董甲武，任佩佩

(1.陜西彬長(zhǎng)胡家河礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽(yáng) 713600；2.彬長(zhǎng)礦區(qū)災(zāi)害治理研究中心，陜西 咸陽(yáng) 713600)

0 引言

1980年代以前，國(guó)內(nèi)提升機(jī)電氣傳動(dòng)主要采用繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻交流調(diào)速系統(tǒng)，少數(shù)則采用發(fā)電機(jī)一電動(dòng)機(jī)組直流調(diào)速系統(tǒng)；之后，提升機(jī)電氣傳動(dòng)主要是采用晶閘管直流供電的直流調(diào)速系統(tǒng)；近年來(lái)，提升機(jī)電氣傳動(dòng)尤其是2 000 kW以上的主要采用交交變頻調(diào)速系統(tǒng)和交直交變頻傳動(dòng)系統(tǒng)[1-2]。交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速、調(diào)速精度高、性能可靠，但控制系統(tǒng)的精確性、安全性和可靠性要求高[3-4]，對(duì)類似于2×3 000 kW共軸拖動(dòng)提升機(jī)的摩擦滾筒，雙電機(jī)拖動(dòng)的提升機(jī)其電機(jī)兩側(cè)均通過(guò)輸出小軸將轉(zhuǎn)速的同步信號(hào)傳送給軸編碼器，由軸編碼器將其速度信號(hào)反饋給變頻器，從而實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速控制。由于在電機(jī)輸出端多采用同減速比的齒輪箱，將其反饋信號(hào)反饋給變頻器、PLC等多個(gè)接收終端，由于機(jī)械部分誤差及外界干擾影響，導(dǎo)致雙閉環(huán)交流調(diào)速系統(tǒng)準(zhǔn)確性受到極大影響，因此需對(duì)其控制系統(tǒng)不斷進(jìn)行優(yōu)化和改造。

1 提升系統(tǒng)現(xiàn)狀與分析

1.1 提升系統(tǒng)裝備及自動(dòng)化現(xiàn)狀

隨著傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，尤其是大功率的交流變頻技術(shù)的發(fā)展，礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)的傳動(dòng)方案越來(lái)越多樣化，根據(jù)用戶的實(shí)際需求，可以配置各種不同的更加合理的傳動(dòng)方案。特別是近年來(lái)我國(guó)加大礦山的開(kāi)采力度，大功率、大容量的礦井提升機(jī)需求越來(lái)越多，大功率的交交變頻系統(tǒng)和大功率的交直交變頻系統(tǒng)應(yīng)用越來(lái)越多。整體而言，交流變頻傳動(dòng)系統(tǒng)為礦井提升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，但在中等功率范圍內(nèi)，V-M直流傳動(dòng)系統(tǒng)由于其良好的性價(jià)比，仍有廣泛的應(yīng)用空問(wèn)。同時(shí)，隨著中壓四象限變頻技術(shù)的發(fā)展成熟，中壓變頻技術(shù)必將在礦井提升機(jī)上得到更多的應(yīng)用與發(fā)展。G-M直流調(diào)速方案、轉(zhuǎn)子回路切電阻方案以及脫胎于串級(jí)調(diào)速的雙饋轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速方案，必定逐漸淘汰。

交流傳動(dòng)即對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的速度控制。交流電機(jī)，尤其是籠型異步電動(dòng)機(jī)，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、造價(jià)低廉、堅(jiān)固耐用、無(wú)需維修、運(yùn)行可靠，更可用于惡劣的環(huán)境之中，特別是能做成高速大容量，更適應(yīng)在高速大容量的礦井提升機(jī)中作拖動(dòng)應(yīng)用。就我國(guó)目前的情況來(lái)看，國(guó)產(chǎn)的交流傳動(dòng)礦井提升機(jī)大部分仍采用較老的控制方式，減速制動(dòng)多采用能耗制動(dòng)方式。由于電力電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，特別是交流傳動(dòng)的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制理論的出現(xiàn)和成熟應(yīng)用，形成了一系列可以和直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美的交流調(diào)速系統(tǒng)，國(guó)外已將交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)和具有四象限性能的交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用于復(fù)雜的、要求較高的、多水平、大容量的礦井提升機(jī)中。

1.2 交交變頻調(diào)速優(yōu)點(diǎn)

