矿井提升机调速系统的现状与发展趋势
侯成滨，10055109
(山东工商学院 信息与电子工程学院，山东省 烟台 264000)
摘要：在煤矿生产中，矿井提升机起着非常重要的作用，它是矿山生产的关键设备。矿井提升机对安全性、 可靠性和调速性能的特殊要求，使得提升机电控系统的技术水平在一定程度上代表一个厂或国家的传动控制技术水平，本文研究矿井提升机的调速系统，了解我国提升机调速系统的现状与未来的发展趋势。 关键词：提升机；调速性能；现状；发展趋势。
1. 引言
矿井提升机作为井上井下的唯一输送通道，其运行性能的好坏与优劣不仅直接影响到矿山的生产效率，而且影响到矿山的生产安全，同时它也是矿山机电自动、智能化发展水平的显著标志，是数字化矿山建设的重要组成部分。 矿井提升机属往复运动的生产机械，且其负载为位能型负载，其对电控系统要求比较高，所以它的电气传动及控制一直是各国电气传动界的一个重要研究领域。
2. 调速系统的现状
矿井提升机是煤矿，有色金属矿生产过程中的重要设备。提升机的安全、可靠、有效高速运行，直接关系到企业的生产状况和经济效益。矿井提升系统具有环节多、控制复杂、运行速度快、惯性质量大、运行特性复杂的特点，且工作状况经常交替转换。虽然矿井提升系统本身有一些安全保护措施，但是由于现场使用环境条件恶劣，造成了各种机械零件和电气元件的功能失效，以及操作者的人为过失和对行程监测研究的局限性，使得现有保护未能达到预期的效果，致使提升系统的事故至今仍未能消除。一旦提升机的行程失去控制，没有按照给定速度曲线运行，就会发生提升机超速、过卷事故，造成楔形罐道、箕斗的损坏，影响矿井正常生产，甚至造成重大人员伤亡，给煤矿生产带来极大的经济损失。所以提升机调速控制系统的研究一直是社会各届人士共同关注的一个重大课题。电气控制方式在很大程度上决定了提升机能否实现平稳、安全、可靠地起制动运行，避免了严重的机械磨损，防止较大的机械冲击，减少机械部分维修的工作量，延长提升机械的使用寿命。随着矿井提升系统自动化，改善提统的性能，以及提高提升设备的提升能力等的要求，对电气传动方式提出了更高的要求。对矿井提升机电气传动系统的要求是：有良好的调速性能，调速精度高，四象限运行，能快速进行正、反转运行，动态响应速度快，有准确的制动和定位功能，可靠性要求高等。
2.1. 四象限可逆PWM 变换器
对于晶闸管-电动机调速系统，由于晶闸管的开关频率低，因而输出电流存在谐波分量，转矩脉动大，限制了调速范围；深度调速时，功率因数低，调速范围窄。PWM 变换器直流调速系统有较高的动态性能和较宽的调速范围，其综合性能明显优于相控方式，且主电路结构简单，需要的功率器件减少，电枢电流容易连续，谐波减少，电机的损耗和发热都大大减少；低速性得到改善，稳速精度提高，因而调速范围增大；电网的功率因数增大。
下图是可以四象限运行的PWM 变换器。由于电枢电压的极性和电枢电流方向都可以通过开关来改变，因此该变换器可以方便地实现电机的正、反转，以及启，制动等四象限运行。上述四象限可逆PWM 变换器的控制可以采用单极性控制和双极性控制两种方式。
四象限运行的PWM 变换器
电动机正常电动状态处在第一象限（正转、电动），发电（制动）再生运行在第二象限（正转、发电），反转电动状态处在第三象限，第四象限反向制动。
2.2. 我国矿井提升机的现状
在煤矿生产中，矿井提升机起着非常重要的作用，它是矿山生产的关键设备。提升机电控装置的技术性能，既直接影响矿山生产的效率及安全，又代表着矿井提升机发展的整体水平。目前，矿井提升我国机90%以上是采用单机容量在1000KW 以下传统的交流异步电机拖动，采用转子串、切电阻调速，由继电器—接触器构成逻辑控制装置。其中多半为电动机—发机组(F-D机组) 供电，采用晶闸管整流传动(SCR-D)的只占一部分。传统交流拖动系统的显缺点是：调速性能差，调速时能量要大量消耗在电阻上，给定方式落后，控制精度低，安全保护和监测环节不完善，安全可靠性差，维护工作量大，而且运行不经济。 由于异步电动机在低速运行时特性曲线软，在次同步状态下无法产生有效的制动力矩，因而难于准确地控制提升机的停车位置。