李培++呂鯤

[摘 要]礦井提升機是礦井生產(chǎn)的重要機電設備，其性能的好壞關系著礦工的生命安全和企業(yè)的經(jīng)濟效益。本文總結(jié)國內(nèi)外礦井提升機的發(fā)展歷程，各種系統(tǒng)的優(yōu)缺點，以及當前存在的主要的問題，為將來的研究工作拋準引玉。

[關鍵詞]礦井提升機；控制系統(tǒng)；發(fā)展

中圖分類號：TD534 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）19-0145-01

1 前言

礦井提升機控制系統(tǒng)作為煤礦的主要生產(chǎn)設備，關系到煤礦高效和安全生產(chǎn)，主要要求如下：平滑的調(diào)速性能、高精度、實現(xiàn)四象限運行、很好的檢測速度和行程、具備良好的故障監(jiān)測功能、具備可靠的制動控制系統(tǒng)等。根據(jù)提升機對控制系統(tǒng)的要求，其電氣傳動方式通常有直流傳動和交流傳動兩種[1，2]。本文對國內(nèi)外提升機的發(fā)展現(xiàn)狀的主要幾個方面進行總結(jié)。

2 發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 直流傳動

直流電機具有良好的啟動、調(diào)速和制動性能，可以在大范圍內(nèi)進行無級調(diào)速，非常適用于經(jīng)常切換正反轉(zhuǎn)和調(diào)速指標要求高的提升機。直流他勵電機在提升機中應用廣泛，其控制系統(tǒng)選用F-D系統(tǒng)，由同步電機帶動直流發(fā)電機，對電機直接供電。通過改變發(fā)電機的勵磁電阻實現(xiàn)對發(fā)電機的勵磁改變，從而改變發(fā)電機電勢和直流電機電樞電壓，完成電機轉(zhuǎn)速的改變，達到提升機調(diào)速的目的。如瑞典、德國等國多數(shù)采用此傳動方式，降低了系統(tǒng)的復雜程度。

2.2 交流傳動

由于交流電動機具有構造簡單、造價便宜、運行可靠等特點，更適用于惡劣的環(huán)境中。伴隨著電力電子器件、電子技術、自動控制理論及先進的交流調(diào)速理論的發(fā)展，交流傳動取得的控制特性能夠和直流調(diào)速相媲美。二十世紀七十年代德國SIEMENS公司矢量控制變頻技術的出現(xiàn)，標志著交流調(diào)速取代直流調(diào)速的技術時代正在到來。隨著計算機和PLC技術的發(fā)展，外國工程技術人員將計算機和PLC技術應用于礦井提升機控制系統(tǒng)中，使得提升機自動化水平達到了一個新高度，安全回路和制動系統(tǒng)更加完善，并提供了現(xiàn)代化的管理和監(jiān)控模式。

（1）變頻器的結(jié)構

變頻器按變換環(huán)節(jié)分交-交變頻器和交-直-交變頻器。其中，交-交變頻器是把頻率固定的交流電通過斬波或相控的方式直接變換成頻率和幅值連續(xù)可調(diào)的交流電，也叫直接變頻器。

交-交變頻器采用晶閘管自然換流方式，輸出頻率是電網(wǎng)頻率的1/3～1/2，具有良好的調(diào)速性能、效率高等優(yōu)點，特別適用于容量較大的低速礦井提升系統(tǒng)中。但交-交變頻器存在功率因數(shù)低、諧波大、輸出頻率變化范圍小、對電網(wǎng)污染嚴重等缺點。

與交-交變頻器相比，交-直-交變頻器先把交流電整流為直流電，然后將直流電逆變成頻率連續(xù)可調(diào)的交流電，也叫間接變頻器。由于在逆變的環(huán)節(jié)較易控制，所以交-直-交變頻器的頻率調(diào)節(jié)范圍大，同時在改善變頻后電機特性方面具備明顯的優(yōu)勢。交-直-交變頻器具有效率高、諧波小、電流波形近似為正弦波等優(yōu)點，本文將選用交-直-交變頻器結(jié)構。

交-直-交變頻器一般分為不可控整流單元型變頻器和雙PWM變頻器。不可控整流單元型變頻器的硬件結(jié)構一般采用電壓源型的交-直-交結(jié)構，整流單元采用整流二極管實現(xiàn)，目前通用變頻器均采用此結(jié)構。通過電容的濾波穩(wěn)壓后經(jīng)過SPWM逆變電路，輸出電壓和頻率均可調(diào)的交流電。

這類變頻器在礦井提升機調(diào)速系統(tǒng)中應用時，當電動機在工作頻率下降過程中，即處于再生發(fā)電狀態(tài)時，由于變頻器整流側(cè)二極管具有單向?qū)щ娦裕嵘龣C系統(tǒng)的機械能不能回饋到電網(wǎng)，要回饋到直流電路中，從而導致直流母線電壓Ud驟升，即泵升電壓，甚至達到危險的地步，損壞變頻器中整流與逆變開關器件以及直流濾波電容，從而導致變頻器無法正常工作。為了解決上述問題，必須及時消耗掉再生到直流電路中的能量，使Ud保持在安全范圍內(nèi)，中小型變頻器一般采用制動電阻單元，在電機制動時，將反饋回的巨大能量消耗于制動電阻Rb中。此結(jié)構變頻器應用于礦井提升機電控系統(tǒng)中時，主要缺點如下：①污染電網(wǎng)；②功率因數(shù)低；③動態(tài)響應慢；④體積增大。