交交變頻調(diào)速是一種十分理想的傳動(dòng)方式。它不僅具有直流傳動(dòng)同樣優(yōu)越的調(diào)速性能，還有許多優(yōu)于直流傳動(dòng)的特點(diǎn)。效率高，節(jié)能效果顯著，比直流傳動(dòng)效率高3%～4%。以 Siemens公司為寶鋼粗軋機(jī)13 000 kW電機(jī)提出的傳動(dòng)方案為例，交流傳動(dòng)比直流傳動(dòng)年節(jié)電628萬(wàn)kWh。若能和控制系統(tǒng)相結(jié)合，針對(duì)負(fù)荷變化，閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，還可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)效率；體積小，重量輕，因而轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。在Siemens公司生產(chǎn)相同規(guī)格的礦井提升機(jī)中，交流系統(tǒng)的絞車(chē)比直流系統(tǒng)的絞車(chē)重量輕10%；交流電機(jī)沒(méi)有整流子換向火花的限制，交流電機(jī)比直流電機(jī)具有大得多的過(guò)載能力；維護(hù)簡(jiǎn)單，可靠性高。這主要是取消換向器的結(jié)果。正是由于交交變頻調(diào)速具有上述優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)受到國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的極大重視，并得以迅速發(fā)展。

1.3 胡家河煤礦提升系統(tǒng)裝備情況

礦井裝備JKMD-5.5×4(Ⅳ)E型多繩摩擦式提升機(jī)1臺(tái)，采用2臺(tái)雙交流電機(jī)共軸拖動(dòng)方式，配套ABB液壓閘控系統(tǒng)和西門(mén)子交交變頻器調(diào)速系統(tǒng)1套，提升機(jī)配套2臺(tái)TDBS3000-24型交流調(diào)速同步電動(dòng)機(jī)2臺(tái)，裝備功率3 000 kW，電機(jī)電壓1 450 V，主控PLC采用西門(mén)子S7-400系列，監(jiān)控PLC采用西門(mén)子S7-300系列，閘控系統(tǒng)采用ABB液壓閘控系統(tǒng)設(shè)備。

主井提升機(jī)電控系統(tǒng)主要采用交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，變頻器選用西門(mén)子交流調(diào)速裝置，驅(qū)動(dòng)部分選用西門(mén)子公司Simadyn_d系統(tǒng)[5]，控制核心為西門(mén)子S7-400及S7-300系列PLC，功率部分元器件選用西安利雅得自主研發(fā)的功率柜。整個(gè)系統(tǒng)主要由全數(shù)字交-交變頻傳動(dòng)系統(tǒng)、提升機(jī)網(wǎng)絡(luò)化操作系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、信號(hào)及裝卸載系統(tǒng)等4部分組成。采用原裝進(jìn)口的全數(shù)字矢量控制交-交變頻調(diào)速裝置Simadyn D+分體式(柜式)整流裝置，整流裝置為三相無(wú)環(huán)流可逆式晶閘管變流器，引進(jìn)西門(mén)子公司Simadyn D全數(shù)字64位處理器組成的矢量控制交-交變頻調(diào)速數(shù)字控制柜；主回路為1套6脈動(dòng)Simadyn D全數(shù)字矢量變頻控制柜+3臺(tái)定子功率柜，驅(qū)動(dòng)1臺(tái)Y連接的交流同步電動(dòng)機(jī)。2臺(tái)同步電機(jī)定子功率柜進(jìn)線變壓器原邊相同，副邊繞組均相差30電角度，實(shí)現(xiàn)2臺(tái)電機(jī)定子回路繞組構(gòu)成的2×6脈動(dòng)控制[6-8]。

2臺(tái)交流同步電機(jī)通過(guò)電機(jī)末端的φ30 mm×3 500 mm小軸將提升機(jī)滾筒速度信號(hào)同步傳遞給1∶1的等帶比齒輪箱，由齒輪箱各輸出端將電機(jī)反饋速度傳送給軸編碼器，用來(lái)對(duì)雙閉環(huán)調(diào)整系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)速和狀態(tài)實(shí)時(shí)反饋。其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 提升機(jī)改造前結(jié)構(gòu)組成

2 控制系統(tǒng)問(wèn)題及原因分析

經(jīng)過(guò)提升機(jī)安裝完成后初期調(diào)試，發(fā)現(xiàn)提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)與實(shí)際反饋有偏差，且變頻控制系統(tǒng)極易受外界干擾影響而影響控制的精確性。

