock教授和日本Tankahashi分別取得了直接轉(zhuǎn)矩控制在應(yīng)用上的成功，接著在1987年又把直接轉(zhuǎn)矩控制推廣到弱磁調(diào)速范圍。不同于矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制具有魯棒性強、轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)速度快、控制結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，它在很大程度上解決了矢量控制中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、計算量大、對參數(shù)變化敏感等問題 傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的主要問題是低速時轉(zhuǎn)矩脈動大

39、。為了降低或消除低速時的轉(zhuǎn)矩脈動，提高轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩控制精度，擴大直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的調(diào)速范圍，近些年來提出了許多新型的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。雖然這些新型直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)在不同程度上改善了調(diào)速系統(tǒng)的低速性能，但是其低速性能還是不能達到矢量控制的水平。最近出現(xiàn)了一種間接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，受到了很多學者的關(guān)注。間接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)具有優(yōu)良的低速性能，另外由于其獨特的控制思想可以降低逆變器的開關(guān)頻率，從而特別適用于大容量調(diào)速場合。 直接轉(zhuǎn)矩控制的目標是:通過選擇適當?shù)亩ㄗ与妷嚎臻g矢量，使定子磁鏈的運動軌跡為圓形，同時實現(xiàn)磁鏈模值和電磁轉(zhuǎn)矩的跟蹤控制，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖24所示。在圖24中，定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩分別采用閉環(huán)

40、控制，s*、Tei*分別為定子磁鏈模值和電磁轉(zhuǎn)矩的給定信號，、分別為定子磁鏈模值和電磁轉(zhuǎn)矩的估計值，作為反饋信號使用。根據(jù)誤差信號，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器輸出轉(zhuǎn)矩增、減控制信號CT; 磁鏈調(diào)節(jié)器輸出磁鏈增、減控制信號C。開關(guān)表根據(jù)C、CT以及估計器輸出的磁鏈扇區(qū)信號，選擇正確的定子電壓空間矢量，輸出控制字SA,B,C給逆變器。 從圖24中可以看出，和矢量控制相比直接轉(zhuǎn)矩控制具有結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度快、對參數(shù)變化魯棒性強的優(yōu)點。直接轉(zhuǎn)矩控制的主要缺點是在低速時轉(zhuǎn)矩脈動大，其主要原因是: (1) 由于轉(zhuǎn)矩和磁鏈調(diào)節(jié)器采用滯環(huán)比較器，不可避免地造成了轉(zhuǎn)矩脈動; (2) 在電動機運行一段時間之后,電機的溫度升高

41、,定子電阻的阻值發(fā)生變化,使定子磁鏈的估計精度降低，導致電磁轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)較大的脈動; (3) 逆變器開關(guān)頻率的高低也會影響轉(zhuǎn)矩脈動的大小，開關(guān)頻率越高轉(zhuǎn)矩脈動越小，反之開關(guān)頻率越低轉(zhuǎn)矩脈動越大。2.4.4 矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)上世紀70年代西門子工程師F.Blaschke首先提出異步電機矢量控制理論來解決交流電機轉(zhuǎn)矩控制問題通過測量和控制異步電動機定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進行控制，從而達到控制異步電動機轉(zhuǎn)矩的目的。以后在實踐中許多學者進行了大量的工作，經(jīng)過不斷的改進，歷經(jīng)此后幾十年的時間，達到了可與直流調(diào)速系統(tǒng)的性能相媲美的程度。具體步驟是將異步電動機的定

42、子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量 (勵磁電流) 和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量 (轉(zhuǎn)矩電流) 分別加以控制，并同時控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以稱這種控制方式稱為矢量控制方式。簡單地說，矢量控制就是將磁鏈與轉(zhuǎn)矩解耦，有利于分別設(shè)計兩者的調(diào)節(jié)器，以實現(xiàn)對交流電機的高性能調(diào)速。這樣就可以將一臺三相異步電機等效為直流電機來控制，因而獲得與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣的靜、動態(tài)性能。圖2-5 矢量控制過程框圖矢量控制方式又有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式、無速度傳感器矢量控制方式和有速度傳感器的矢量控制方式等。 基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式同樣是在進行U / f 恒定控制的基礎(chǔ)上，通過檢測異步電動機