為了滿足變頻器實現(xiàn)四象限運行的要求，將制動的電能有效回饋電網(wǎng)，利用能量回饋單元實現(xiàn)變頻器的四象限運行時，能量回饋過程主要由整流、回饋逆變和輸出濾波3部分組成?；仞伳孀儾糠质钦麄€回饋過程的核心部分，輸出電壓相位與電網(wǎng)電壓相位一致。由于回饋逆變單元輸出的是調(diào)制波，需增加輸出濾波部分，存在結(jié)構復雜，諧波對電網(wǎng)污染較嚴重，且功率因數(shù)較低，對變頻器運行缺少優(yōu)化和保護功能等問題，制約了該結(jié)構的應用。

綜上所述，在提升機控制系統(tǒng)中采用通用變頻器實現(xiàn)調(diào)速時，共同存在功率因數(shù)低、諧波污染嚴重、動態(tài)響應慢及結(jié)構復雜等問題難以解決。隨著雙PWM變頻器的出現(xiàn)可以很好地解決以上問題。

（2）控制器的發(fā)展

自動控制系統(tǒng)的控制器主要有DSP、工控機和PLC等，其中DSP具有強大的數(shù)字信號處理功能，廣泛應用于數(shù)字電源、數(shù)字電機及通信控制中；工控機廣泛應用于交流變頻裝置中的提升工藝過程控制，利用控制總線將控制、監(jiān)視、基準值預測以及模擬控制等組合在一起，組成靜止變流器的傳動控制，利用計算機調(diào)節(jié)速度及其它變量。PLC是在繼電器控制系統(tǒng)基礎上發(fā)展起來的先進自動控制裝置，使控制系統(tǒng)性能更加穩(wěn)定，功能特別強大。

⑶變頻調(diào)速控制方式

變頻調(diào)速中的主要部件是變頻器，目前變頻器經(jīng)常使用的控制方式有：V/f控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。

①V/f控制：當變頻器的輸出頻率改變時電壓也改變，V/f為常數(shù)，實現(xiàn)較寬范圍的調(diào)速，保證電動機的轉(zhuǎn)矩及功率因數(shù)不降低。這種控制方式具有成本低、結(jié)構簡單等優(yōu)點，但V/f控制是一種開環(huán)控制方式，具有動態(tài)特性較差、調(diào)整控制參數(shù)麻煩、當?shù)退龠\行時動態(tài)響應慢等缺點，多用于變頻調(diào)速性能要求不高的場合。

②轉(zhuǎn)差頻率控制：通過對電機轉(zhuǎn)速的檢測，組成轉(zhuǎn)速閉環(huán)，速度調(diào)節(jié)器輸出轉(zhuǎn)差頻率，然后以電

動機速度對應的頻率與轉(zhuǎn)差之和作為變頻器的給定輸出頻率。這種控制方式具有調(diào)速精度高、范圍大、系統(tǒng)穩(wěn)定等優(yōu)點，但其快速性差，不能適應礦井提升機系統(tǒng)對快速性的要求。

③矢量控制：控制策略的基本點是分解定子電流，使之成為轉(zhuǎn)矩和磁場兩個分量，也就是把交流電機等效為直流電機來進行控制，獲得和直流電機相媲美的控制特性。

3 存在主要問題

（1）由于提升載荷的頻繁變化，一般情況下調(diào)速方式不能自動適應系統(tǒng)變化的要求；

（2）使用傳統(tǒng)變頻器實現(xiàn)調(diào)速，動態(tài)響應速度慢，不利于提升機快速實現(xiàn)四象限運行的切換，且造成對電網(wǎng)諧波污染；

（3）傳統(tǒng)的變頻調(diào)速系統(tǒng)能量利用效率和系統(tǒng)的可靠性較低；

（4）提升機控制系統(tǒng)內(nèi)部傳輸信號質(zhì)量差，故障率高，難以實現(xiàn)全自動運行；

（5）在提升機作為能量回饋過程中，產(chǎn)生大量的低次諧波，影響逆變的正常工作，對電網(wǎng)造成污染。

4 小結(jié)

本文介紹了國內(nèi)外提升機發(fā)展和研究現(xiàn)狀，主要分為直流和交流調(diào)速系統(tǒng)進行介紹，重點論述認交流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構和特點，闡述了控制器的發(fā)展和變頻調(diào)速的四種控制方式，最后分析了當今國內(nèi)礦井提升機的控制系統(tǒng)存在的主要問題。

參考文獻

[1]楊德東.煤礦固定機械及運輸設備.長春：吉林大學出版社，2013.06.

[2]王崇林，李長錄，譚國俊.煤礦供電與電氣控制.徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2008.07.