目前多采取动力制动或低频拖动加制动的方式来完成减速、爬行和停车。目前在用的动力制动及低频电源大多数为采用模拟技术控制的晶闸管装置，仍存在调试困难、维护量大的问题。 传统交流电控系统可靠性差的另一原因是安全保护、闭锁及监测系统不完善，均为单线系统，且与控制系统相混联，多数共用一套线路，互相影响。1986 年以来，针对制约提升安全的主要环节，陆续增设了深度指示器、自动减速、限速等安全监测及后备保护功能，初步实现了对提升容器的定点位置监测及几项重要安全保护的双线制，使提升安全状况有所改善。 在实施提升机电气控制系统技术改造时，即要有超前一步的意识紧盯国际先进水平，也要考虑我国国情，依靠自己的力量，加强与先进国家的合作，采取引进、消化吸收、合作生产、联合改造等多种形式，实现符合中国国情的煤矿提升机电控系统现代化。
3. 调速系统的发展趋势
1) 国产大型直流提升机及电控系统正在逐步完善和推广使用。
2) 大功率变频调速电控提升机其效率可达98%,国内正在组织研究这种系统, 不少院校和研究单位都在着手研制。如天津电气传动研究所已研制了一台300kW 的变频调速装置。
3) 可编程序控制器在提升机电控系统的应用可编程序控制器由于可靠性高, 抗干扰能力强, 实现继电逻辑十分容易, 且简单易掌握, 基本免于维护等独特优点, 特别适用于对我国占大部分的交流提升机继电一接触器电控系统进行技术改造。有不少单位都在着手研制, 如焦作矿
务局、韩城矿务局均用可编程序控制器对TKD 电控系统进行改造, 已投人正常运行和使用, 已经显示出了很强的生一命力。这是今后一段时期乃至几十年对我国占绝大多数采用继电控制的交流提升系统进行技术改造的必由之路。当然, 如何解决转子串电阻调速消耗大量能量的问题有待于进一步研究。
参考文献
1. 余发山. 国内外矿井提升机的现状与发展[J],煤矿机电，1995.3.
2. 何晓群. 矿井提升机调速和控制技术发展现状与趋势[R],第19界全国煤矿自动化与信息化学术会议，
中国矿业大学.
矿井提升机调速系统的现状与发展趋势
侯成滨，10055109
(山东工商学院 信息与电子工程学院，山东省 烟台 264000)
摘要：在煤矿生产中，矿井提升机起着非常重要的作用，它是矿山生产的关键设备。矿井提升机对安全性、 可靠性和调速性能的特殊要求，使得提升机电控系统的技术水平在一定程度上代表一个厂或国家的传动控制技术水平，本文研究矿井提升机的调速系统，了解我国提升机调速系统的现状与未来的发展趋势。 关键词：提升机；调速性能；现状；发展趋势。
1. 引言
矿井提升机作为井上井下的唯一输送通道，其运行性能的好坏与优劣不仅直接影响到矿山的生产效率，而且影响到矿山的生产安全，同时它也是矿山机电自动、智能化发展水平的显著标志，是数字化矿山建设的重要组成部分。 矿井提升机属往复运动的生产机械，且其负载为位能型负载，其对电控系统要求比较高，所以它的电气传动及控制一直是各国电气传动界的一个重要研究领域。
2. 调速系统的现状
矿井提升机是煤矿，有色金属矿生产过程中的重要设备。提升机的安全、可靠、有效高速运行，直接关系到企业的生产状况和经济效益。矿井提升系统具有环节多、控制复杂、运行速度快、惯性质量大、运行特性复杂的特点，且工作状况经常交替转换。虽然矿井提升系统本身有一些安全保护措施，但是由于现场使用环境条件恶劣，造成了各种机械零件和电气元件的功能失效，以及操作者的人为过失和对行程监测研究的局限性，使得现有保护未能达到预期的效果，致使提升系统的事故至今仍未能消除。一旦提升机的行程失去控制，没有按照给定速度曲线运行，就会发生提升机超速、过卷事故，造成楔形罐道、箕斗的损坏，影响矿井正常生产，甚至造成重大人员伤亡，给煤矿生产带来极大的经济损失。所以提升机调速控制系统的研究一直是社会各届人士共同关注的一个重大课题。电气控制方式在很大程度上决定了提升机能否实现平稳、安全、可靠地起制动运行，避免了严重的机械磨损，防止较大的机械冲击，减少机械部分维修的工作量，延长提升机械的使用寿命。随着矿井提升系统自动化，改善提统的性能，以及提高提升设备的提升能力等的要求，对电气传动方式提出了更高的要求。对矿井提升机电气传动系统的要求是：有良好的调速性能，调速精度高，四象限运行，能快速进行正、反转运行，动态响应速度快，有准确的制动和定位功能，可靠性要求高等。