43、的實際速度n，并得到對應(yīng)的控制頻率f，然后根據(jù)希望得到的轉(zhuǎn)矩，分別控制定子電流矢量及兩個分量間的相位，對通用變頻器的輸出頻率f進行控制的?；谵D(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式的最大特點是，可以消除動態(tài)過程中轉(zhuǎn)矩電流的波動，從而提高了通用變頻器的動態(tài)性能。早期的矢量控制通用變頻器基本上都是采用的基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式。無速度傳感器的矢量控制方式是基于磁場定向控制理論發(fā)展而來的。實現(xiàn)精確的磁場定向矢量控制需要在異步電動機內(nèi)安裝磁通檢測裝置，要在異步電動機內(nèi)安裝磁通檢測裝置是很困難的，但人們發(fā)現(xiàn)，即使不在異步電動機中直接安裝磁通檢測裝置，也可以在通用變頻器內(nèi)部得到與磁通相應(yīng)的量，并由此得到了所謂的

44、無速度傳感器的矢量控制方式。它的基本控制思想是根據(jù)輸入的電動機的銘牌參數(shù)，按照轉(zhuǎn)矩計算公式分別對作為基本控制量的勵磁電流（或者磁通）和轉(zhuǎn)矩電流進行檢測，并通過控制電動機定子繞組上的電壓的頻率使勵磁電流（或者磁通）和轉(zhuǎn)矩電流的指令值和檢測值達到一致，并輸出轉(zhuǎn)矩，從而實現(xiàn)矢量控制。 采用矢量控制方式的通用變頻器不僅可在調(diào)速范圍上與直流電動機相匹配，而且可以控制異步電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。由于矢量控制方式所依據(jù)的是準確的被控異步電動機的參數(shù)，有的通用變頻器在使用時需要準確地輸入異步電動機的參數(shù)，有的通用變頻器需要使用速度傳感器和編碼器，并需使用廠商指定的變頻器專用電動機進行控制，否則難以達到理想的控制效果

45、。目前新型矢量控制通用變頻器中已經(jīng)具備異步電動機參數(shù)自動檢測、自動辨識、自適應(yīng)功能，帶有這種功能的通用變頻器在驅(qū)動異步電動機進行正常運轉(zhuǎn)之前可以自動地對異步電動機的參數(shù)進行辨識，并根據(jù)辨識結(jié)果調(diào)整控制算法中的有關(guān)參數(shù)，從而對普通的異步電動機進行有效的矢量控制。除了上述的無傳感器矢量控制和轉(zhuǎn)矩矢量控制等，可提高異步電動機轉(zhuǎn)矩控制性能的技術(shù)外，目前的新技術(shù)還包括異步電動機控制常數(shù)的調(diào)節(jié)及與機械系統(tǒng)匹配的適應(yīng)性控制等，以提高異步電動機應(yīng)用性能的技術(shù)。為了防止異步電動機轉(zhuǎn)速偏差以及在低速區(qū)域獲得較理想的平滑轉(zhuǎn)速，應(yīng)用大規(guī)模集成電路并采用專用數(shù)字式自動電壓調(diào)整（AVR）控制技術(shù)的控制方式，已實用化并取得

46、良好的效果。 2.5小結(jié)本章結(jié)合潞安王莊煤礦生產(chǎn)實際情況，闡述了提升機工作原理及對電氣控制系統(tǒng)的要求；并給出該礦副斜井提升機傳動系統(tǒng)圖，使提升機的工作原理更加清晰。王莊煤礦副斜井提升機電控系統(tǒng)是古老的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，存在很多的安全隱患，急需改進。改進后的電控系統(tǒng)采用什么控制方案更加合理，采用交流還是直流調(diào)速，到底哪種調(diào)速方法調(diào)速性能更好。針對這種種疑問，本章分別對提升機直流調(diào)速和交流調(diào)速的調(diào)速性能進行分析，并就目前存在的幾種高精控制系統(tǒng)進行分析，并與目前技術(shù)已經(jīng)成熟的提升機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)做比較，這些工作對確定提升機控制方案提供了很大幫助。設(shè)計中同時考慮到串電阻調(diào)速系統(tǒng)控制器件多、電路復(fù)雜的缺