2.1 聯(lián)接小軸反饋誤差

提升機(jī)電機(jī)到減速箱之間，采用φ30 mm×3 500 mm小軸將電機(jī)轉(zhuǎn)速同步傳到減速箱，由于小軸長(zhǎng)度較長(zhǎng)不足以克服其撓性而產(chǎn)生撓度，在電機(jī)周期性旋轉(zhuǎn)期間將由于傳動(dòng)小軸偏心而產(chǎn)生不平穩(wěn)的反饋速度。

2.2 萬(wàn)向結(jié)聯(lián)接誤差

提升機(jī)小軸與電機(jī)連接處采用萬(wàn)向連接結(jié)，萬(wàn)向連接結(jié)允許兩端有一定誤差，由此與傳動(dòng)控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性相違背。

2.3 傳動(dòng)小軸抗干擾性差

傳動(dòng)小軸長(zhǎng)度為3.5 m，小軸采用兩端部連接固定，中間無(wú)支撐且距離過(guò)長(zhǎng)，極易受外部振動(dòng)的影響而使控制環(huán)節(jié)產(chǎn)生更多干擾，造成控制部分抗干擾能力差。

2.4 雙電機(jī)同步性反饋誤送

2臺(tái)電機(jī)其輸出共用同一根主軸，速度反饋控制的軸編碼器因?yàn)榉答伓瞬灰恢?，而?dǎo)致主提升機(jī)滾筒2臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)同步性出現(xiàn)差異。

如圖2所示，由于小軸過(guò)長(zhǎng)，主井提升機(jī)周?chē)脑肼暩蓴_，從反饋曲線上看到導(dǎo)致轉(zhuǎn)子位置變化約3.6°，速度變化在2%到4%，嚴(yán)重影響傳動(dòng)的速度閉環(huán)控制，對(duì)電機(jī)來(lái)說(shuō)嚴(yán)重影響傳動(dòng)交交變頻矢量控制轉(zhuǎn)子定位。

圖2 電機(jī)運(yùn)行期間受外界干擾影響曲線

2.5 齒輪傳動(dòng)誤差的影響

與軸編碼器相連的等比減速箱，其原理上為1∶1同速比的齒輪，其輸出端理論上和輸入端轉(zhuǎn)速一致，但實(shí)際由于齒輪間的嚙合存在間隙，此間隙導(dǎo)致各輸出軸上的編碼器存在細(xì)微差別，但對(duì)于控制系統(tǒng)視為不可靠。

提升機(jī)停機(jī)時(shí)曲線如圖3所示，提升機(jī)已經(jīng)停止、抱閘已經(jīng)抱死，主站1#電機(jī)速度為0，而從站2#電機(jī)速度在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)不為0，因?yàn)殡姍C(jī)是同軸的，所以對(duì)電機(jī)而言是不可能發(fā)生的，可以確定的是齒輪箱齒輪嚙合的間隙問(wèn)題所導(dǎo)致。按照反饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，用于同步電機(jī)轉(zhuǎn)子定位的矢量控制所需編碼器，必須與電機(jī)主軸同軸安裝，而所加的齒輪箱導(dǎo)致控制系統(tǒng)產(chǎn)生誤差。

圖3 提升機(jī)雙電機(jī)停機(jī)電流曲線

2.6 誤差疊加造成的反饋誤差

由于傳動(dòng)小軸撓度、齒輪箱嚙合、傳動(dòng)軸連接等各種誤差及外部干擾的影響累積和疊加，導(dǎo)致傳動(dòng)部分反饋極不可靠和電流波動(dòng)大。

3 控制系統(tǒng)優(yōu)化改造方案

為解決機(jī)械部分各級(jí)節(jié)點(diǎn)的誤差及外部干擾對(duì)控制系統(tǒng)的影響，需對(duì)機(jī)械傳動(dòng)部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)期間減少因傳動(dòng)誤差而反饋給控制系統(tǒng)，導(dǎo)致提升機(jī)控制系統(tǒng)誤差大。針對(duì)其原因分析提出如下改造方案[9-12]，如圖4所示。

圖4 軸編碼反饋系統(tǒng)改造示意

3.1 采用端面法蘭硬連接

電機(jī)轉(zhuǎn)子與軸伸端傳動(dòng)小軸通過(guò)端面法蘭進(jìn)行硬連接，從而嚴(yán)格保證電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)、同步傳動(dòng)到軸編碼器輸入端，保證電機(jī)轉(zhuǎn)速與軸編碼器采集的轉(zhuǎn)速完全一致。

