李培++呂鯤

[摘 要]礦井提升機(jī)是礦井生產(chǎn)的重要機(jī)電設(shè)備，其性能的好壞關(guān)系著礦工的生命安全和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。本文總結(jié)國(guó)內(nèi)外礦井提升機(jī)的發(fā)展歷程，各種系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，以及當(dāng)前存在的主要的問題，為將來的研究工作拋準(zhǔn)引玉。

[關(guān)鍵詞]礦井提升機(jī)；控制系統(tǒng)；發(fā)展

中圖分類號(hào)：TD534 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）19-0145-01

1 前言

礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)作為煤礦的主要生產(chǎn)設(shè)備，關(guān)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(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行、很好的檢測(cè)速度和行程、具備良好的故障監(jiān)測(cè)功能、具備可靠的制動(dòng)控制系統(tǒng)等。根據(jù)提升機(jī)對(duì)控制系統(tǒng)的要求，其電氣傳動(dòng)方式通常有直流傳動(dòng)和交流傳動(dòng)兩種[1，2]。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外提升機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀的主要幾個(gè)方面進(jìn)行總結(jié)。

2 發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 直流傳動(dòng)

直流電機(jī)具有良好的啟動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)性能，可以在大范圍內(nèi)進(jìn)行無級(jí)調(diào)速，非常適用于經(jīng)常切換正反轉(zhuǎn)和調(diào)速指標(biāo)要求高的提升機(jī)。直流他勵(lì)電機(jī)在提升機(jī)中應(yīng)用廣泛，其控制系統(tǒng)選用F-D系統(tǒng)，由同步電機(jī)帶動(dòng)直流發(fā)電機(jī)，對(duì)電機(jī)直接供電。通過改變發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電阻實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁改變，從而改變發(fā)電機(jī)電勢(shì)和直流電機(jī)電樞電壓，完成電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變，達(dá)到提升機(jī)調(diào)速的目的。如瑞典、德國(guó)等國(guó)多數(shù)采用此傳動(dòng)方式，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

2.2 交流傳動(dòng)

由于交流電動(dòng)機(jī)具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、造價(jià)便宜、運(yùn)行可靠等特點(diǎn)，更適用于惡劣的環(huán)境中。伴隨著電力電子器件、電子技術(shù)、自動(dòng)控制理論及先進(jìn)的交流調(diào)速理論的發(fā)展，交流傳動(dòng)取得的控制特性能夠和直流調(diào)速相媲美。二十世紀(jì)七十年代德國(guó)SIEMENS公司矢量控制變頻技術(shù)的出現(xiàn)，標(biāo)志著交流調(diào)速取代直流調(diào)速的技術(shù)時(shí)代正在到來。隨著計(jì)算機(jī)和PLC技術(shù)的發(fā)展，外國(guó)工程技術(shù)人員將計(jì)算機(jī)和PLC技術(shù)應(yīng)用于礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)中，使得提升機(jī)自動(dòng)化水平達(dá)到了一個(gè)新高度，安全回路和制動(dòng)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(gòu)

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(diǎn)，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(duì)電網(wǎng)污染嚴(yán)重等缺點(diǎn)。

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(shí)在改善變頻后電機(jī)特性方面具備明顯的優(yōu)勢(shì)。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(diǎn)，本文將選用交-直-交變頻器結(jié)構(gòu)。

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(gòu)一般采用電壓源型的交-直-交結(jié)構(gòu)，整流單元采用整流二極管實(shí)現(xiàn)，目前通用變頻器均采用此結(jié)構(gòu)。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(jī)調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)在工作頻率下降過程中，即處于再生發(fā)電狀態(tài)時(shí)，由于變頻器整流側(cè)二極管具有單向?qū)щ娦裕嵘龣C(jī)系統(tǒng)的機(jī)械能不能回饋到電網(wǎng)，要回饋到直流電路中，從而導(dǎo)致直流母線電壓Ud驟升，即泵升電壓，甚至達(dá)到危險(xiǎn)的地步，損壞變頻器中整流與逆變開關(guān)器件以及直流濾波電容，從而導(dǎo)致變頻器無法正常工作。為了解決上述問題，必須及時(shí)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(dòng)電阻單元，在電機(jī)制動(dòng)時(shí)，將反饋回的巨大能量消耗于制動(dòng)電阻Rb中。此結(jié)構(gòu)變頻器應(yīng)用于礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)中時(shí)，主要缺點(diǎn)如下：①污染電網(wǎng)；②功率因數(shù)低；③動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢；④體積增大。

