礦井提升機(jī)的控制方式

鄭麗萍

摘 要 提升機(jī)在爬行和制動(dòng)兩個(gè)階段中，通常采用變頻器來(lái)作為其特殊的低頻電源，并能在確保其輸出頻率不變的同時(shí)，根據(jù)外部控制的實(shí)際信號(hào)要求及其運(yùn)行的速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓大小的控制，最終實(shí)現(xiàn)礦井提升機(jī)電機(jī)的平穩(wěn)制動(dòng)以及穩(wěn)定爬行。這一控制方式不僅調(diào)速性能良好、系統(tǒng)控制安全性高，而且還能節(jié)能省電，具有較高的應(yīng)用及推廣價(jià)值。本文主要介紹了礦井提升機(jī)的控制方式，以及礦井提升機(jī)中變頻器的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 礦井提升機(jī)；變頻器

中圖分類(lèi)號(hào)：TD534 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）02-0068-02

提升機(jī)作為礦山系統(tǒng)中必不可少的部分，發(fā)展也是體現(xiàn)得最為明顯的，特別是提升機(jī)控制調(diào)速方面，從最初的基于滑差電磁離合器的調(diào)速方式到基于轉(zhuǎn)差頻率控制的調(diào)速方式再到現(xiàn)在的基于輸出電壓控制的調(diào)速方式。一步一步的更新，預(yù)示著提升機(jī)調(diào)速方式的飛速發(fā)展和礦用行業(yè)的日新月異。

1 提升機(jī)的電力拖動(dòng)形式

1）交流繞線感應(yīng)的電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)：該種電力拖動(dòng)形式最主要的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)速的技術(shù)比較成熟，且設(shè)備的價(jià)格相對(duì)較低，同時(shí)利用附加電阻來(lái)調(diào)速，加速以及減速等制動(dòng)階段的調(diào)速性能較好。其主要的缺點(diǎn)就是設(shè)備減速階段往往需要較小的正力減速，然而機(jī)械性能的曲線過(guò)軟，導(dǎo)致調(diào)速的過(guò)程不是很理想，利用電阻調(diào)速增加電能損耗。

2）直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)：這種調(diào)速方式的主要操作原理是通過(guò)利用直流電動(dòng)機(jī)外部供電壓的改變來(lái)進(jìn)行調(diào)速的。其主要的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)速的性能極好，并且調(diào)速的性能與負(fù)載的大小和正負(fù)均沒(méi)有關(guān)系，其主要的缺點(diǎn)是設(shè)備比較復(fù)雜，投資和為序的代價(jià)較大。

3）交流同步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)：采用晶閘管交-直-交變頻供電，優(yōu)點(diǎn)是制造簡(jiǎn)單，造價(jià)低，電動(dòng)機(jī)效率高，運(yùn)行噪音小，維護(hù)方便，由計(jì)算機(jī)控制調(diào)速精確，自動(dòng)化程度高。

2 提升機(jī)的電力拖制動(dòng)形式

1）發(fā)電制動(dòng)：指的是電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，由于受到外力的驅(qū)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)速到達(dá)并超過(guò)某一臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，其輸出的正轉(zhuǎn)矩逐漸變成負(fù)轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)變成了發(fā)電機(jī)在運(yùn)行，將發(fā)出的電能輸送至電網(wǎng)，使得電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行具有了制動(dòng)的效果。

2）動(dòng)力制動(dòng)：動(dòng)力制動(dòng)也稱(chēng)能耗制動(dòng)。即當(dāng)我們對(duì)電動(dòng)機(jī)的定子繞組進(jìn)行直流電流輸入后，其定子就會(huì)建立一個(gè)靜止的磁場(chǎng)。一旦轉(zhuǎn)子受到外力的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子的繞組便會(huì)和靜止的磁場(chǎng)產(chǎn)生了相對(duì)的運(yùn)動(dòng)，從而使轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生一定的電勢(shì)，再通過(guò)外回路電阻產(chǎn)生的電流，建立一個(gè)動(dòng)態(tài)的磁場(chǎng)，最終由于轉(zhuǎn)子的靜磁場(chǎng)與動(dòng)磁場(chǎng)之間相互作用而產(chǎn)生制動(dòng)效果。

3）反接制動(dòng)：該制動(dòng)方式的主要操作原理，是為了使電動(dòng)機(jī)能夠快速停止，將其電源斷開(kāi)，再接入與其電源運(yùn)轉(zhuǎn)方向相反的新電源，最終使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的負(fù)轉(zhuǎn)矩停止。反接制動(dòng)方式的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)是力矩較大，并且制動(dòng)較快，但是其主要存在的缺點(diǎn)是產(chǎn)生的力矩沖擊以及電流沖擊也相對(duì)較大，在提升機(jī)上極少運(yùn)用。