3.2 傳動(dòng)小軸進(jìn)行優(yōu)化克服撓度影響

電機(jī)轉(zhuǎn)子與編碼器之間軸伸端小軸，采用φ30 mm×600 mm軸進(jìn)行速度傳輸，由于小軸長(zhǎng)度大幅縮短軸向強(qiáng)度可以克服撓度所產(chǎn)生的影響，從而基本消除傳動(dòng)軸軸向的撓度，減少速度傳輸過(guò)程中機(jī)械部分干擾。

3.3 軸編碼器重新固定，減少外界干擾

對(duì)新安裝的軸編碼器重新生根，采用H型鋼對(duì)焊作為底座，由于電機(jī)跨度較長(zhǎng)故在軸編碼器底座的垂直方向立一根支撐梁作為支撐，避免軸編碼器底座外界干擾對(duì)控制系統(tǒng)的影響。

3.4 改造為四通道輸出的組合型編碼器

將原有1∶1的齒輪箱進(jìn)行更換，采用一體式四通道輸出的FG4KK-1200G(雙輸出)+ FG4KK-4096G(雙輸出)(含聯(lián)軸節(jié))型編碼器，各輸出編碼盤(pán)均按輸入軸作為參照進(jìn)行編碼，各編碼器輸入端嚴(yán)格保證一致而無(wú)速度傳遞過(guò)程中的誤差。

3.5 采用相同的機(jī)械配置

電機(jī)兩側(cè)均采用相同的機(jī)械結(jié)構(gòu)，雙電機(jī)軸伸端速度反饋可以認(rèn)為一致，從而減少2臺(tái)電機(jī)之間同步反饋誤差，避免出現(xiàn)電機(jī)已停止但控制回路反饋的有反向電流的情況。

4 控制反饋改造效果

采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，其速度、電流控制均依賴于對(duì)電機(jī)輸出端速度反饋進(jìn)行改造，因此必須消除傳輸過(guò)程中的誤差及避免外界抗干擾能力。通過(guò)提升機(jī)在運(yùn)行一個(gè)周期內(nèi)的數(shù)據(jù)曲線觀察如圖5所示，在提升機(jī)加速段電樞電流、勵(lì)磁電流平穩(wěn)增長(zhǎng)，其速度曲線為一條帶加速度曲線增長(zhǎng)，到達(dá)速度峰值后趨于穩(wěn)定。當(dāng)提升機(jī)減速段到爬行段以后，雙電機(jī)電樞電流逐步消失為0，在速度為0時(shí)提升機(jī)已停機(jī)、抱閘，而雙電機(jī)電流反饋也為0，通過(guò)提升機(jī)反饋系統(tǒng)的改造避免傳輸反饋環(huán)節(jié)中間的影響和波動(dòng)，使反饋更加精確和真實(shí)，從而為變頻器提供可靠的外界輸入狀態(tài)，真實(shí)狀態(tài)與變頻器的理論模型相一致。通過(guò)改造電控系統(tǒng)輸入端的改造，效果較為明顯，使得提升機(jī)能夠在安全范圍內(nèi)運(yùn)行，避免外界干擾和波動(dòng)對(duì)提升機(jī)反饋的影響。

圖5 控制系統(tǒng)改造后雙電機(jī)運(yùn)行曲線

5 結(jié)語(yǔ)

主立井提升系統(tǒng)電控系統(tǒng)采用的雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)，電流環(huán)為內(nèi)控制環(huán)，速度為外環(huán)控制環(huán)，其速度的反饋均需要依靠軸伸端編碼器的持續(xù)、精確反饋從而達(dá)到精確調(diào)速的目的，因此對(duì)于速度傳輸誤差、外界干擾均比較敏感，輕微的誤差和干擾均有可能致使控制系統(tǒng)反饋的放大。控制系統(tǒng)反饋將是機(jī)械結(jié)構(gòu)、電控部分的連接點(diǎn)，其之間轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性和抗干擾能力，將直接導(dǎo)致控制系統(tǒng)閉環(huán)反饋增量的準(zhǔn)確性，只有不斷提升機(jī)械部分加工精度，同時(shí)對(duì)于配套的電控設(shè)備從設(shè)計(jì)階段考慮機(jī)械精度對(duì)電控系統(tǒng)的影響和抗干擾能力，才能整體提高自動(dòng)控制的準(zhǔn)確性，提升大型機(jī)械設(shè)備安全運(yùn)行的可靠性。