47、點，所以將可編程控制器（PLC）應(yīng)用于控制系統(tǒng)。最后確定提升系統(tǒng)的整體控制方案為:基于PLC控制的大功率礦井提升機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。3 提升機調(diào)速控制系統(tǒng)硬件實現(xiàn)3.1引言經(jīng)過分析比較，權(quán)衡各種控制方案的優(yōu)劣，結(jié)合提升機調(diào)速系統(tǒng)屬于恒轉(zhuǎn)矩負載特性，最終選擇PLC與變頻器相結(jié)合的變頻調(diào)速方案，其變頻控制方式為：矢量變頻調(diào)速控制。此方案能夠很好解決傳統(tǒng)交流繞線式電機串電阻調(diào)速系統(tǒng)的缺點，變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率來達到電機調(diào)速的目的，無論轉(zhuǎn)速高低，其機械特性基本上與自然機械特性平行，能夠滿足提升機特殊工作環(huán)境的要求且有著明顯的節(jié)電效果；采用PLC對提升系統(tǒng)進行保護和監(jiān)控，使系統(tǒng)更加安全可靠。變

48、頻調(diào)速系統(tǒng)將是提升機電控系統(tǒng)的發(fā)展方向。3.2礦井提升機電控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)3.2.1礦井提升機控制系統(tǒng)組成基于 PLC 的礦井提升機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)由動力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、安全回路、控制核心和檢測系統(tǒng)組成，系統(tǒng)框圖如圖3-1所示。1、動力系統(tǒng)動力系統(tǒng)由機械和電氣兩部分組成。機械部分包括減速器、滾筒、制動器和底座；電氣部分包括斷路器、進線電抗器、變頻器、濾波器出線電抗器和拖動電機。動力系統(tǒng)完成人、物、料的運輸任務(wù)。變頻器是拖動電機能量供給單元，主電機通過減速器向滾筒提供牽引所需的動力。2、液壓部分液壓部分包括液壓站和潤滑站。液壓站為提升機提供制動力，停車時先通過液壓站給滾筒施加機械制動力；

49、提升機起動時，待變頻器對電機施加一定力矩后松開機械抱閘，防止溜車，以保證系統(tǒng)安全可靠地工作。3、控制核心控制核心是整個提升系統(tǒng)的核心，通過它可以設(shè)定系統(tǒng)的工作方式和控制方式，可以發(fā)布系統(tǒng)的各種控制命令，以實現(xiàn)對提升機啟動、加速、平穩(wěn)運行、減速、停車以及緊急制動等各種控制功能。圖3-1 礦井提升機控制系統(tǒng)框圖4、監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)是操作人員和控制系統(tǒng)及運輸系統(tǒng)之間的橋梁，包括工控機、觸摸屏和接入礦調(diào)度系統(tǒng)的工業(yè)以太網(wǎng)。觸摸屏上顯示提升容器在井筒中的位置。工控機通過與PLC的通信，將電動機的所有運行參數(shù)和故障參數(shù)都顯示出來，并對礦車的位置及速度進行時時監(jiān)控，為操作人員分析故障、判斷故障和處理提供依據(jù)

50、。5、安全回路安全回路是保證整個系統(tǒng)正常運行的關(guān)鍵，包括硬件和軟件兩條安全回路，安全電路相互冗余與閉鎖，一條斷開時，另外一條也同時斷開。硬件安全回路通過硬件回路實現(xiàn)，無論PLC單元是否正常工作，一旦出現(xiàn)重度故障信號，硬件安全回路馬上斷開；軟件安全回路在PLC軟件中搭建，與硬件安全回路同時動作。安全電路斷開后，系統(tǒng)會立即解除運行控制指令，封鎖變頻器，制動油泵，斷開安全閥和 KT 線圈，進行緊急制動。6、檢測系統(tǒng)檢測系統(tǒng)主要由電流、電壓檢測單元和旋轉(zhuǎn)編碼器構(gòu)成，主要檢測主電動機的電壓、電流及轉(zhuǎn)速，并將此信號傳送給控制器。PLC通過采集這些反饋信號，實現(xiàn)對提升機的控制及保護。3.2.2 變頻調(diào)速控制