2.1. 四象限可逆PWM 变换器
对于晶闸管-电动机调速系统，由于晶闸管的开关频率低，因而输出电流存在谐波分量，转矩脉动大，限制了调速范围；深度调速时，功率因数低，调速范围窄。PWM 变换器直流调速系统有较高的动态性能和较宽的调速范围，其综合性能明显优于相控方式，且主电路结构简单，需要的功率器件减少，电枢电流容易连续，谐波减少，电机的损耗和发热都大大减少；低速性得到改善，稳速精度提高，因而调速范围增大；电网的功率因数增大。
下图是可以四象限运行的PWM 变换器。由于电枢电压的极性和电枢电流方向都可以通过开关来改变，因此该变换器可以方便地实现电机的正、反转，以及启，制动等四象限运行。上述四象限可逆PWM 变换器的控制可以采用单极性控制和双极性控制两种方式。
四象限运行的PWM 变换器
电动机正常电动状态处在第一象限（正转、电动），发电（制动）再生运行在第二象限（正转、发电），反转电动状态处在第三象限，第四象限反向制动。
2.2. 我国矿井提升机的现状
在煤矿生产中，矿井提升机起着非常重要的作用，它是矿山生产的关键设备。提升机电控装置的技术性能，既直接影响矿山生产的效率及安全，又代表着矿井提升机发展的整体水平。目前，矿井提升我国机90%以上是采用单机容量在1000KW 以下传统的交流异步电机拖动，采用转子串、切电阻调速，由继电器—接触器构成逻辑控制装置。其中多半为电动机—发机组(F-D机组) 供电，采用晶闸管整流传动(SCR-D)的只占一部分。传统交流拖动系统的显缺点是：调速性能差，调速时能量要大量消耗在电阻上，给定方式落后，控制精度低，安全保护和监测环节不完善，安全可靠性差，维护工作量大，而且运行不经济。 由于异步电动机在低速运行时特性曲线软，在次同步状态下无法产生有效的制动力矩，因而难于准确地控制提升机的停车位置。目前多采取动力制动或低频拖动加制动的方式来完成减速、爬行和停车。目前在用的动力制动及低频电源大多数为采用模拟技术控制的晶闸管装置，仍存在调试困难、维护量大的问题。 传统交流电控系统可靠性差的另一原因是安全保护、闭锁及监测系统不完善，均为单线系统，且与控制系统相混联，多数共用一套线路，互相影响。1986 年以来，针对制约提升安全的主要环节，陆续增设了深度指示器、自动减速、限速等安全监测及后备保护功能，初步实现了对提升容器的定点位置监测及几项重要安全保护的双线制，使提升安全状况有所改善。 在实施提升机电气控制系统技术改造时，即要有超前一步的意识紧盯国际先进水平，也要考虑我国国情，依靠自己的力量，加强与先进国家的合作，采取引进、消化吸收、合作生产、联合改造等多种形式，实现符合中国国情的煤矿提升机电控系统现代化。
3. 调速系统的发展趋势
1) 国产大型直流提升机及电控系统正在逐步完善和推广使用。
2) 大功率变频调速电控提升机其效率可达98%,国内正在组织研究这种系统, 不少院校和研究单位都在着手研制。如天津电气传动研究所已研制了一台300kW 的变频调速装置。
3) 可编程序控制器在提升机电控系统的应用可编程序控制器由于可靠性高, 抗干扰能力强, 实现继电逻辑十分容易, 且简单易掌握, 基本免于维护等独特优点, 特别适用于对我国占大部分的交流提升机继电一接触器电控系统进行技术改造。有不少单位都在着手研制, 如焦作矿
务局、韩城矿务局均用可编程序控制器对TKD 电控系统进行改造, 已投人正常运行和使用, 已经显示出了很强的生一命力。这是今后一段时期乃至几十年对我国占绝大多数采用继电控制的交流提升系统进行技术改造的必由之路。当然, 如何解决转子串电阻调速消耗大量能量的问题有待于进一步研究。
参考文献
1. 余发山. 国内外矿井提升机的现状与发展[J],煤矿机电，1995.3.
2. 何晓群. 矿井提升机调速和控制技术发展现状与趋势[R],第19界全国煤矿自动化与信息化学术会议，
中国矿业大学.