4）變頻和低頻發(fā)電制動(dòng)：該制動(dòng)方式的主要原理是通過(guò)采用變頻以及低頻發(fā)電電源中的拖動(dòng)系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)電氣的制動(dòng)。

由上可知隨著機(jī)械與傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，最開(kāi)始采用電磁離合器的調(diào)速技術(shù)，已無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)在的發(fā)展要求。傳統(tǒng)的交流調(diào)速方法使用過(guò)程中，存在很多的缺點(diǎn)，如調(diào)速的精度不高、調(diào)速的范圍較小，而且調(diào)速的效率很低等。因此，在高精度調(diào)速的應(yīng)用過(guò)程中，人們使用的大都是直流調(diào)速系統(tǒng)。但是20世紀(jì)80年代左右，隨著我國(guó)的各種電子技術(shù)的飛速發(fā)展，市場(chǎng)上開(kāi)始出現(xiàn)大量高性能以及高功率的電子類(lèi)產(chǎn)品，加之電力電子自動(dòng)控制技術(shù)的不斷改進(jìn)和完善，一些原本的礙阻交流調(diào)速發(fā)展的技術(shù)問(wèn)題也得到了有效的解決。這一情況使得交流調(diào)速系統(tǒng)中也逐漸實(shí)現(xiàn)了原有直流調(diào)速系統(tǒng)中的先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，其自動(dòng)控制技術(shù)性能得到大大的提高，如，實(shí)現(xiàn)了較大范圍的調(diào)速，較高穩(wěn)速的精確度以及較快速度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和四象限運(yùn)行等。

3 提升機(jī)的交流調(diào)速方案

交流電動(dòng)機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，運(yùn)行較為可靠，運(yùn)行過(guò)程中的慣性較小，而且堅(jiān)固耐用。因此，對(duì)于很多直流調(diào)速無(wú)法勝任的場(chǎng)合，交流電動(dòng)機(jī)也能夠運(yùn)用自如，可以說(shuō)，在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中，交流調(diào)速占據(jù)著極為重要的位置。交流電機(jī)的調(diào)速方法主要包括變同步速調(diào)速以及變滑差調(diào)速等兩大類(lèi)。其中，最為有效的一種調(diào)速方式就是變頻調(diào)速，它也是交流調(diào)速過(guò)程中最為理想的調(diào)速方案之一。變頻調(diào)速的實(shí)際操作原理，是實(shí)際操作過(guò)程中，通過(guò)適當(dāng)?shù)淖冾l裝置，改變電網(wǎng)的原有固定頻率，將其轉(zhuǎn)換成為一種可調(diào)的頻率，從而使電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)較寬范圍內(nèi)的無(wú)級(jí)調(diào)速。主井提升控制系統(tǒng)采用交-直-交傳動(dòng)系統(tǒng)，是目前世界乃至國(guó)內(nèi)大中型煤礦及其他非煤礦山采用的最先進(jìn)的設(shè)備之一。

4 變頻調(diào)速方式

變頻調(diào)速的基本原理，主要可由以下電機(jī)學(xué)的基本公式表述出來(lái)：即保持式中的p值不變（p為電動(dòng)機(jī)定子繞組的磁極對(duì)數(shù)）的情況下，適當(dāng)改變f（電源的頻率），就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速的改變。而對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，其實(shí)際轉(zhuǎn)速不僅要小于同步轉(zhuǎn)速，并且還隨著其轉(zhuǎn)速的變化而改變。通常情況下，同步轉(zhuǎn)速的電源頻率增加，其實(shí)際轉(zhuǎn)速也增加，反之亦然。這樣的速度調(diào)節(jié)方式我們稱(chēng)之為變頻調(diào)速。在變頻調(diào)速中，其控制方式主要包括以下幾種。

1）V/F控制：該控制方式是交流電機(jī)中最為簡(jiǎn)單的控制方法之一。即通過(guò)保持控制過(guò)程中V/F的常數(shù)，來(lái)確保轉(zhuǎn)子磁通的恒定。V/F控制方式中存在的主要問(wèn)題是它屬于一種開(kāi)環(huán)控制方式，因此速度的動(dòng)態(tài)特性不是很理想，導(dǎo)致了電機(jī)轉(zhuǎn)矩的利用率較低，并且在控制參數(shù)的過(guò)程中，還需要操作人員根據(jù)其不同的負(fù)載做出相應(yīng)的調(diào)整，尤其是低時(shí)速狀態(tài)下，逆變器以及定子電阻等會(huì)出現(xiàn)開(kāi)關(guān)延時(shí)的情況，容易破壞整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，惡化安全性。