51、系統(tǒng)工作原理變頻調(diào)速控制系統(tǒng)內(nèi)部采用矢量控制思想，AC380V三相動力電源由隔爆接線腔R,S,T 3個接線柱接入隔爆主腔內(nèi)，大功率變頻可以將工頻三相交流電經(jīng)過交直變換之后經(jīng)過逆變器，利用設(shè)定的參數(shù)進行逆變，使得輸出為某一相應(yīng)設(shè)定頻率的交流電，經(jīng)變頻后輸出U,V,W來驅(qū)動電機的運行。變頻器輸出頻率的變化，將導致電動機的輸出轉(zhuǎn)速變化，二者之間的關(guān)系近似線性。這樣，就起到了調(diào)速的作用。在提升過程中，控制提升機運行的主速度給定S形速度曲線由PLC編程產(chǎn)生，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，由模擬量輸出口輸出，以驅(qū)動變頻器工作；對變頻器輸出頻率的調(diào)整控制，也可根據(jù)現(xiàn)場的工況需要，由操作臺速度控制手柄以輔助給定的方式進行控

52、制。旋轉(zhuǎn)編碼器可以檢測主電動機的轉(zhuǎn)速，并將此信號傳送給可編程控制器，PLC通過該信號可以累計計算提升機的行走距離。操作人員通過操作臺向PLC發(fā)送控制提升機運行的控制命令?？刂票O(jiān)視系統(tǒng)通過與PLC的通信，將電動機的所有運行參數(shù)和故障參數(shù)都顯示出來，并對礦車的位置及速度進行時時監(jiān)控。為操作人員分析故障、判斷故障和處理提供依據(jù)。3.3 提升機電控系統(tǒng)變頻器硬件實現(xiàn)3.3.1 變頻調(diào)速主系統(tǒng)設(shè)計圖3-2 變頻調(diào)速系統(tǒng)主回路電路圖變頻調(diào)速單元采用森蘭SB70G系列SB70G200T4通用變頻器，其變頻調(diào)速系統(tǒng)主回路電路圖如圖32所示。SB70G系列變頻器采用轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制方式實現(xiàn)了對電機大轉(zhuǎn)矩、

53、高精度、寬范圍調(diào)速，可靠性高，功能強大。1、提升電動機選擇一般電動機的額定電流可以用如下公式計算，即：根據(jù)上述公式對一般三相交流異步電功機的額定電流計算得出：異步電動機的額定電流與電動機額定功率的關(guān)系為：如果U380V，電流大約為1kW是2A。因此在選擇電動機的保護元件時可以用1kw2A來估算電動機的額定電流值，從而達到快速選擇保護元件的目的。本變頻調(diào)速系統(tǒng)所選電動機為：QABP系列變頻調(diào)速三相異步電動機(ABB)。其技術(shù)數(shù)據(jù)如表31所示：表3-1 QABP系列8級電機（50HZ同步轉(zhuǎn)速750r/min）型 號標稱功率（KW）額定電流（A）額定轉(zhuǎn)矩（Nm）額定轉(zhuǎn)速（r/min）最大轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)

54、矩（TMAX/TN）轉(zhuǎn)動慣量（Kg·m2）質(zhì)量Kg355M8B16031820377423.010.011621圖3-3 ABBQABP系列變頻調(diào)速三相異步電動機2、變頻器的選擇在一臺變頻器驅(qū)動一臺電機的情況下，變頻器的容量選擇要保證變頻器的額定電流大于該電動機的額定電流，或者是變頻器額定電流一定大于拖動系統(tǒng)在運行過程中的最大電流。另外礦用提升機屬于頻繁起動、加減速運轉(zhuǎn)，其變頻器容量的選定應(yīng)根據(jù)加速、恒速、減速等各種運行狀態(tài)下的電流值，按下式確定：式中 ：為變頻器額定輸出電流(A)； 為各運行狀態(tài)平均電流(A)； 為各運行狀態(tài)下的時間；為安全系數(shù)(一般取1.11.2)?？紤]到礦用電機