為了滿足變頻器實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行的要求，將制動(dòng)的電能有效回饋電網(wǎng)，利用能量回饋單元實(shí)現(xiàn)變頻器的四象限運(yùn)行時(shí)，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。回饋逆變部分是整個(gè)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(gòu)復(fù)雜，諧波對(duì)電網(wǎng)污染較嚴(yán)重，且功率因數(shù)較低，對(duì)變頻器運(yùn)行缺少優(yōu)化和保護(hù)功能等問題，制約了該結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。

綜上所述，在提升機(jī)控制系統(tǒng)中采用通用變頻器實(shí)現(xiàn)調(diào)速時(shí)，共同存在功率因數(shù)低、諧波污染嚴(yán)重、動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢及結(jié)構(gòu)復(fù)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(dòng)控制系統(tǒng)的控制器主要有DSP、工控機(jī)和PLC等，其中DSP具有強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理功能，廣泛應(yīng)用于數(shù)字電源、數(shù)字電機(jī)及通信控制中；工控機(jī)廣泛應(yīng)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(zhǔn)值預(yù)測(cè)以及模擬控制等組合在一起，組成靜止變流器的傳動(dòng)控制，利用計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)速度及其它變量。PLC是在繼電器控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的先進(jìn)自動(dòng)控制裝置，使控制系統(tǒng)性能更加穩(wěn)定，功能特別強(qiáng)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(dāng)變頻器的輸出頻率改變時(shí)電壓也改變，V/f為常數(shù)，實(shí)現(xiàn)較寬范圍的調(diào)速，保證電動(dòng)機(jī)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(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但V/f控制是一種開環(huán)控制方式，具有動(dòng)態(tài)特性較差、調(diào)整控制參數(shù)麻煩、當(dāng)?shù)退龠\(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢等缺點(diǎn)，多用于變頻調(diào)速性能要求不高的場(chǎng)合。

②轉(zhuǎn)差頻率控制：通過對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)，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(dòng)機(jī)速度對(duì)應(yīng)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(diǎn)，但其快速性差，不能適應(yīng)礦井提升機(jī)系統(tǒng)對(duì)快速性的要求。

③矢量控制：控制策略的基本點(diǎn)是分解定子電流，使之成為轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)兩個(gè)分量，也就是把交流電機(jī)等效為直流電機(jī)來進(jìn)行控制，獲得和直流電機(jī)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(dòng)適應(yīng)系統(tǒng)變化的要求；

（2）使用傳統(tǒng)變頻器實(shí)現(xiàn)調(diào)速，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢，不利于提升機(jī)快速實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行的切換，且造成對(duì)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(jī)控制系統(tǒng)內(nèi)部傳輸信號(hào)質(zhì)量差，故障率高，難以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行；

（5）在提升機(jī)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(duì)電網(wǎng)造成污染。

4 小結(jié)

本文介紹了國(guó)內(nèi)外提升機(jī)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(jìn)行介紹，重點(diǎn)論述認(rèn)交流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，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(dāng)今國(guó)內(nèi)礦井提升機(jī)的控制系統(tǒng)存在的主要問題。

參考文獻(xiàn)

[1]楊德東.煤礦固定機(jī)械及運(yùn)輸設(shè)備.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)出版社，2013.06.

[2]王崇林，李長(zhǎng)錄，譚國(guó)俊.煤礦供電與電氣控制.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2008.07.