2）轉(zhuǎn)差頻率控制：該控制方式的主要目的是用來(lái)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測(cè)。比起V/F控制相方式，轉(zhuǎn)差頻率控制方式能夠?qū)崿F(xiàn)在較寬調(diào)速內(nèi)，較好的控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩以及功率因數(shù)和效率等，因此不僅調(diào)速的精準(zhǔn)度較高，還能夠保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。但是同樣的，采取轉(zhuǎn)差頻率控制方式也存在一定的不足之處，就是其只能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的單機(jī)操作和運(yùn)行，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制，快速性較差，因此通常被應(yīng)用于對(duì)響應(yīng)速度要求不高的系統(tǒng)當(dāng)中。endprint

3）矢量控制：該控制方式主要操作原理是在保持轉(zhuǎn)子磁鏈定向的前提條件下，通過(guò)變換坐標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)定子磁通分量以及電流轉(zhuǎn)矩分量等的控制，即能夠?qū)⒏袘?yīng)電機(jī)作為直流電機(jī)來(lái)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩的控制。就目前的實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，采用轉(zhuǎn)差頻率矢量控制方法的情況較多，因?yàn)樵摲椒ú](méi)有實(shí)現(xiàn)對(duì)直接磁通的閉環(huán)控制，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中也不用一定檢測(cè)出磁通，因此實(shí)現(xiàn)的容易程度較高。但是該方式存在的問(wèn)題是其控制器的設(shè)計(jì)對(duì)電機(jī)的參數(shù)有一定的依賴(lài)性，因此，為了能夠降低其控制過(guò)程中對(duì)電機(jī)參數(shù)的敏感性，目前人們已研發(fā)出許多適應(yīng)方法，如參數(shù)辨識(shí)以及參數(shù)補(bǔ)償?shù)龋〉昧肆己玫男Ч?/p>

4）直接轉(zhuǎn)矩控制：該控制方法屬于轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制的方式之一，其主要特點(diǎn)是解決了解耦運(yùn)算以及坐標(biāo)變換的復(fù)雜性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)矩的直接控制。直接轉(zhuǎn)矩控制的操作原理是通過(guò)控制轉(zhuǎn)矩的誤差以及磁通誤差，并按照一定的原則合理選擇逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速以及和輸出功率的有效調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)其控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的主要目的。與矢量控制法相比，DT控制方式具有較高的魯棒性。但主要的不足之處是其低速性能不太理想。

5 提升機(jī)的制動(dòng)和低速爬行控制

礦用提升機(jī)在制動(dòng)和低速爬行階段的控制尤為重要。通常普通的變頻器輸出的頻率相對(duì)較低，但是由于其一開(kāi)始的系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及建模等，均是專(zhuān)門(mén)針對(duì)低壓電機(jī)，其輸出的頻率以及電壓之間一直具有一定的比例關(guān)系。因此，直接將其應(yīng)用到礦井提升電機(jī)的爬行以及低頻制動(dòng)過(guò)程中時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)以下情況：即剛開(kāi)始的低頻投入階段，由于電機(jī)變頻器的輸出電壓過(guò)高，導(dǎo)致其制動(dòng)力矩過(guò)大，電機(jī)所反饋回的能量也就相應(yīng)變大了，一旦選擇的變頻器的制動(dòng)電阻不恰當(dāng)，就會(huì)出現(xiàn)變頻器過(guò)壓的危險(xiǎn)情況，甚至有可能導(dǎo)致變頻器直流橋的電容燒毀，與此同時(shí)，當(dāng)電機(jī)處于較低頻率下爬行時(shí)，可能會(huì)由于兼顧制動(dòng)的問(wèn)題，導(dǎo)致爬行過(guò)程中電機(jī)的力矩過(guò)小。

目前，人們根據(jù)礦井提升的具體要求，開(kāi)發(fā)出Vacon變頻器等開(kāi)放式的編程平臺(tái)，來(lái)實(shí)現(xiàn)了對(duì)低頻發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的有效模擬。即應(yīng)用特殊的軟件編程，使得整個(gè)制動(dòng)以及爬行階段，電動(dòng)機(jī)變頻器的輸出頻率始終沒(méi)有改變，然后再根據(jù)其預(yù)先設(shè)置好的制動(dòng)曲線以及運(yùn)行速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的輸出電壓的直接控制，以實(shí)現(xiàn)最終的制動(dòng)效果。該控制方式不僅操作簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，而且系統(tǒng)的可靠性和安全性較高，完全能夠滿(mǎn)足當(dāng)下礦井提升機(jī)的控制要求，具有極高的發(fā)展前景和推廣價(jià)值。

6 結(jié)束語(yǔ)

變頻調(diào)速方式是能耗低、效率高的調(diào)速方式之一，能使提升機(jī)在大多數(shù)時(shí)間里一直保持電動(dòng)狀態(tài)，取得較好的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，其技術(shù)操作較為簡(jiǎn)單，還能夠克服電阻器以及接觸器等易損等問(wèn)題，保持系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，因此對(duì)減少施工過(guò)程中由于運(yùn)行故障造成的各種損失，提高電力運(yùn)送的能力等具有重要的意義。

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