55、性能上的差異及機械負載的波動，變頻器額定電流選擇為電動機額定電流的1.1倍，本系統(tǒng)中所需電動機的額定電流為318A，按1.1倍電流就選擇349.8A以上變頻器。提升機運轉(zhuǎn)具有較大慣性，四象限運行的特點，與其他傳動機械相比對變頻器有著更為苛刻的安全和性能上的要求，森蘭SB70G系列通用變頻器是專為類似負載而設(shè)計，該系列產(chǎn)品采用了最優(yōu)的電機控制方法矢量控制技術(shù)，它可以對所有交流電動機的核心變量進行控制，并把定子磁通、轉(zhuǎn)矩作為主要控制變量。其對負載的變化和瞬時掉電，能做出迅速響應(yīng)；開環(huán)控制精度可以達到閉環(huán)矢量控制的精度（誤差0.1%0.5%），開環(huán)轉(zhuǎn)矩階躍上升時間小于5 ms，具有290% 瞬時轉(zhuǎn)矩

56、控制能力，有PG矢量控制轉(zhuǎn)速控制范圍1:1000，并具有有效的磁通制動來提供最大的制動力矩。根據(jù)變頻器所需容量，查變頻器型號規(guī)格：選擇森蘭SB70G200T4通用型變頻器。其標稱參數(shù)如表32所示：表32森蘭SB70G200T4通用型變頻器的參數(shù)型 號電壓等級額定容量額定輸出電流適配電機毛 重SB70G200T4400V248KVA377A200kw200kg圖3-4 SB70G200T4掛式單機機型外形圖3.3.2 變頻器外部電路設(shè)計變頻器可以輸出頻率可調(diào)的交流電源，另外在變頻器的外圍加設(shè)有聲光報警輸出口及制動單元，能夠?qū)崿F(xiàn)變頻器故障報警器和安全制動，更有效的對控制系統(tǒng)進行安全保護，外部電路連

57、接如圖3-5所示。一、聲光報警回路1、變頻器報警輸出的動斷（常閉）觸點“30B-30C”串聯(lián)在KM1的線圈電路內(nèi)，當變頻器因故障不能正常工作時，發(fā)出報警；同時報警輸出的常閉觸點動作，使KM1線圈失電，將變頻器與電源斷開，進行安全保護。為了保護報警輸出的觸點，在接觸器的線圈兩端，并聯(lián)阻容吸收電路（即RC震蕩電路）。2、聲光報警電路由報警輸出的動合（常開）觸點“30B-30A”控制，當變頻器跳閘時，觸點“30B-30A”閉合，將報警指示燈HL和電笛HA接通，進行聲光報警。與此同時，斷電器KA1得電，其觸點將聲光報警電路自鎖，使變頻器斷電后，聲光報警能持續(xù)下去，直到工作人員按下ST1為止，報警才能解除。另外繼電器線圈和電笛線圈的兩端，也需要并聯(lián)阻容吸收電路，以保護變頻器內(nèi)部報警繼電器觸點。圖3-5 變頻器外部電路連接二、制動控制回路提升機負載由于慣性較大，當變頻器的輸出頻率下降至0Hz時，常常停不住，而有“蠕動”現(xiàn)象，在礦山提升機這種大負載機械中，蠕動現(xiàn)象有可能造成十分危險的后果。為此，變頻器調(diào)速時應(yīng)設(shè)置能耗制動和直流制動功能。1、能耗制動電路的作用在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，電動機的降速和停機，是通過逐漸減小頻率來實現(xiàn)的。提升機減速制動時，在頻率剛減小的瞬間，電動機的同步轉(zhuǎn)速隨之下降，而由于機械慣性的